三軸加速度傳感器在跌倒檢測(cè)中的應(yīng)用

前言
人們?cè)诘购髸?huì)面臨雙重危險(xiǎn)。顯而易見的是跌倒本身可能對(duì)人體產(chǎn)生傷害；另外，如果跌倒后不能得到及時(shí)的救助，可能會(huì)使結(jié)果更加惡化。例如，許多老年人由于其身體比較虛弱，自理能力和自我保護(hù)能力下降，常常會(huì)發(fā)生意外跌倒，如果得不到及時(shí)的救助，這種跌倒可能會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果。有資料顯示，很多嚴(yán)重的后果并不是由于跌倒直接造成的，而是由于跌倒后，未得到及時(shí)的處理和救護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)跌倒情況時(shí)，如果能夠及時(shí)地通知到救助人員，將會(huì)大大地減輕由于跌倒而造成的危害。

不僅是對(duì)老人，在很多其他情況下，跌倒的報(bào)警也是非常有幫助的，尤其是從比較高的地方跌倒下來(lái)的時(shí)候。比如人們?cè)诘巧剑ㄖ?，擦窗戶，刷油漆和修理屋頂?shù)臅r(shí)候。

這促使人們?cè)絹?lái)越熱衷于對(duì)跌倒檢測(cè)以及跌倒預(yù)報(bào)儀器的研制。近年來(lái)，隨著iMEMS®加速度傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得設(shè)計(jì)基于三軸加速度傳感器的跌倒檢測(cè)器成為可能。這種跌倒檢測(cè)器的基本原理是通過(guò)測(cè)量佩戴該儀器的個(gè)體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的三個(gè)正交方向的加速度變化來(lái)感知其身體姿態(tài)的變化，并通過(guò)算法分析判斷該個(gè)體是否發(fā)生跌倒情況。當(dāng)個(gè)體發(fā)生跌倒時(shí)，儀器能夠配合GPS模塊以及無(wú)線發(fā)送模塊對(duì)這一情況進(jìn)行定位及報(bào)警，以便獲得相應(yīng)的救助。而跌倒檢測(cè)器的核心部分就是判斷跌倒情況是否發(fā)生的檢測(cè)原理及算法。

ADXL3451是ADI公司的一款3軸、數(shù)字輸出的加速度傳感器。本文將在研究跌倒檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，提出一種基于ADXL345的新型跌倒檢測(cè)解決方案。

iMEMS加速度傳感器ADXL345
iMEMS 半導(dǎo)體技術(shù)把微型機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子電路集成在同一顆芯片上。iMEMS加速度傳感器就是利用這種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單軸、雙軸甚至三軸加速度進(jìn)行測(cè)量并產(chǎn)生模擬或數(shù)字輸出的傳感器。根據(jù)不同的應(yīng)用，加速度傳感器的測(cè)量范圍從幾g到幾十g不等。數(shù)字輸出的加速度傳感器還會(huì)集成多種中斷模式。這些特性可以為用戶提供更加方便靈活的解決方案。

ADXL345是ADI公司最近推出的基于iMEMS技術(shù)的3軸、數(shù)字輸出加速度傳感器。ADXL345具有+/-2g，+/-4g，+/-8g，+/-16g可變的測(cè)量范圍；最高13bit分辨率；固定的4mg/LSB靈敏度；3mm*5mm*1mm超小封裝；40-145uA超低功耗；標(biāo)準(zhǔn)的I2C或SPI數(shù)字接口；32級(jí)FIFO存儲(chǔ)；以及內(nèi)部多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)和靈活的中斷方式等特性。所有這些特性，使得ADXL345有助于大大簡(jiǎn)化跌倒檢測(cè)算法，使其成為一款非常適合用于跌倒檢測(cè)器應(yīng)用的加速度傳感器。

本文給出的跌倒檢測(cè)解決方案，完全基于ADXL345內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)功能和中斷功能，甚至不需要對(duì)加速度的具體數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取和復(fù)雜的計(jì)算操作，可以使算法的復(fù)雜度降至最低。

中斷系統(tǒng)
圖1給出了ADXL345的系統(tǒng)框圖及管腳定義。

圖1 ADXL345系統(tǒng)框圖及管腳定義

ADXL345具有兩個(gè)可編程的中斷管腳：Int1和Int2。以及Data_Ready、Single_Tap、Double_Tap、Activity、Inactivity、Free_Fall、Watermark、Overrun，共計(jì)8個(gè)中斷源。每個(gè)中斷源可以獨(dú)立地使能或禁用，還可以靈活地選擇是否映射到Int1或Int2中斷管腳。所有的功能都可以同時(shí)使用，只是某些功能可能需要共用中斷管腳。中斷功能通過(guò)INT_ENABLE寄存器的相應(yīng)位來(lái)選擇使能或禁用，通過(guò)INT_MAP寄存器的相應(yīng)位來(lái)選擇映射到Int1管腳或Int2管腳。中斷功能的具體定義如下：

