基于加速度传感器的老年人跌倒检测装置设计_图文

1、2008年第27卷第9期 传感器与微系统(T ransducer and M i crosyste m T echnolog i es基于加速度传感器的老年人跌倒检测装置设计*李 冬,梁 山(重庆大学自动化学院,重庆400044摘 要:为了提供老年人安全保障和保护用户隐私,设计了一种基于加速度传感器的跌倒检测装置。针对独居老人的特点,结合微传感器、数字信号处理以及无线传输等技术,利用人体运动产生的加速度,提出了一种鲁棒的跌倒算法。该装置在人体佩戴实验中,可以区分出正常人体活动与跌倒事件,自动发出跌倒报警信号,从而使用户在尽可能短的时间内得到医疗救护。关键词:跌倒检测;加速度传感器;远程监护;老

2、年人中图分类号:TP212.9 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(200809-0085-04 Design of fall detection device for el derly peoplebased on accelero m eter*LI Dong,LI A NG Shan(College of Auto mation,Chongq ing Un iver sity,Chongq ing400044,Ch i naAbstract:A fall detection dev i ce based on acce l e ro m e ter is designed t

3、o safe l y and accura tely m on itor the user w hil e still all ow ing comp l e te pr i vacy and security.Cons i deri ng t he character istic of e l der l y peop l e,a fa ll de tecti on dev i ce hard w are is desi gned based on acce lerom eter,usi ng m icro senso rs,d i g ita l data pro cessi ng and

4、 w ireless techno log ies.By utilizi ng acce l eration values correspond i ng to t he use r s body mo ti on,a robust a l go rith m i s developed to accurately de tect a fal.l Dur i ng fi e l d experi m ent and ana l y si s,th i s detecti on syste m can d isti nguish fa ll event fro m no r m al activ

5、 i ties,and raise fall alar m auto m aticall y to get a shortened i nterva l o f the arrival o f assistance.K ey word s:fa ll detecti on;acce l e rome ter;telecare;e l derly people0 引 言老年人跌倒发生率高、后果严重,是高龄老年人首位伤害死因。在我国人群中跌倒在意外伤害死因顺位中排在第4位,而在65岁以上的老年人中则位居首位,并随年龄的增加跌倒的死亡率急剧上升,在85岁以上的老年人中达到了高峰1。跌倒检测系统实际是

6、远程医疗系统中家庭终端部分的一种实现方式2,它涵盖了多个学科的研究领域,包括生理信号检测与处理、信号特征提取、数据传输等基本功能模块。通过对远端对象动作情况、生理功能的监测,为其提供适当的护理与医疗服务。目前,对于跌倒监测主要有3类基本方法3:1基于视频图像的分析,对象的实时运动由摄像头监测,其不足之处在于不能保证用户的隐私安全4;2基于声频信号的分析,跌倒事件由分析冲击导致振动的频率部分判断,但其安装比较复杂,资金投入也比较大5;3基于穿戴式的装置检测。考虑用户的隐私权和尽可能减少干扰用户生活方式,穿戴式的装置是最适合的,其中,用于跌倒检测的传感器主要有加速度传感器和倾斜计6,但主要存在的问

7、题是在发生侧倒或最后不是平躺在地面时的情况判断不太理想。针对以上问题,本文设计了一种基于加速度传感器的检测装置的硬件设计,提出了鲁棒的跌倒算法,仅用加速度值便可检测出冲击量与人体倾斜角度,判断出跌倒事件,并给出实验结果与结论。1 系统设计系统总体设计模块如图1所示:前2个方模块佩戴在用户身上,用来感测和判断用户状况,并以无线方式将消息发送出去;第三,四个电路模块可放置于用户住处或者RF 接收范围的的任何地方,用来接收、处理RF的信号,然后,通过以太网或G S M网络,将信息传至医院或亲属住处。收稿日期:2008-02-02*基金项目:重庆市自然科学基金资助项目(2007bb219485传感器与

8、微系统 第27卷 图1 系统总构架F i g 1 O verall architecture of syste m1.1 硬件部分设计本装置基于无线传感器网络的M ica2和T i nyOS 节点,由U C Be rkeley 开发的一款针对于低功耗的无线传感器网络研究平台6。M ica2节点装配了A t m e l ATm eg a 128L 微处理器,4kB 的RAM 和一个433MH z 频率数据转换器,在300m 的有效覆盖范围内传输速度可达38.4kB /s ,全部由2节AA 电池供电。跌倒检测系统可以分为5个子部分:数据采集、数据调理、数据处理、数据传输、电源部分,其硬件结构如图2

