基于三軸加速度傳感器的老人摔倒檢測

摘要：老人因意外摔倒不能及時(shí)救助會造成嚴(yán)重的后果，發(fā)生意外時(shí)若能及時(shí)通知救援人員，可大大降低摔倒后的危險(xiǎn)程度。三軸加速度傳感器能夠采集分析人體摔倒時(shí)三個(gè)方向的加速度變化特征，以判斷老人是否摔倒。主要分析了三軸加速度傳感器ADXL345的特點(diǎn)及工作原理，最后提出一種檢測老人意外摔倒的方案。
關(guān)鍵詞：三軸加速度傳感器；中斷閾值判斷；老人摔倒檢測；加速度變化

1 加速度傳感器
1．1 定 義
    加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速度計(jì)有兩種：一種是角加速度計(jì)，是由陀螺儀(角速度傳感器)的改進(jìn)的。另一種就是線加速度計(jì)。
1．2 加速傳感器的工作原理
    加速度傳感器會接受外界傳遞的物理性輸入，通過感測器轉(zhuǎn)換為電子信號，再最終轉(zhuǎn)換為可用的信息。主要感應(yīng)方式是對微小物理量的變化進(jìn)行測量，再通過電壓信號來表示這些變化量。

2 三軸加速度傳感器ADXL345
2．1 概述
    ADXL345是ADI公司推出的基于MEMS技術(shù)的數(shù)字輸出的三軸加速度傳感器。ADXL345具有±2g，±4g，±8g，±16g可變的測量范圍；最高13 b分辨率測量；固定的4 mg／LSB靈敏度；3 mm×5 mm×1 mm超小封裝；40～145 μA超低功耗；標(biāo)準(zhǔn)的I2C或SPI數(shù)字接口；32級FIFO存儲；以及內(nèi)部多種運(yùn)動狀態(tài)檢測和靈活的中斷方式等特性。這些特性使其成為一款非常適合用于摔倒檢測的加速度傳感器。
2．2 工作原理
    ADXL345首先由前端感應(yīng)器件感應(yīng)測得加速度的大小，然后由感應(yīng)電信號器件轉(zhuǎn)為可識別的電信號，這個(gè)信號是模擬信號。ADXL345集成的A／D裝換器將此模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在計(jì)算機(jī)中，數(shù)字信號一律用補(bǔ)碼的形式表示，在此也一樣，A／D轉(zhuǎn)換器輸出的是16位的二進(jìn)制補(bǔ)碼。經(jīng)過數(shù)字濾波器的濾波后，在控制和中斷邏輯單元的控制下訪問32級FIFO，通過串行接口讀取數(shù)據(jù)。ADXL345的控制命令也是通過接收來自串口的讀寫命令來實(shí)現(xiàn)的，這主要是對寄存器的操作。

3 ADXL345與微控制器的通信
    ADXL345為用戶提供了兩種與微控制器的通信方式：SPI和I2C。本文采用基于嵌入式的S3C2410微控制器與三軸加速度傳感器ADXL345的連接來詳細(xì)講述ADXL345的SPI通信方式。

3．1 ADXL345的SPI通信過程
    SPI的最高時(shí)鐘為5 MHz，通信開始時(shí)主MCU選擇CS置位，CS復(fù)位則通信結(jié)束，SCLK由主MCU提供串行時(shí)鐘。SDI與SDO是串行數(shù)據(jù)輸入與輸出，它們分別在時(shí)鐘的上升沿獲取數(shù)據(jù)。一次通信過程中讀寫多字節(jié)必須要設(shè)定MB位(Multiple—byte Bit)，在讀取完第一個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)后ADXL345會自動將地址指向下一個(gè)寄存器。ADXL345輸出16位二進(jìn)制補(bǔ)碼，每個(gè)軸都分配了2 B輸出數(shù)據(jù)寄存器，共6個(gè)，地址為0X32-0X27，這樣會連續(xù)輸出6 B數(shù)據(jù)。但對地址非連續(xù)的寄存器進(jìn)行操作必須通過CS停止通信并單獨(dú)設(shè)定下一個(gè)要操作的寄存器地址，然后再建立通信。所以通過SPI讀取ADXL345采集的數(shù)據(jù)只能連續(xù)讀取6 B數(shù)據(jù)，然后地址返回0X32繼續(xù)讀取6 B數(shù)據(jù)。
3．2 S3C2410的接口特點(diǎn)
    S3C2410有2個(gè)串行外圍設(shè)備接口(SPI)，每個(gè)SPI接口都有2個(gè)分別用于發(fā)送和接收的8位移位寄存器。在SPI通信中，數(shù)據(jù)同時(shí)被發(fā)送(串行移出)和接收(串行移入)，8位串行數(shù)據(jù)的傳輸速率由相關(guān)的控制寄存器決定。
    SPI的接口特性：與SPI接口協(xié)議V2．11兼容；8位用于發(fā)送的移位寄存器；8位用于接收的移位寄存器；8位預(yù)分頻邏輯；查詢、中斷和DMA傳送模式。
3．3 接口連接
    根據(jù)ADXL345工作原理和S3C2410的接口特點(diǎn)，把S3C2410的SPI配置為主設(shè)備，完成對ADXL345的接口設(shè)計(jì)，硬件連接如圖2所示。

