三轴加速度传感器在跌倒检测中的应用

人体跌倒检测系统马博妍;周红仙【摘要】在社会逐渐走向高龄化的今天，老年人所占的比率逐渐增加，他们的行动安全已成为重要的社会问题。

针对老年人易跌倒的问题，除了事前的防范之外，在发生跌倒情况时第一时间内尽快送至医院以降低伤害，也有重大意义。

因此，建立一套完善的跌倒探测系统是相当重要的。

利用电子信息技术实现对老年人身体姿态和运动的监控，让老年人不再因为害怕跌倒而减少外出、减少活动，使他们可以更加放心的走出家门，提高老年人晚年生活的品质。

在分析比较国内外跌倒检测及相关技术的基础上，并考虑到产品的实用性和系统的成本等因素，本文设计了基于三轴加速度传感器、嵌入式单片机的跌倒探测器，利用三轴加速度传感器采集人体的三维加速度值，并由单片机进行分析，当探测到有异常跌倒发生时，发出报警，定位具体位置发送跌倒信号。

本文设计对解决老人的行动安全问题、构建以人为本的和谐社会有着非常积极的意义。

%In today's society gradually aging, and gradually increase the proportion of older persons, their operational security has become an important social issue. Problems easy to fall for the elderly, in addition to the advance guard in addition to falls occurred when brought to the hospital as soon as possible in order to reduce damage in the first, there are significant and, therefore, establish a perfect fall detection system is very important. Older people using electronic information technology posture and movement monitoring, no longer out less for fear of falling in the elderly, reduce activities, so that they can more safely out of the House, improving the quality of life in old age. In analysis compared both at home and abroad fell detection and the relatedtechnology of based Shang, and consider to products of practical and system of cost, factors, paper design has based on three axis acceleration sensor, and embedded single tablets machine of fell detector, using three axis acceleration sensor collection human of three dimensional acceleration value, and by single tablets machine for analysis, dang detection to has exception fell occurred Shi, issued alarm, positioning specific location sent fell signal. Designed to solve the security problem, building a people-oriented harmonious society has a very positive meaning.【期刊名称】《仪器仪表用户》【年(卷),期】2017(034)001【总页数】5页(P47-50,51)【关键词】跌倒探测器;三轴加速度传感器;跌倒检测算法【作者】马博妍;周红仙【作者单位】秦皇岛市第一中学，河北唐山 063000;东北大学秦皇岛分校实验教育中心，河北唐山 063000【正文语种】中文2010年中国迎来了老龄人口的爆发，中国65岁以上老年人口达1.44亿人，老龄人口占人口比重的11%，预计今后还将以100万每年的速度继续增长[1]。