1. Data_Ready 當(dāng)有新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，Data_Ready中斷置位；當(dāng)沒(méi)有新的數(shù)據(jù)時(shí)，Data_Ready中斷清除。

2. Single_Tap 當(dāng)加速度值超過(guò)一定門限（THRESH_TAP）并且持續(xù)時(shí)間小于一定時(shí)間范圍（DUR）的時(shí)候，Single_Tap中斷置位。

3. Double_Tap 當(dāng)?shù)谝淮蜸ingle_Tap事件發(fā)生后，在一定時(shí)間（LATENT）之后，并在一定時(shí)間（WINDOW）之內(nèi)，又發(fā)生第二次Single_Tap事件時(shí)，Double _Tap中斷置位。

圖2給出了有效的Single_Tap中斷和Double _Tap中斷的示意圖。

圖2 Single_Tap和Double _Tap中斷示意

4. Activity 當(dāng)加速度值超過(guò)一定門限（THRESH_ACT）時(shí)，Activity中斷置位。

5. Inactivity 當(dāng)加速度值低于一定門限（THRESH_INACT）并且持續(xù)超過(guò)一定時(shí)間（TIME_INACT）時(shí)，Inactivity中斷置位。TIME_INACT可以設(shè)定的最長(zhǎng)時(shí)間為255s。

需要指出的是，對(duì)于Activity和Inactivity中斷，用戶可以針對(duì)X、Y、Z軸來(lái)分別進(jìn)行使能或禁用。比如，可以只使能X軸的Activity中斷，而禁用Y軸和Z軸的Activity中斷。

另外，對(duì)于Activity和Inactivity中斷，用戶還可以自由選擇DC coupled工作方式或者AC coupled工作方式。其區(qū)別在于，DC coupled工作方式下，每個(gè)采樣點(diǎn)的加速度值將直接與門限（THRESH_ACT或THRESH_INACT）進(jìn)行比較，來(lái)判斷是否發(fā)生中斷；而AC coupled工作方式下，新的采樣點(diǎn)將以之前的某個(gè)采樣點(diǎn)為參考，用兩個(gè)采樣點(diǎn)的差值與門限（THRESH_ACT或THRESH_INACT）進(jìn)行比較，來(lái)判斷是否發(fā)生中斷。AC coupled工作方式下的Activity檢測(cè)，是選擇檢測(cè)開始時(shí)的那一個(gè)采樣點(diǎn)作為參考，以后每個(gè)采樣點(diǎn)的加速度值都與參考點(diǎn)進(jìn)行比較。如果它們的差值超過(guò)門限（THRESH_ACT），則Activity中斷置位。AC coupled工作方式下的Inctivity檢測(cè)，同樣要選擇一個(gè)參考點(diǎn)。如果新采樣點(diǎn)與參考點(diǎn)的加速度差值超過(guò)門限（THRESH_INACT），參考點(diǎn)會(huì)被該采樣點(diǎn)更新。如果新采樣點(diǎn)與參考點(diǎn)的加速度差值小于門限（THRESH_INACT），并且持續(xù)超過(guò)一定時(shí)間（TIME_INACT），則Inctivity置位。

6. Free_Fall 當(dāng)加速度值低于一定門限（THRESH_FF）并且持續(xù)超過(guò)一定時(shí)間（TIME_FF）時(shí)，F(xiàn)ree_Fall中斷置位。與Inactivity中斷的區(qū)別在于，F(xiàn)ree_Fall中斷主要用于對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)。因此， X、Y、Z軸總是同時(shí)被使能或禁用；其時(shí)間設(shè)定也比Inactivity中斷中要小很多，TIME_FF可以設(shè)定的最大值為1.28s；而且Free_Fall中斷只能是DC coupled工作方式。

7. Watermark 當(dāng)FIFO里所存的采樣點(diǎn)超過(guò)一定點(diǎn)數(shù)（SAMPLES）時(shí)，Watermark中斷置位。當(dāng)FIFO里的采樣點(diǎn)被讀取，使得其中保存的采樣點(diǎn)數(shù)小于該數(shù)值（SAMPLES）時(shí)，Watermark中斷自動(dòng)清除。

