1、智慧养老之身体摔倒预警和检测系统需求分析大学论文智慧养老之身体摔倒预警和检测系统需求分析 编辑人：郭飞摘 要 21世纪的中国将是一个不可逆转的老龄社会，随着社会的飞速发展，人口老龄化的趋势逐年增加。伴随而来老年人这一群体的明显弱点也逐渐体现出来易跌倒，正因为这个弱点，使得许多老年人不敢出行。因此，在手机上开发一项检测老年人跌倒的软件系统是必要的。本文研究和探讨了在不同情况下发生跌倒时，利用加速度传感器，在30秒内判断出是否发生跌倒，并且在发生跌倒后，软件将会调用SMS的相关函数将发送短信息给该老人的监护人。 本文拟提出一种基于Android平台的老年人跌倒检测远程报警系统，在便携性的基础上，在
2、老年人跌倒的第一时间发出讯息通知其监护人。 目 录1 绪论 21.1研究背景及研究意义 31.1.1研究背景 31.1.2研究意义 31.2国内外研究现状 31.3课题的提出 32 人体摔倒检测技术 32.1运动控制器技术 32.1.1运动控制器技术概念 32.1.2运动控制器模型 32.2传感器技术 32.2.1传感器技术概念 32.2.2传感器模型及选择 32.3无线通信技术 62.3.1无线通信技术概念 62.3.2无线通信的模型及选择 63 摔倒检测算法的设计与实现 63.1人体运动加速度模型 63.2加速度数据分析 63.2.1坐标分析 63.2.2人体姿态与体位分析 63.3摔倒检
3、测算法设计 64 摔倒检测系统的设计 64.1摔倒检测系统的系统结构 64.1.1摔倒检测系统的功能模块 64.1.2摔倒检测系统的工作流程 74.2摔倒检测服务的设计 74.2.1摔倒检测服务模块 74.2.2摔倒检测服务工作流程 74.3摔倒检测系统的用户设置程序 74.3.1摔倒检测系统的用户设置模块 74.3.2摔倒检测系统的用户设计界面 75 摔倒检测系统的检测分析 85.1摔倒检测系统的检测工具 85.2摔倒检测系统的数据分析 86 总结与展望 86.1本文总结 86.2展望未来 8参考文献 8致谢 81 绪论 随着老龄化的发展，老年人的健康问题已经成为当前突出的问题。由于老年人的
4、认知水平、平衡协调能力、视力、听力均有不同程度的下将，以及脑血管病、骨质疏松等慢性疾病的增多，老年人发生跌倒事件的机会大大增多，形成明显的群体特征易跌倒，所产生的后果更加严重。1.1.1研究背景 2009年开始，我国迎来进入人口老龄化社会以来的第一次老年人口增长高峰，老年人口增速加快，高龄老人和丧失生活 自理能力的老人大幅增加，空巢化趋势日益突出。截止2008年底，我国60岁以上老年人口已接近一亿六千万人，占总人口的12%，也就是说全国人口将近八分之一是老年人。随着老龄化的加重，中国老年人的比重越来越大，2011年我国老年人口比重达13.7%。截至2011年第底，根据全国老龄委的统计，中国60
5、岁及以上的老年人口约有1.9亿，占总人口的14%。2013年，这一数字将突破2亿，预计到2050年老年人口将达到全国人口的三分之一。民政部的数据表明，至2012年10月，我国城乡空巢家庭超过50%，部分大中城市达到70%，其中近一成的老人单身。预计到“十二五”期末，65岁以上的空巢老人将超过5100万。这些空巢老人得不到应有的生活照料，生病也无人照顾，情感慰藉更是无从谈起。老年人容易跌倒，其发生规律是年龄越大，跌倒的发生率越高，而且女性比男性多。跌倒后，由于骨质疏松易引起股骨颈和脊椎骨折，后果较为严重，除不能行走和生活难于自理外，还可因长期卧床引起多种并发症，损害老人身心健康。现在大多数家庭只