三轴加速度传感器在跌倒检测中的应用由ADI_Amy于 2016-5-23 创建的讨论∙喜爱• 显示 0 喜欢0∙评论• 0人们在跌倒后会面临双重危险。

显而易见的是跌倒本身可能对人体产生伤害；另外，如果跌倒后不能得到及时的救助，可能会使结果更加恶化。

例如，许多老年人由于其身体比较虚弱，自理能力和自我保护能力下降，常常会发生意外跌倒，如果得不到及时的救助，这种跌倒可能会导致非常严重的后果。

有资料显示，很多严重的后果并不是由于跌倒直接造成的，而是由于跌倒后，未得到及时的处理和救护。

当出现跌倒情况时，如果能够及时地通知到救助人员，将会大大地减轻由于跌倒而造成的危害。

不仅是对老人，在很多其他情况下，跌倒的报警也是非常有帮助的，尤其是从比较高的地方跌倒下来的时候。

比如人们在登山，建筑，擦窗户，刷油漆和修理屋顶的时候。

这促使人们越来越热衷于对跌倒检测以及跌倒预报仪器的研制。

近年来，随着iMEMS®加速度传感器技术的发展，使得设计基于三轴加速度传感器的跌倒检测器成为可能。

这种跌倒检测器的基本原理是通过测量佩戴该仪器的个体在运动过程中的三个正交方向的加速度变化来感知其身体姿态的变化，并通过算法分析判断该个体是否发生跌倒情况。

当个体发生跌倒时，仪器能够配合GPS模块以及无线发送模块对这一情况进行定位及报警，以便获得相应的救助。

而跌倒检测器的核心部分就是判断跌倒情况是否发生的检测原理及算法。

ADXL345是一款3轴、数字输出的加速度传感器。

本文将在研究跌倒检测原理的基础上，提出一种基于ADXL345的新型跌倒检测解决方案。

iMEMS加速度传感器ADXL345iMEMS 半导体技术把微型机械结构与电子电路集成在同一颗芯片上。

iMEMS加速度传感器就是利用这种技术，实现对单轴、双轴甚至三轴加速度进行测量并产生模拟或数字输出的传感器。

根据不同的应用，加速度传感器的测量范围从几g到几十g不等。

数字输出的加速度传感器还会集成多种中断模式。

随着人类生活水平的不断提高，人口老龄化成为一个全球性的发展趋势。

目前，我国已经进入了老龄化社会，老年人的身心健康问题得到人们更多的关注。

老年人因生理结构衰老和身体机能减退，发生意外跌倒的概率和频率非常高。

跌倒可以导致老年人身体组织挫伤、骨折甚至危及生命，并从心理上给老年人造成了压力和恐惧感。

实际上很多伤亡并不是由于意外跌倒本身造成的，而是由于跌倒发生后，老年人没有得到及时的救治造成的。

尤其现在社会上存在很多讹诈现象，导致人们不敢轻易伸出援助之手。

因此，在老年人发生跌倒后，如何尽早被发现，并发出求救信号进行及时救治变得格外重要。

为了老年人更健康地生活，研究设计一个老年人的跌倒检测与报警系统具有十分重要的研究价值和实际意义。

目前，研究开发人体跌倒检测系统方面的技术有很多种，最常见的是图像分析和加速度分析法。

都是基于视频图像分析的室内跌倒自动检测系统，这种技术准确性高，人体动作清晰可见，但需要多部摄像机同时工作，且暴露了用户的个人隐私，监测范围有限，受环境的影响也很大。

另一种加速度分析方法，主要基于微机电系统（Micro-Electromechanical System，MEMS）传感器。

MEMS 技术近几年得到了快速发展，广泛应用在跌倒检测、状态检测、运动检测等方面。

文献[7-9]都是利用MEMS技术进行人体跌倒检测的，目前国内一些基于MEMS 技术的跌到检测虽可较好实现跌倒检测，但大多计算量较大、设计复杂、价格昂贵，难以得到广泛的应用。

设计一种基于Arduino和三轴加速度传感器的跌倒检测报警系统，实时采集人体加速度参数和地理位置信息，应用于老年人意外跌倒后及时报警，兼具了性价比高、设计简单、实时性高、低功耗、可扩展的特点，实验证明了该系统的可行性和准确性。

1 系统总体设计跌倒检测报警系统由Arduino最小系统、加速度参数采集模块、GPS定位模块、GSM通信模块组成，其系统框图如图1所示。

图1 跌倒检测报警系统框图Arduino实时接收加速度参数采集模块传来的人体加速度参数值，单片机通过接收来的加速度值，经过跌倒检测算法来判断穿戴者的体态，如果检测出跌倒的发生，便触发跌倒报警机制。

高昊李玉丽张涛程鑫（作者单位：吉林建筑大学）◎引言：随着科技的发展，医疗水平的提高，人的平均寿命在逐年增加。

目前，我国60岁以上老年人口占总人口的14%，已进入老龄化社会。

老龄化问题给社会带来了前所未有的压力，如空巢老人的安全问题，社会养老资金问题，子女的养老负担问题等都对我国经济社会的发展产生影响。

为了满足老年人生活的人身安全、身体健康，与远方子女的及时联系等要求，老人安全监控报警系统应运而生。

一、系统整体架构设计本系统主要由四部分组成：第一部分是人体运动采集与跌倒检测模块，包括MCU 、三轴加速传感器、陀螺仪，传感器模块均佩戴在老人的腰部；第二部分是声光报警和个人信息显示模块，由蜂鸣器、RGB 灯及液晶屏组成，第三部分是ZigBee 报警、GSM 报警和定位模块，当佩戴者在小区内或养老院等固定范围内跌倒时，由ZigBee 模块向物业部门发送报警信息，同时GSM 再将报警信息发送到指定联系人手机，确保老人得到及时地救助；第四部分是一键启动、取消报警按钮，目的是为了预防系统产生错误判断而引发的报警以及跌倒状态下未报警的情况。

