使用 MEMS 傳感器的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)

晚年仍獨(dú)立生活的老年人往往會(huì)有一個(gè)擔(dān)憂：如果出現(xiàn)突發(fā)情況，我還能打電話求助嗎？ 穿戴式家庭緊急呼叫系統(tǒng)能讓您更加安心。該系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分是跌倒檢測(cè)。通過(guò)加入合適的傳感器可以輕松將該功能集成到相應(yīng)的設(shè)備中。

微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS）運(yùn)動(dòng)傳感器無(wú)處不在，從智能手機(jī)到汽車安全系統(tǒng)都能看到它的身影，在不同的設(shè)備中的功能也有所差異。MEMS 產(chǎn)生的信號(hào)必須經(jīng)過(guò)解析才能夠被電路使用。

跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理

家庭緊急呼叫系統(tǒng)中的跌倒檢測(cè)傳感器能夠自動(dòng)檢測(cè)人跌倒并靜止不動(dòng)。背景：為方便討論，假設(shè)緊急呼叫者不能手動(dòng)觸發(fā)緊急呼叫開(kāi)關(guān)，必須自動(dòng)發(fā)出緊急呼叫。三軸加速度傳感器如何檢測(cè)跌倒？ 在物理術(shù)語(yǔ)中，跌倒意味著短暫失重，即測(cè)量到大約 0 g 的加速度，然后出現(xiàn)較高的負(fù)加速度（急劇減速）。如果在一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有測(cè)量到加速度有變化，那么意味著穿戴著傳感器的人靜止不動(dòng)。

要開(kāi)發(fā)跌倒檢測(cè)系統(tǒng)，必須正確解析MEMS 所產(chǎn)生的脈沖。另一個(gè)挑戰(zhàn)是必須獲得非常準(zhǔn)確的值。因此，必須補(bǔ)償諸如溫度波動(dòng)之類的干擾所帶來(lái)的影響?？傊陂_(kāi)發(fā)跌倒檢測(cè)算法功能之前，必須付出大量努力。幸運(yùn)的是，如今的傳感器模塊對(duì)開(kāi)發(fā)人員非常友好。

預(yù)設(shè)功能

伍爾特電子遵循“智能”元器件這一最新理念，在傳感器中集成了部分“智能”功能。3 軸加速度傳感器 WSEN-ITDS 的尺寸僅為 2.0 × 2.0 × 0.7 mm，LGA 封裝，采用了基于電容測(cè)量原理的MEMS技術(shù)。它集成了溫度傳感器，輸出的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)補(bǔ)償和校準(zhǔn)的。它有四種測(cè)量范圍可供選擇：±2 g、±4 g、±8 g 和 ±16 g?？梢酝ㄟ^(guò)寄存器設(shè)置選擇自由落體、喚醒、活動(dòng)、運(yùn)動(dòng)和方向檢測(cè)等特定功能。特定功能的狀態(tài)可以通過(guò)兩個(gè)可編程中斷引腳獲知。這種面向應(yīng)用的測(cè)量值處理和輸出能夠大幅簡(jiǎn)化應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程。

跌倒檢測(cè)也是這種情況。由于內(nèi)置了預(yù)設(shè)功能和可選參數(shù)，開(kāi)發(fā)人員可以輕松實(shí)現(xiàn)跌倒檢測(cè)功能。該傳感器的一大優(yōu)勢(shì)是內(nèi)置功能可以最大程度減少不間斷但不必要的傳感器加速度數(shù)據(jù)傳輸，以及對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算。

優(yōu)勢(shì)

3 軸加速度傳感器 WSEN-ITDS 有兩個(gè)可編程中斷引腳 INT_0 和 INT_1。這兩個(gè)引腳可以單獨(dú)激活或停用。來(lái)自傳感器功能的中斷信號(hào)會(huì)傳輸?shù)竭@兩個(gè)引腳。

圖1：傳感器功能框圖（圖片來(lái)源：伍爾特電子）

如圖中紅色部分所示（圖 1），跌倒檢測(cè)需要三個(gè)功能：“自由落體”、“喚醒”和“靜止/運(yùn)動(dòng)”。通過(guò)結(jié)合使用這些傳感器功能就可以確定佩戴者是否跌倒和之后是否可以移動(dòng)等可靠信息。傳感器將這些事件產(chǎn)生的中斷信號(hào)送到引腳 INT_0 和 INT_1，以通知監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。