需要指出的是，ADXL345的FIFO最多可以存儲(chǔ)32個(gè)采樣點(diǎn)（X、Y、Z三軸數(shù)值），且具有Bypass模式、普通FIFO模式、Stream模式和Trigger模式，一共4種工作模式。FIFO功能也是ADXL345的一個(gè)重要且十分有用的功能。但是本文后面給出的解決方案中，并沒(méi)有使用到FIFO功能，所以，在此不做詳細(xì)介紹。

8. Overrun 當(dāng)有新采樣點(diǎn)更新了未被讀取得前次采樣點(diǎn)時(shí)，Overrun中斷置位。 Overrun功能與FIFO的工作模式有關(guān)，當(dāng)FIFO工作在Bypass模式下，如果有新采樣點(diǎn)更新了DATAX、DATAY和DATAZ寄存器里的數(shù)值，則Overrun中斷置位。當(dāng)FIFO工作在其他三種模式下，只有FIFO被存滿32點(diǎn)時(shí)，Overrun中斷才會(huì)置位。FIFO里的采樣點(diǎn)被讀取后，Overrun中斷自動(dòng)清除。

跌倒過(guò)程中的加速度變化特征
對(duì)跌倒檢測(cè)原理的研究主要是找到人體在跌倒過(guò)程中的加速度變化特征。

圖3給出的是加速度在不同運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變化曲線，包括(a)步行上樓、(b)步行下樓、(c)坐下、(d)起立。假設(shè)跌倒檢測(cè)器被固定在被測(cè)的人體上。其中紅色的曲線是Y軸（垂直方向）的加速度曲線，其正常靜止?fàn)顟B(tài)下應(yīng)該為-1g；黑色和黃色的曲線分別是X軸（前后方向）和Z軸（左右方向）的加速度曲線，其正常靜止?fàn)顟B(tài)下應(yīng)該為0g；綠色的曲線是三軸加速度的矢量和，其正常靜止?fàn)顟B(tài)下應(yīng)該為+1g。

a. 步行上樓                                    b. 步行下樓

c. 坐下                                      d. 起立

圖3 不同運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度變化曲線

由于老年人的運(yùn)動(dòng)相對(duì)比較慢，所以在普通的步行過(guò)程中，加速度變化不會(huì)很大。最明顯的加速度變化就是在坐下動(dòng)作中Y軸加速度（和加速度矢量和）上有一個(gè)超過(guò)3g的尖峰，這個(gè)尖峰是由于身體與椅子接觸而產(chǎn)生的。

而跌倒過(guò)程中的加速度變化則完全不同。圖4給出的是意外跌倒過(guò)程中的加速度變化曲線。通過(guò)圖4和圖3的比較，可以發(fā)現(xiàn)跌倒過(guò)程中的加速度變化有4個(gè)主要特征，這可以作為跌倒檢測(cè)的準(zhǔn)則。這4個(gè)特這在圖4中以紅色的方框標(biāo)注，下面將對(duì)其逐一進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖4 跌倒過(guò)程中的加速度變化曲線

1. 失重：在跌倒的開始都會(huì)發(fā)生一定的失重現(xiàn)象。在自由落體的下降過(guò)程，這個(gè)現(xiàn)象會(huì)更加明顯，加速度的矢量和會(huì)降低到接近0g，持續(xù)時(shí)間與自由落體的高度有關(guān)。對(duì)于一般的跌倒，失重現(xiàn)象雖然不會(huì)有像自由落體那么明顯，但也會(huì)發(fā)生合加速度小于1g的情況（通常情況下合加速度應(yīng)大于1g）。因此，這可以作為跌倒?fàn)顟B(tài)的第一個(gè)判斷依據(jù)?？梢杂葾DXL345的Free_Fall中斷來(lái)檢測(cè)。

2. 撞擊：失重之后，人體發(fā)生跌倒的時(shí)候會(huì)與地面或其他物體發(fā)生撞擊，在加速度曲線中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊。這個(gè)沖擊可以通過(guò)ADXL345的Activity中斷來(lái)檢測(cè)。因此，F(xiàn)ree_Fall中斷之后，緊接著產(chǎn)生Activity中斷是跌倒?fàn)顟B(tài)的第二個(gè)判斷依據(jù)。