6、有一个孩子，孩子成家立业后，独居老人将越来越多，倘若没有保姆的照顾，老人人身安全将成为子女时刻担忧的事情。因此，研究一个老人摔倒检测软件是必需的，解决现代年轻人因工作繁忙，而对家庭老人的健康安全的担忧的问题，使其安心上班。 1.1.2研究意义跌倒导致了巨额的医疗费用，我国每年至少将近2000万老年人发生2500万次跌倒，导致的医疗费用在50亿人民币以上，社会代价约为160800万亿人民币。跌倒对老年人的心理也会产生持续的影响和危害，老年人跌倒后害怕再次跌倒，因此生活的独立性和灵活性就降低了，Janine曾经对9096名老人做过调查，其中有一半的老年人害怕跌倒影响日常生活能力，这样导致他们对自身
7、身体机能自信心的下降，会反过来限制行为能力，进一步增加跌倒的可能性。因此，研制开发专为老人服务的产品-智慧养老之身体摔倒预警和检测系统，不影响老年人的正常生活情况下，准确的将跌倒事件与日常生活事件区分开来，并且在发生跌倒事件时，及时的向子女发送警告信息并报警联系救护，这对于提高老年人的生活质量，保证我国社会的安稳发展具有重要的作用。1.2国内外研究现状 随着计算机技术及通信技术的发展，通过便携式电子装置对人体跌倒进行检测成为可能。目前，国外已有关于老年人远程跌倒监测系 统，特别是美国，日本和法国，近些年来很多的大学研究院所和研科单位在政府和社会的支持下，也进行了相关的技术研究。如：A.Blak
8、e borough设计的基于房间内地板振动检测的跌倒检测器。A.Six smith等研制的基于红外信号和图像信息的检测器。但是由于受成本、便携性及应用范围的局限性的影响而使其应用推广受到限制。国际Gerontechnology学会于1997年9月在欧洲成立，“研发设计相关的技术产品和设备以及环境，让老年人可以更健康，更舒适，更安全的独立生活和参与社会活动”是该学会的宗旨。2005年5月底，第五届世界Gerontechnology学会会议“老龄化社会职能技术：让老年人能够更自信的、长久的、健康的、自尊的幸福生活”，在日本古屋召开。国内尚无关于跌倒远 程监测的产品，但关于跌倒监测算法和系统设计的研
9、究较多，如：赵祥欣等以三维加速度传感器为基础，采用了三维加速度传感器MMA726O、处理器 MSP430F149及通讯模块的结构组合方案，搭建了三维加速度监测系统，提出了以SVM或SMA为特征量，以人体活动、静息状态及姿态为辅助判据的算法，取得了90%以上的识别准确率。谢开明等设计的基于GPRS的跌倒检测报警系统，在SMV阈值算法基础上辅以倾角检测，提高了算法的有效性， 能更有效的区分日常生活及跌倒。1.3课题的提出老年人跌倒是生理、心理、社会、环境因素共同作用的结果，目前关于老年人跌倒危险性尚无明确有效的 检测方法及评估方法，因此，早期发现并获得相应的治疗，是降低伤残率和死亡率的关键。随着我
10、国老龄化的发展及受独生子女政策的影响，“空巢老人”逐 渐增多，而社区医疗发展不到位，很难及时发现老年人跌倒等意外伤害，更不能使老年人在跌倒的第一时间内得到有效的救治，因此发展远程跌倒监测系统具有极为重要的意义。2 人体摔倒检测技术 本章主要介绍检测人体摔倒的相关技术：控制器技术、传感器技术、无线通讯技术。使更精确的判断人体是否真正摔倒。2.1运动控制器技术 控制器（英文名称：controller）是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”
11、，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。2.1.1运动控制器技术概念 运动控制器利用高性能微处理器及大规模可编程器件实现伺候电机的多轴协调控制，将实现运动控制的底层软件和硬件集成在了一起具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能。与传统的数控装置相比，运动控制器具有以下特点： 1、技术更新。功能更加强大，可以实现多种运动轨迹的控制。 2、结构形式模块化。可以方便地组合，简历适用于不同场合的控制系统。 3、操作简单。在PC机上经简单编程即可实现运动控制，不需要专门的数控技术。 目前，运动控制器的应用广泛，可以说只要有伺服电机应用的场合就离不开运动控制器。2.1.2运动控制器模型 图2.1 运动