設(shè)置閾值

在自由落體時(shí)，所有三個(gè)軸的加速度值都會(huì)趨近于零。在傳感器模塊的寄存器中，必須定義針對(duì)特定應(yīng)用的兩個(gè)值，在這兩個(gè)值同時(shí)發(fā)生時(shí)生成報(bào)告跌倒的中斷：自由落體時(shí)的閾值，以及自由落體的持續(xù)時(shí)間。為了使用傳感器數(shù)據(jù)來(lái)解析跌倒事件，還必須定義傳感器喚醒條件，通過(guò)設(shè)置加速度改變的閾值和該脈沖的最短持續(xù)時(shí)間。為了在偵測(cè)出現(xiàn)喚醒事件時(shí)排除重力矢量和極低頻噪聲的影響，應(yīng)使用高通濾波器輸出。

集成的“靜止/運(yùn)動(dòng)”算法功能會(huì)通知警報(bào)系統(tǒng)傳感器佩戴者在跌倒后是否保持不動(dòng)或仍然能夠行動(dòng)。靜止功能結(jié)合了兩個(gè)檢測(cè)事件：“睡眠”和“喚醒”，以記錄靜止事件。傳感器沒(méi)有單獨(dú)的睡眠中斷信號(hào)。它是通過(guò)監(jiān)控睡眠和喚醒中斷信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用戶可以根據(jù)應(yīng)用來(lái)定義喚醒閾值和持續(xù)時(shí)間等參數(shù)。如果 X 軸、Y 軸和 Z 軸輸出的加速度值小于喚醒閾值并且輸出值在指定的持續(xù)時(shí)間保持在此范圍內(nèi)時(shí)，將生成睡眠中斷信號(hào)。如果來(lái)自任一軸的數(shù)據(jù)值高于定義的喚醒閾值，并且數(shù)據(jù)在此范圍內(nèi)保持一段時(shí)間，則會(huì)生成喚醒中斷信號(hào)。圖 2 展示的是控制跌倒檢測(cè)應(yīng)用的中斷的生成過(guò)程。

圖 2：通過(guò)喚醒和睡眠閾值進(jìn)行無(wú)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)（圖片來(lái)源：伍爾特電子）

這四個(gè)階段如下：

1. 在跌倒之前，來(lái)自三個(gè)軸的加速度值的矢量總和接近 1 g。通過(guò)同時(shí)監(jiān)測(cè)跌倒前后加速度的方向，可以獲得跌倒事件的更多信息。

2. 在自由落體條件下，失重總是發(fā)生在跌倒開(kāi)始時(shí)。通過(guò)定義適當(dāng)?shù)淖杂陕潴w持續(xù)時(shí)間和閾值，可以通過(guò)中斷信號(hào) FF_IA 檢測(cè)到跌倒。在自由落體過(guò)程中，加速度趨向于 0 g，但在自由落體之后，人會(huì)撞擊到地面，出現(xiàn)較高的加速度峰值。

3. 跌倒后，佩戴者會(huì)立即嘗試移動(dòng)。如果跌倒太嚴(yán)重，可能在跌倒后無(wú)法立即移動(dòng)。此事件的持續(xù)時(shí)間可以通過(guò)靜止檢測(cè)功能進(jìn)行配置。

4. 如果人在一定時(shí)間后（在靜止功能中配置）因失去知覺(jué)而無(wú)法移動(dòng)，則生成中斷信號(hào)SLEEP_STATE_IA 和 SLEEP_CHANGE_IA。通過(guò)比較跌倒前后傳感器加速度的方向指示跌倒檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生警報(bào)。如果人在一定時(shí)間內(nèi)移動(dòng)，則生成喚醒信號(hào) WU_IA，而不生成SLEEP_STATE_IA 和SLEEP_CHANGE_IA 中斷信號(hào)。在這種情況下，跌倒檢測(cè)系統(tǒng)不會(huì)生成自動(dòng)警報(bào)。

結(jié)論

如本文所述，伍爾特電子 WSEN-ITDS 等傳感器模塊能夠大幅減少開(kāi)發(fā)人員的工作量，開(kāi)發(fā)跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的電子設(shè)備和軟件也變得更加輕松。節(jié)能傳感器模塊會(huì)在出現(xiàn)定義的加速事件時(shí)自行喚醒，對(duì)電池供電系統(tǒng)的能耗和使用壽命也有積極影響。

圖3：傳感器模塊 WSEN-ITDS（圖片來(lái)源：伍爾特電子）