3. 靜止：通常，人體在跌倒后，也就是撞擊發(fā)生之后，不可能馬上起來(lái)，會(huì)有短暫的靜止?fàn)顟B(tài)（如果人因?yàn)榈苟鴮?dǎo)致昏迷，甚至可能是較長(zhǎng)時(shí)間的靜止）。表現(xiàn)在加速度曲線上就是會(huì)有一段時(shí)間的平穩(wěn)。這可以通過(guò)ADXL345的Inactivity中斷來(lái)檢測(cè)。因此，Activity中斷之后的Inactivity中斷是跌倒?fàn)顟B(tài)的第三個(gè)判斷依據(jù)。

4. 與初始狀態(tài)比較：跌倒之后，人體會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，因此人體的方向會(huì)與原先靜止站立的姿態(tài)（初始狀態(tài)）不同。這使得跌倒之后的靜止?fàn)顟B(tài)下的三軸加速度數(shù)值與初始狀態(tài)下的三軸加速度不同（見圖4）。假設(shè)跌倒檢測(cè)器固定在被測(cè)人體上的某個(gè)部位，這樣初始狀態(tài)下的三軸加速度數(shù)值可以認(rèn)為是已知的（本例中，初始狀態(tài)為：X軸0g，Y軸-1g，Z軸0g）。讀取Inactivity中斷之后的三軸加速度數(shù)據(jù)，并與初始狀態(tài)進(jìn)行比較。如圖4所示，重力加速度方向由Y軸上的-1g變?yōu)榱薢軸上的1g，這說(shuō)明人體發(fā)生了側(cè)向跌倒。因此，跌倒檢測(cè)的第四個(gè)依據(jù)就是跌倒后的靜止?fàn)顟B(tài)下加速度值與初始狀態(tài)發(fā)生變化，且矢量變化超過(guò)一定的門限值（比如0.7g）。

這四個(gè)判斷依據(jù)綜合在一起，構(gòu)成了整個(gè)的跌倒檢測(cè)算法，可以對(duì)跌倒?fàn)顟B(tài)給出報(bào)警。當(dāng)然，還要注意各個(gè)中斷之間的時(shí)間間隔要在合理的范圍之內(nèi)。比如，除非是從很高的樓頂?shù)粝聛?lái)，否則Free_Fall中斷（失重）和Activity中斷（撞擊）之間的時(shí)間間隔不會(huì)很長(zhǎng)。同樣，通常情況下， Activity中斷（撞擊）和Inactivity中斷（靜止）之間的時(shí)間間隔也不會(huì)很長(zhǎng)。本文接下來(lái)會(huì)通過(guò)一個(gè)具體實(shí)例給出一組合理的取值。當(dāng)然，相關(guān)中斷的檢測(cè)門限以及時(shí)間參數(shù)也可以根據(jù)需要而靈活設(shè)置。

另外，如果跌倒造成了嚴(yán)重的后果，比如，導(dǎo)致了人的昏迷。那么人體會(huì)在更常的一段時(shí)間內(nèi)都保持靜止。這個(gè)狀態(tài)仍然可以通過(guò)Inactivity中斷來(lái)檢測(cè)。也就是說(shuō)，如果發(fā)現(xiàn)在跌倒之后的很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都保持Inactivity狀態(tài)，可以再次給出一個(gè)嚴(yán)重報(bào)警。

典型電路連接
ADXL345和微控制器之間的電路連接非常簡(jiǎn)單。本文中的測(cè)試平臺(tái)由ADXL345和微控制器ADuC70262組成。圖5給出了ADXL345和ADuC70262之間的典型電路連接。ADXL345的CS管腳接高電平，表示ADXL345工作在I2C模式。SDA和SCL是I2C總線的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線，分別連接到ADuC7026相應(yīng)的I2C總線管腳。ADuC7026的一個(gè)GPIO管腳連接到ADXL345的ALT管腳，用來(lái)選擇ADXL345的I2C地址。ADXL345的INT1管腳連接到ADuC7026的IRQ輸入用來(lái)產(chǎn)生中斷信號(hào)。

其他的單片機(jī)或者處理器都可以采用與圖5類似的電路與ADXL345進(jìn)行連接。ADXL345還可以工作在SPI模式以獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。關(guān)于SPI工作模式的具體描述，請(qǐng)參考ADXL345數(shù)據(jù)手冊(cè)。

圖5 ADXL345與微控制器之間的典型電路連接

表1 ADXL345寄存器功能說(shuō)明

利用ADXL345簡(jiǎn)化跌倒檢測(cè)算法
本節(jié)將給出以上解決方案的具體算法實(shí)現(xiàn)。表1中簡(jiǎn)要說(shuō)明了每個(gè)寄存器的作用以及在本算法中的設(shè)置值。對(duì)于各個(gè)寄存中每一位的具體含義，請(qǐng)參考ADXL345的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