12、控制器总体功能结构图图2.2 运动控制器存储模块结构图2.2传感器技术 作为物联网的一项重要支撑技术，传感器网络是以感知为目的，实现人与人、人与物、物与物全面互连的网络。其突出特征是通过传感器等方式获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通信等网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提升对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。2.2.1传感器技术概念 1）国家标准传感器定义在国家表混GB/T 7665-2005传感器通用术语中，传感器（transducer/sensor）被定义为：“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常有敏感元件和转换
13、元件组成。敏感元件（sensing element），是指传感器中将敏感元件或响应的被测量的部分；转换元件（transducing element），是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。当输出为规定的表混信号时，转换元件则称为变送器（transmitter）。”2）美国仪表协会传感器定义 美国仪表协会（Instument Society of America,ISA）的定义是：“传感器是把测量变换为有用信号的装置。它包括敏感元件、变换电路以及把这些元件和电路组合在一起的机构。”2.2.2传感器模型及选择 传感器的分类多种多样，有按原理、被测量、材料、工艺、
14、对象、应用等不同分类。 传感器按被测量分类一般的分类方法，可分为物理量、化学量、生物量三大类，通常按具体被测量主要有位移、压力、力、速度、温度、流量、气体成分、离子浓度等传感器。我国现行国家标准也是按被测量分类，这种分类无论从使用者选用还是产品水平评价都便于统一标准。 以下简单介绍几种传感器模型：1）MEMS压力传感器 MEMS压力传感器是硅微机械加工制成的传感器的首要类型，采用微电子和为机械加工技术制造的新型传感器，具有性能优良、体积小、质量小、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产，易于集成和实现智能化的特点。 2）加速度传感器 加速度传感器是测量加速度的传感器，应用较广的时压电加速度传
15、感器，它采用石英、陶瓷等压电材料制成，具有频响宽、线性好等特点。2.3无线通信技术 无线技术给人们带来的影响是无可争议的。如今每一天大约有15万人成为新的无线用户，全球范围内的无线用户数量已经超过2亿。这些人包括大学教授、仓库管理员、护士、商店负责人、办公室经理和卡车司机。他们使用无线技术的方式和他们自身的工作一样都在不断地更新。2.3.1无线通信技术概念 无线通信(Wireless communication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。无线通信分为两类：无线移动通信和无线局域网(