具体结构如图1所示。

二、跌倒判断系统设计1.硬件设计。

（1）主控芯片。

MCU 采用STM32F103VET6主控芯片，该芯片采用Cortex-M3内核，内部集成多种通信接口（如IIC 、USART 等），程序内存大小为512KB ，CPU 速度能达到72MHz ，作为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计，该主控芯片完全满足数据处理、传输的要求。

（2）传感器。

人体发生跌倒时，其重力、加速度、姿态等都会发生相应变化，如果能用传感器测出实时变化的值，经过数据处理，就能判断是否跌倒。

在本系统我们采用的三轴加速度结合陀螺仪的方法，是因为三轴加速度传感器在较长时间的测量值是正确的，而在较短时间内由于信号噪声的存在，而有误差；陀螺仪在较短时间内则比较准确而较长时间则会有与漂移而存有误差。

科技与创新┃Science and Technology &Innovation·56·2019年第06期文章编号：2095－6835（2019）06－0056－02基于加速度传感器的摔倒检测报警系统设计陈旭，向琦，陈芳（西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621000）摘要：随着我国人口老龄化进程的加快，对老年人监护问题正逐渐成为一个社会问题。

研究并设计了一种基于加速度传感器的摔倒检测报警系统，以STM32F103单片机为核心，控制加速度传感器实时采集姿态数据，经过数据分析和处理后，利用阈值摔倒检测算法判断摔倒行为，并将老人所在位置以短信方式发送到监护人手机端。

实验测试结果表明，该系统摔倒识别率高达94.5%，准确度高，应用前景较为广泛。

关键词：加速度传感器；摔倒检测；STM32单片机；阈值算法中图分类号：TP273文献标识码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2019.06.056目前，中国已成为老年人口最多且人口老龄化发展速度最快的国家之一[1]。

据统计，每年有33%的65岁以上老人发生过跌倒[2]。

跌倒除了导致老年人死亡外，还可能导致大量疾病，轻则划伤或骨折；重则昏厥、脑血管意外，甚至瘫痪[3]。

而多数严重后果并非源自摔倒本身，而是在于摔倒后未能及时得到救助和处理，如果在摔倒后第一时间通知救护人员救助，则可大大降低摔倒后的危险程度[4]。

因此，对老人摔倒检测及报警开展研究具有十分重要的实际意义。

1系统设计本文设计的摔倒检测报警系统总体设计如图1所示。

该系统主要由主控芯片、加速度传感器、GPS 定位模块和GSM 通信模块构成。

以STM32F103单片机为主控芯片，利用加速度传感器MPU6050实时采集老人的姿态信息，结合阈值摔倒检测算法判断摔倒行为；当老人摔倒且一分钟无响应时，单片机控制GSM 通信模块，将从GPS 模块获得的位置信息以短信的方式发送到监护人手机端，以便老人得到及时救治。

^m m m m2021年第01期(总第217期）人体跌倒检测技术研究分类综述郑杨娇子，张上(三峡大学计算机与信息与学院，湖北宜昌443002)摘要:据近年来的研究统计数据发现，年龄对跌倒的影响因素最为显著。