    SPI MOSI作為主設(shè)備的輸出，SPI MISO作為主設(shè)備的輸入，SPI CLK用作SPI通信的串行時(shí)鐘。且S3C2410支持4種不同的傳輸格式，可以保證主從設(shè)備時(shí)序的一致性。
    S3C2410的SPI接口操作：通過SPI接口S3C2410可以與ADXL345同時(shí)發(fā)送和接收8位數(shù)據(jù)。串行時(shí)鐘線與兩條數(shù)據(jù)線同步，用于移位和數(shù)據(jù)采樣。

4 老人摔倒檢測
4．1 檢測原理
    將三軸加速度傳感器的三個(gè)坐標(biāo)分別與人體坐標(biāo)相對應(yīng)，x軸代表人體左右方向加速度變化，y軸代表人體前后方向的加速度變化，z軸代表人體垂直方向的加速度變化。當(dāng)人在站立或行走狀態(tài)時(shí)，z軸的加速度接近g，x軸和y軸加速度接近0。當(dāng)人體的摔倒過程中，三個(gè)軸的加速度及其矢量和會發(fā)生變化，通過設(shè)定一定的閾值，判斷三個(gè)軸向的加速度變化，判斷老人是否摔倒。
4．2 ADXL345中斷
    Free_fall：當(dāng)加速度值低于一定閾值并且持續(xù)超過一定的時(shí)間時(shí)，F(xiàn)ree_fall中斷置位。
    Activity：當(dāng)加速度值超過一定閾值時(shí)，Activity中斷置位。
    Inactivity：當(dāng)加速度值低于一定閾值且持續(xù)超過一定時(shí)間時(shí)，Inactivity中斷置位。
4．3 檢測判斷方案
    失重檢測：人體摔倒的過程中存在失重現(xiàn)象，雖然沒有自由落體時(shí)失重現(xiàn)象明顯，但加速度矢量和也會小于1g，利用Free_fall中斷判斷人體摔倒過程中的失重過程，將此作為摔倒?fàn)顟B(tài)的第一個(gè)判斷依據(jù)。
    撞擊檢測：人體在摔倒時(shí)與地面發(fā)生撞擊，加速度矢量和會產(chǎn)生一個(gè)峰值。利用ADXL345的Activity中斷來檢測。在此需要設(shè)置一個(gè)時(shí)間的閾值，在失重檢測與撞擊檢測之間，設(shè)置時(shí)間間隔為200 ms，如果在Free_fall中斷后200 ms仍會發(fā)生Activity中斷，認(rèn)為人體沒有摔倒，也可能是因?yàn)閺澭鼊幼髟斐杉铀俣茸兓?br />     靜止檢測：人體摔倒不會馬上站起來，會有一點(diǎn)時(shí)間的靜止?fàn)顟B(tài)。由于人體由垂直變?yōu)樗?，此時(shí)加速度的矢量和會小于某個(gè)值。利用ADXL345的Inactivity中斷來檢測。設(shè)置Activity中斷與Inactivity中斷的時(shí)間間隔為2 s，在撞擊后的3．5 s內(nèi)應(yīng)該有靜止?fàn)顟B(tài)，如果時(shí)
間超時(shí)還未產(chǎn)生Inactivity中斷，認(rèn)為沒有摔倒。
    與初始狀態(tài)比較檢測：人體在摔倒之后與站立時(shí)的三個(gè)軸向的加速度是不同的。為了進(jìn)一步檢測人體是否摔倒，可以取人體摔倒之前的三個(gè)軸向的加速度與摔倒后的加速度進(jìn)行比較，如果各個(gè)軸向的加速度之差超過一定的閾值，判斷為一次摔倒。
    可以根據(jù)人體摔倒過程中加速的變化曲線來設(shè)定各個(gè)閾值。摔倒過程中的加速度變化曲線如圖3所示。

4．4 檢測方案流程圖
    摔倒檢測方案流程圖如圖4所示。

5 結(jié)語
    本文主要以三軸加速度傳感器ADXL345為例，介紹了其工作原理，與微控制器的通信方式及接口連接。通過分析得知三軸加速度傳感器ADXL345非常適用于檢測人體意外摔倒。最后利用ADXL345的內(nèi)部中斷，提出一種檢測老人意外摔倒的方案。利用三軸加速度傳感器解決老人意外摔倒檢測問題有其重要的科研價(jià)值和應(yīng)用意義。