16、LAN)通信。它们的传输设施根本不同。无线局域网通信使 用发射器和接收器，它们都是放在公司希望的地方，并且属于这家公司所有。无线移动通信需要电话电信局或其它公共服务，来为“离开办公室”或“正在旅途中” 的用户提供设施，使用分组无线电、蜂窝网络和卫星站来传输和接收信号。 用无线数据传输模块建立专用无线数据传输方式比其它方式具有成本廉价，建设工程周期短，适应性好，扩展性好。2.3.2无线通信的模型及选择 无线通信模块广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物
17、信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。DATA-6106无线通信模块1图2.3 无线通信模块的软件流程3 摔倒检测算法的设计与实现 当人失去平衡而跌倒时，一般人的身体会发生向一个方向倾倒的状态，从而不自主的失去平衡。发生跌倒时，身体会在瞬间向移动方向倾倒，从而身体重心会产生一个较大的加速度值，以产生的加速度值来判断老人是否摔倒。3.1人体运动加速度模型 Android手机内的加速度传感器能够检测出移动设备在三维空间中的加速度，传回对应的三个方向的参数数值，就能判断物体的加速度及运动方式。 三个坐标轴方向分别是：x轴正
18、方向为平行于屏幕由屏幕的左边指向右边，y轴正方向为平行屏幕由屏幕的下方指向上方，z轴正方向为垂直屏幕指向屏幕外。如图 2所示。 需要特别注意的是要区分传感器坐标系中的加速度（即手机设备本身实际的加速度），而不是从加速度传感器中读取的加速度参数值。这两 者的区别在于是否将重力加速度计算其中，计算物体实际加速度需要考虑重力作用，但是加速度传感器传回的数值中只能反映设备本身外力所产生的加速度。3.2加速度数据分析 我们通过基于加速度传感器的跌倒检测系统的硬件装置得到的加速度数据无法直接用于判断跌倒，需要进一步的分析处理。以下仅就坐标、人体姿势与位体进行分析。3.2.1坐标分析 原始的坐标系是二维的笛
19、卡尔坐标系，而三维笛卡尔坐标系是在二维的基础上根据右手定则增加第三维坐标（Z轴）而形成的。若定义一个原点的位置（0，0，0）则坐标系中任意一点A的位置都可以用（x，y，z）来表示。如图1所示： 同时A点还可以用向量来表示，若A的向量为r，用i，j，k分别表示与x，y，z轴正方向平行的单位向量则r可以表示为：r=xi+yj+kz 3.2.2人体姿态与体位分析 人在无意识的条件下由站立或平坐姿势向躺倒姿势的转变，即为跌倒。在这一姿态转变过程中，重力将是影响作用者一运动的主要因素。在跌倒过程中，人的加速 度、速度和位移均发生了变化，通过传感器传回的数值可以对使用者的状态进行建模，以此来对使用者的身体
20、姿态进行分析。如图3所示： 通过对姿态的分析能够判断能够排除剧烈运动或一些其他正常活动带来的误报情况，以提高检测的准确率。3.3摔倒检测算法设计 由于跌倒事件具有随机性，故跌倒方向无法预知，所以不宜采用某一轴向的加速度数据区判断跌倒事件的发生。跌倒算法采用了SMV阈值的跌倒检测方法 ，该方法的优点在于忽略了加速度的空间方向，将空间加速度进行矢量和运算，将矢量和与阈值相比来初步判断是否跌倒。矢量和的计算如下公式所示，其 中x，y，z分别为X，Y，Z三轴的方向加速度。 该软件算法实现的流程图4所示。 当传感器的三个数值剧增并且达到阈值，那 么就可以初步判断发生跌倒，进而进一步判断是否发生跌倒，即在
21、接来下的持续的几个时间间隔内，传感器传回的数值是否几乎不变并且趋向于零，若为零则可以进 入下一步判断（此处判断用来排除剧烈或一些正常活动），下一步则是排除大部分无法预期的活动而产生的误报，因此在这里设置了一个确认框用来确认是否发送急 救短信，若点是或者等待30秒无确认则可基本确定老人摔倒了，这时软件将会发送一个短信给老人的监护人，监护人收到短信后经电话确认老人是否摔倒。 结束4 摔倒检测系统的设计与实现 前几部分主要介绍了实现此系统所需的技术、模型、位体分析等，接下来对系统的设计与实现。4.1摔倒检测系统的系统结构4.1.1摔倒检测系统的功能模块 4.1.2摔倒检测系统的工作流程 4.2摔倒检