9、所示。 图2 硬件结构Fig 2 H ardware structure数据传输部分包含有线传输和无线传输2种方案,考虑人体佩戴方便的需要,无线方式是必要的。数据处理部分包括数据存储、数据分析、专家系统等模块。1.2 信号处理首先,从信号监测模块输出的数字信号通过高斯滤波器滤掉高频噪音,然后,通过动态动作模式分析监测跌倒事件。本文在信号调理中应用了小波变换理论进行滤波,并得到理想的频率范围7。在离散小波变换中,信号f (n通过2个互补的滤波器 低通滤波器g 和高通滤波器h ,被分成近似系数V 1和细节系数W 18。前者是大范围的,低频部分;后者是小范围的,高频部分。然后,再将近似系数分为第二层

10、近似系数V 2和细节系数W 2。系数g 与尺度函数 相关,系数h 与小波函数 相关。函数如下j ,m (n =2-j 2 (2-jn -m ,(1 j ,m (n =2-j2 (2-j n -m .(2通过小波多率分析,信号可以从近似系数和细节系数中重建。这是对特定频率范围内的信号部分的提取9。对01,!,0J -1,W J 和0J 进行反变换可以得到第J 个细节信号DJ 。同样,近似信号S J 也可以得到,通过对01,02,!,0J 和V J 进行反变换。通过这种方式重建了原始信号中理想的频率范围,而其他频率部分就被滤掉了。2 跌倒检测算法设计2.1 建立三维躯体动作模型在执行算法的任何数据

11、分析之前,应先对装置进行校准,从而才能准确地分析数据。具体的校准方式为通过测定1g n 的重力加速度值,分别将加速度传感器的X,Y,Z 轴放到水平位置,调整使之值为0。加速度传感器得到的加速度值包含2部分:一个是地球重力部分,另一个是由人体动作引起的惯性部分。这里,两部分是同时存在的。建立三维躯体动作模型 以三维空间内的加速度向量为代表10,根据物理学的基本理论,特别是重力,加速度和动作之间的相互关系和加速度传感器实际输出的分析(它反映了各种动作,包括站立、行走、跌倒模型,设加速度输出为在三维空间中的向量A,如图3。图3 球坐标F i g 3 Spherica l plane向量A 可表示成为

12、A =(A X ,A Y ,A Z =|A |U A .(3其中,A X ,A Y ,A Z 为向量A 分别在X,Y,Z 轴上的投影,|A |是幅值,U A 是单位向量。而人体倾斜角度则可由以下的公式计算出deg ree =180#cos -1ag n .(4其中,a 为A 的加速度值,g n 为9.81m /s 2。2.2 算法设计根据S i gna l Q uest 关于老年人跌倒的研究10,大多数能被归为简单的跌倒(加速度运动清楚地表明了跌倒与使用者以平躺在地面上结束;复杂的跌倒(加速度运动复杂,且或使用者并非以平躺在地板平面上结束,以及未跌倒(加速度运动引起误报。对老年人的生活状况进行

13、分析,可以区分出跌倒类型,从而在设计跌倒监测算法时,根据这些具体类型设计相应的检测策略。流程图4主要是从整体上对跌倒的检测判断过程进行描述。图4(b为图4(a中I 部分的详细流程,其作用就是检测老人加速度的大小,确定有无加速度超过正常范围。在86第9期 李 冬,等:基于加速度传感器的老年人跌倒检测装置设计 有加速度超过此范围就进行下一步判断;若无加速度超过正常范围,就再重新检测。图4(a中II 部分主要是在已经检测到有加速度超过正常范围时,对三维空间加速度的判定。其判定结果有:1加速度与水平面平行;2加速度与Z 轴的夹角在正常范围内;3加速度与Z 轴的夹角超过正常范围。在跌倒被探测到发出跌倒信

14、号后, 延迟一定时间又继续重新检查信号。图4 跌倒检测算法流程Fig 4 Detecti ng process of fa ll3 实验结果为了检验装置和算法的可靠性与正确率,做了4种实验:1正常行走或站立;2快速的坐下;3向前、向后,侧向跌倒;4跌倒后未平躺。日常行动实验,如,行走和快速坐下时请一位69岁的老人佩戴进行;在跌倒实验时,出于安全性考虑,未请老年人参与,而是由3位学生在垫子上完成的。1实验者站立或者以不同的速率行走。在25次实验中,算法可识别出无跌倒事件发生,无警报发出,实验结果如图5 所示。图5 行走时加速度记录情况F ig 5 Da talog wh il e wa l ki

15、 ng2实验者尽可能的快速的坐下,但保持上身的直立。在15次实验中,尽管开始时检测到一个大的冲量,但在随后的倾向分析中检测到恢复了直立状态,因此,无必要发出警报,如图6 所示。图6 坐下时加速度记录情况F ig 6 Da t a log wh il e sitti ng3实验者以各种方向摔向地板:前倒、后倒、侧倒。为了尽可能地模拟真实情形,分成2种情形:第一种为跌倒后迅速站起,返回直立姿态;第二种为跌倒后,实验者保持躺着,如图7 所示。图7 跌倒时加速度记录情况F i g 7 D ata l og while falling4跌倒后迅速起来的情形。在10次实验中,算法正确地区分了2种情形:一种