需要指出的是，表1給出的設(shè)置值中，某些寄存器會(huì)給出兩個(gè)數(shù)值，這說(shuō)明在算法中會(huì)切換使用這兩個(gè)數(shù)值，來(lái)達(dá)到不同的檢測(cè)目的。算法的流程圖如圖6所示。

圖6 算法流程圖

算法中，關(guān)于各種中斷的門限以及時(shí)間參數(shù)的設(shè)置如下所述。

1. 初始化后，系統(tǒng)等待Free_Fall中斷（失重），這里把THRESH_FF設(shè)為0.75g，把TIME_FF設(shè)為30ms。

2. Free_Fall中斷產(chǎn)生之后，系統(tǒng)開始等待Activity中斷（撞擊），這里把THRESH_ACT設(shè)為2g，Activity中斷為DC coupled工作模式。

3. Free_Fall中斷（失重）與Activity中斷（撞擊）之間的時(shí)間間隔設(shè)置為200ms。如果超過(guò)200ms，則認(rèn)為無(wú)效。200ms計(jì)時(shí)需要通過(guò)MCU中的定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4. Activity中斷產(chǎn)生之后，系統(tǒng)開始等待Inactivity中斷（撞擊后的靜止），這里把THRESH_INACT設(shè)為0.1875g，把TIME_INACT設(shè)為2s，Inactivity中斷為AC coupled工作模式。

5. 在Activity中斷產(chǎn)（撞擊）生之后的3.5s時(shí)間之內(nèi)，應(yīng)該有Inactivity中斷（撞擊后的靜止）產(chǎn)生。如果超時(shí)，則認(rèn)為無(wú)效。3.5s計(jì)時(shí)需要通過(guò)MCU中的定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

6. 如果Inactivity中斷之后的加速度值與初始狀態(tài)（假設(shè)已知）下數(shù)值的矢量差超過(guò)0.7g，則說(shuō)明檢測(cè)到一次有效的跌倒，系統(tǒng)會(huì)給出一個(gè)報(bào)警。

7. 當(dāng)檢測(cè)到跌倒?fàn)顟B(tài)之后，為了判斷是否在跌倒之后人體有長(zhǎng)時(shí)間的靜止不動(dòng)。需要繼續(xù)檢測(cè)Activity中斷和Inactivity中斷。這里把THRESH_ACT設(shè)為0.5g，Activity中斷為AC coupled工作模式。把THRESH_INACT設(shè)為0.1875g，把TIME_INACT設(shè)為10s，Inactivity中斷為AC coupled工作模式。也就是說(shuō)，如果在10s之內(nèi)，人體一直沒(méi)有任何動(dòng)作，則會(huì)產(chǎn)生Inactivity中斷，使系統(tǒng)給出一個(gè)嚴(yán)重報(bào)警。而在此期間一旦人體有所動(dòng)作，則會(huì)產(chǎn)生Activity中斷，從而結(jié)束整個(gè)判斷過(guò)程。

8. 本算法還可以檢測(cè)出人體從較高的地方跌落。如果Free_Fall中斷連續(xù)產(chǎn)生且之間的間隔小于100ms，可以認(rèn)為，人體處于連續(xù)的跌落狀態(tài)。如果Free_Fall中斷（失重）連續(xù)發(fā)生300ms，則說(shuō)明人體是從超過(guò)0.45m的高度跌落，系統(tǒng)會(huì)給出一個(gè)跌落的報(bào)警。

 
本算法已在ADuC7026微控制器中以C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)（見附錄）。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)對(duì)向前跌倒，向后跌倒，向左、右兩側(cè)跌倒等不同跌倒姿勢(shì)以及跌倒后是否有長(zhǎng)時(shí)間靜止?fàn)顟B(tài)的情況分別進(jìn)行了10次測(cè)試，表2中給出的是相關(guān)測(cè)試結(jié)果。

表2 測(cè)試結(jié)果

從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中可以看出基于ADXL345的解決方案能夠有效地對(duì)跌倒?fàn)顟B(tài)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)然，這里只是一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方案，仍需要進(jìn)行更加全面、有效和長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該解決方案的可靠性。

結(jié)論
ADXL345是ADI公司的一款功能強(qiáng)大的加速度傳感器產(chǎn)品。本文利用ADXL345內(nèi)部的多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)功能和靈活的中斷功能，提出一種新的跌倒檢測(cè)解決方案。經(jīng)驗(yàn)證，該解決方案具有算法復(fù)雜度低，檢測(cè)準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。