22、测服务的设计 4.2.1摔倒检测服务模块摔倒检测系统的服务模块是直接对用户设置进行响应的模块，也是人体摔倒检测系统的核心识别和处理模块，主要完成传感器数据处理、控制传感器服务、监听用户设置参数、处理用户设置参数、检验权限等。按照逻辑功能可以将人体摔倒检测服务模块分为四个，监听用户设置的参数、处理用户设置的参数、控制传感器服务（开关）、接受和处理传感器服务的数据，如图4.1： 图4.1 人体摔倒检测服务功能模块结构图 监听用户设置的参数是指在人体摔倒检测服务运行时，用户通过应用程序设置人体摔倒检测系统的相关参数是，人体摔倒检测服务能及时监听到相关参数的变化，即使调整工作流程。如果用户修改的参数不
23、变，则不处理；如果用户修改了相关参数，该服务必须准确调度对应任务。处理用户设置的参数是指当监听到用户改变了人体摔倒检测系统参数时的处理模块。该模块的处理涉及到控制传感器服务、改变人体摔倒检测服务的任务等。控制传感服务功能是指必要时，人体摔倒检测服务会控制传感器服务的开关，从而控制整个数据流的开关。这种控制的改变往往来自用户的设置。接收和处理传感器主要是指人体摔倒检测服务获得加速度传感器数据后，经过算法判断，如果识别为摔倒，则通过相关参数的设置进行处理，比如设置了GPS就启动GPS模块获取摔倒地点的地理位置信息，发送至设置的联系人。4.2.2摔倒检测服务工作流程 根据上节功能描述，任然可以将人体
24、摔倒检测服务分为数据上行和数据下行给叔的模块的基本流程。数据上行是指用户通过应用程序将参数重新设置，通过修改共享内存数据和人体摔倒检测服务提供的API接口通知人体摔倒检测服务的处理过程。要完成该流程，人体摔倒检测服务按照以下四个步骤完成数据处理过程。Sp1：开启监听指定共享内存数据的机制，即使识别参数的改变。Sp2：设置API接口服务，当应用程序通过API接口处理相关操作时，在人体摔倒检测服务本地及时处理。Sp3：如果用户更改相关参数，人体摔倒检测服务应当在本地及时更新状态，必要时做出处理。Sp4：如果用户通过人体摔倒检测服务的API接口切换该服务的开关，则通过传感器服务客户端控制传感器服务的
25、开关，从而使硬件工作或不工作。数据下行是指人体摔倒检测服务接收到传感器数据后如何提醒用户的过程。该数据传输分两个部分进行，分别是人体摔倒检测服务主动向传感器发出数据请求，人体摔倒检测服务在识别出摔倒时间后处理时如何提醒用户。下行数据处理是的这两个动作异步进行，分以下三个步骤完成：Sp1：注册传感器服务Binder客户端，设置人体摔倒检测服务的模式，使传感器服务在指定频率采集数据。Sp2：根据获得的传感器数据，用算法识别模块来处理。Sp3：识别出人体摔倒行为时，以启动GPS短信等方式处理，调用GPS和短信模块，并在用户界面上有所提示。人体摔倒检测服务模块式传感器服务模块和应用程序模块的中间模块，
26、是系统的枢纽，负责了数据的接收、处理、控制等工作。该人体摔倒检测系统尚处于原型阶段，上层应用的需求还不丰富，所以在功能上要简略些。4.3摔倒检测系统的用户设置程序 4.3.1摔倒检测系统的用户设置模块 人体摔倒检测系统的应用程序设置模块式人体摔倒检测系统的一个基本模块，功能相对独立，是基于Android平台应用开发模式，为用户提供更好的交互性。按照Android应用程序的设置完成的功能可以将人体摔倒检测系统的用户设置程序划分为三个关联的用户界面，分别是：用户设置程序主界面、联系号码输入界面和联系号码选择界面。这三个界面只有主界面显示所有的用户设置的参数，其余两个显示的相关设置操作。图4.2给出