16、跌倒并躺下;一种跌倒但迅速返回直立状态。最后,做了让实验者慢慢地躺下的情形,测试算法的表现。在这种情况下,系统并没有将它当成跌倒。实验结果如表1所示。可见该跌倒装置能正确地区分绝大多数的跌倒事件,发出警报,达到了预期的效果。表1 实验数据Tab 1 Experi m enta l da ta事 件实验数报警未报警正确率(%正常行走25025100快速的坐下15015100向前跌倒30300100向后跌倒24123 95.8侧向跌倒15015100跌倒后迅速起来551004 结束语本文针对独居老人的特点,结合微传感器、数字信号处87传感器与微系统 第27卷理及无线传输等技术,利用人体运动产生的加

17、速度,设计了一种基于加速度传感器的跌倒检测装置,可以为老年人提供安全保障与准确的监测,同时,保护了用户的隐私。在实际佩戴实验中,证明了该跌倒算法的鲁棒性。对独居老年人和中风患者的日常生活状态实施远程监护,不仅能提高医护人员的救助效率和患者的生活质量,还可以评估监护对象的独立生活能力和健康状况,也可以使老人在熟悉的环境(家中得到及时的救护,减小老人的心理压力,减少跌倒发生的可能性。参考文献:1 中华人民共和国卫生部.2003年中国卫生统计年鉴M .北京:中国协和医科大学出版社,2003:215-249.2 Ek l und M,H ansen T ,Sastry S .Infor m ati o

18、n tec hno l ogy for ass i stedli vi ng at hom e :Bu ildi ng a w ireless infrastruct u re f or as s ist ed li v i ngCSubm itted t o t h e 27t h Annual Internati onalC on f eren ce of the EM BS,2005:127-132.3 Luo Suhua,i Hu Q i ngm ao .A dyna m i c m otion pattern anal ys i s app roac h t o fall detec

19、tionC I EEE Internati onalW ork s hop on B i o m ed icalC i rcu i ts &Syste m s ,2004:53-56.4 B ro m il ey P A ,Cou rtney P ,Thacker N A.Des i gn of a vi sual sys t e mfor detecti ng natural even ts by t h e u s e of an i ndependen t v i sual esti m ate :A hu m an f all detectorC Emp irical E va

20、l u ati on M et h ods i n Co m puter V i s i on,2002:231-235.5 DoughtyK,C a m eron K .Pri m ary and secondary sensi ng techn i quesfor f all detection i n the h o m eR.P roceed i ngs ofH ospitalw ithout W all s ,C i ty Un i vers i ty ,London,1999:104-116.6 Barnes N M,Edw ards N H,Rose D A D,et a.l L

21、 if estyl e mon i tori ng :Technology for s upport ed i ndependenceJ.IEE C o m puti ng and Con trol Engineeri ng Jou rna,l 1998,169(174:520-526.7 Ch en Jay ,Kw ong Karric,Chang Denn is ,et a.l W earab le s en s orsfor reliab l e fall detecti on CProceed i ngs of the 2005I EEE En g i neeri ng in M ed

22、 i ci n e and B i ology 27th Annu al C on f eren ce ,Shangha,i Ch i na ,2005:1203-1209.8 Nyan M N ,Francis E H,M an i m aran M,et a.l Gar m en t based detection of falls and activities of dail y livi ng us i ng 3 ax i s M EM S acce lerometerJ.J ournal of Phys i cs :Con fere n ce Seri es ,2006(34:105

23、9-1067.9 M all at S G.A t heory for m ulti resol u tion si gnal deco mpos i ti on:Thew avelet representationJ.IEEE Trans Pattern AnalM ac h i n e In tel,l 1989,11(7:674-693.10Bajcsy R ,Chen J ,Kw ong K ,et a.l Fall det ecti on us i ng w i rel esssensor net w ork sCSubm itted t o the 27th Annual Inte

24、rnati onal Con ference of the EM BS,2005:759-765.作者简介:李 冬(1982-,男,四川成都人,硕士研究生,主要研究方向为老年人跌倒检测系统、无线传感器网络等。(上接第84页 图4 闭环检测系统模型图 F i g 5 Com paris on curves o f output si gna l andF i g 4 M odel di agram o f cl osed loop detecti on syste mi nput angular ra te signal of gyroscope参考文献:1 施 芹,裘安萍,苏 岩,等.硅微陀螺仪的误差分析J.传感技术学报,2006,19(5:2182-2185.2 李荣冰,刘建业,曾庆化,等.基于MEM S 技术的微型惯性