27、了人体摔倒检测系统的应用程序。图4.2人体摔倒检测系统的应用程序4.3.2摔倒检测系统的用户设计界面 该应用程序的三个界面都是静态的，只有用户进行操作后，界面才会更新。下面将介绍各个界面的处理流程：1.应用程序的主界面 这是一个用户选择进入该应用程序的第一个界面，主要为用户提供简明的参数设置清单、提供简易的设置开关。该界面的功能及动作如下所述：1）进入主界面，加载上次设置的参数，重新更新界面。所需的参数包括联系号码、GPS开关，人体摔倒系统的开关。2）用户选择联系人的按钮，点击该按钮，界面跳转到选择联系人界面。3）GPS单选开关，点击之前和点击之后被选中的状态恰好相反。4）人体摔倒系统的开关，
28、也是一个单选开关，点击之前和点击之后被选中的状态恰好相反。5）退出主界面时，保存退出前设置好的参数，通知框架层。必要时调用人体摔倒检测服务的API接口，打开/关闭人体摔倒检测系统。2.用户设置电话号码界面该界面用来为用户提供联系人号码的功能，界面内各个组件主要用来收集用户的联系号码信息。界面上的组件功能描述如下：1）电话号码编辑框，该编辑框在用户点击后，会弹出软键盘，供用户点击输入，用户点击时，编辑框的内容也实时变化。2）从电话簿选择联系人的按钮，点击后界面介入电话簿选择界面。3）确定按钮，点击后，退回到主界面，将用户输入的电话号码更新到主界面。4）取消按钮，点击后，返回到主界面，主界面不更新
29、联系号码。3.从电话簿选择联系人界面该界面使得用户可以轻轻松松地从电话簿中选取联系人号码，下面介绍该界面的功能：1）号码过滤框，其基本组件属于编辑框，点击弹出只提供数字输入的软键盘，通过输入数字，该界面自动过滤掉河输入的数字串无太大关系的联系号码，并以滑动列表的形式显示。2）滑动列表，显示所有的联系人号码信息或者过滤好的联系人号码信息，用户可以触动屏幕选择联系人，选好后界面退回到主界面，并将刚选择好的联系人号码更新到主界面。3）取消按钮，用户可以点击取消按钮放弃此次选择，点击后界面将返回到设置联系号码的界面，且不做任何数据更新。5 摔倒检测系统的检测分析 5.1摔倒检测系统的检测工具 图4即跌
30、倒时3个轴向加速度信号图，图中曲线清楚的表明了正向跌倒过程中各方向的加速度变化情况，设置的采样频率为250Hz。实线为X方向的加速度，起始状态下X方向与重力方向几乎垂直，因此，加速度接近于0g；点线为Z方向加速度，起始状态下与重力方向几乎垂直，因此，加速度值约等于1g；虚线为Y方向加速度，起始状态下为0g。摔倒后稳定状态下，X轴与重力方向近似一致，加速度约为1g，而Z轴方向由1变化至0g。由于摔倒可能发生在任意方向，使用单独某一轴的加速度其特征不明显。因此，采用合加速度ac=a2x+a2y+a2z作为特征量进行分析。图5为摔倒时合加速度的变化曲线。在静止不动时由于受重力影响，加速度大小为1g。
31、在摔倒时有2个极值点：极值点1对应加速度值为011g，是跌倒过程中人体不受控制加速倒下，Z轴方向的加速度迅速减小造成的；极值点2是跌倒过程中接触地面时速度迅速减小造成的，最后稳定到1g。图6和图7分别为正常行走和坐下起立时加速度变化，而与图6和图7的对比可以看出：非剧烈运动时合加速度峰值不会超过3g。在摔倒过程中，人体俯仰角或者侧翻角会发生变化，图8为摔倒时刻俯仰角和侧翻角的角速度变化情况，图9为利用陀螺仪数据积分得到的角度变化情况。从陀螺仪的数据可以看出：前向摔倒时，俯仰角剧烈变化；由于是正向摔倒，侧翻角的变化不大。陀螺仪的数据可以联合加速度传感器的数据，进一步提高检测的准确率。5.2摔倒检测系统的数据分析 表1 不同控制方式下震动台面转角总均方根值 表2 真东方台面不同位置转角总均方根值比较 说明振动台台面各点绕台面中心位置的转角大小一致，最大相对偏差约18%，表明光纤陀螺测试结果稳定。 分析了三轴振动试验转角测试的特点，根据三轴振动试验使用背景与转角测试要求组建了光纤陀螺转角测试系统，同时