在65岁及其以上的人群中，每年跌倒的人数 大约占30%。

因此及时检测出老年人的跌倒行为，并做出应对措施是极具现实意义的一项研究内容，同时对于即将到 来的社会老龄化挑战也具有非常重要的研究价值。

从不同的实现方法来看，跌倒检测技术大致分为以下三种:基于计 算机视觉、基于场景传感器和基于可穿戴式设备。

文章对每类检测技术的系统原理以及各自特点进行了初步的讨论和总结。

关键词:跌倒检测；计算机视觉;传感器；可穿戴式设备中图分类号:TP 3-05 文献标识码:A 文章编号:2096-9759( 2021 )01-0015-04Review on classification of human fall detection technologyZheng Yangjiaozi , Zhang Shang(School of computer and information, Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002, China)Abstract : According to statistics from recent studies, age has the most significant influence on falls.Among people aged 65 and older, falls account for about 30% of all falls each year.Detecting falls in older people and responding to them in a timely manner is therefore a highly relevant area of r esearch, which is also of g reat value in the context of t he upcoming challenges of an ageing society.In terms of d ifferent implementation methods, fall detection technologies can be broadly divided into the following three categories: computer vision-based, scenario-based and wearable device-based. A preliminary discussion and summary of t he sys­tem principles and the respective characteristics of each type of testing technology is presented in this paper.Key words:falldetection;computervision;sensor;wearable device〇引言跌倒的发生概率与诸多因素有关，其中年龄对跌倒的影 响因素最为显著。

0 引言据国家统计局发布的数据显示[1]，2018年末，我国60周岁及以上人口24949万人，占总人口的17.9%，其中，65周岁及以上人口16658万人，占总人口的11.9%。

现在越来越多的年轻人选择离家去外地求学或者工作，而且其中很多的家庭都是独生子女家庭，年轻人外出谋生，家里剩下日渐年迈的父母，这就形成了“空巢家庭”。

空巢家庭数量会随着社会劳动人口的迁移快速增长，我国一些偏远地区的“空巢家庭”情况特别严重，再加上目前社会养老福利制度尚不完善，地区经济不发达，老年人处于缺少人甚至没有人看护的境地。

在日常生活中，厨房，浴室，卫生间等一些潮湿且容易滑倒的地方，老年人容易滑倒而损害身体健康，严重的则会导致生命危险。

若老年人自身患有脑溢血、心脏病等疾病，而不能经受剧烈运动时，摔倒还可能会威胁到老年人的生命安全。

所以在老年人容易摔倒的地方部署用于摔倒检测的设施显得尤为重要。

针对老年人的摔倒行为，摔倒检测技术能够实时检测，并及时通知家人或医护人员，使长者能够得到及时援助。

根据采用传感方式的不同，现有的摔倒检测技术可分为以下三类：视觉、穿戴式和环境部署式。

接下来，将分别探讨每类跌倒检测技术的系统组成、特点及其应用场合。

1 基于视觉的摔倒检测技术1.1 系统构成目前基于视觉的摔倒检测是利用一些摄像装置收集人体视频图像信息，采用图像处理技术处理图像信息并从中提取出人体摔倒特征，然后经过分析得到人体运动状态。

检测是从各种复杂程度不一的运动信息中辨识出运动目标，并剔除掉冗余的信息, 从而完成获取状态、姿态识别等后续任务。

其中，对于运动信息的提取、处理和分析显得比较重要，其处理与分析效果的好坏将直接影响后续的动作识别以及行为理解等环节。

袁杰[2]提出了基于人体比例特征和基于HOG、SVM两种摔倒检测算法。

蔡祎男[3]采用摄像头采集人体运动视频图像,通过高斯混合模型识别运动目标并提取出目标特征，然后通过这些特征得到人体的运动状态,经过判断确定人体是否摔倒。

单片机控制的老人防跌倒系统硬件设计探讨一、引言老年人防跌倒系统是一种针对老年人跌倒引发的意外伤害而设计的辅助设备。

随着人均寿命的延长和老龄化问题的日益突出，老年人的健康和安全问题备受关注。

因此，研发一种能够及时检测老人跌倒并及时报警的防跌倒系统具有重要的现实意义。

本文将探讨一种基于单片机的老人防跌倒系统的硬件设计方案。

二、硬件设计方案（一）嵌入式单片机嵌入式单片机作为老人防跌倒系统的核心控制部件，负责采集和处理各种传感器信号，并实现与其他硬件模块的通讯和控制。

可以选择性能稳定、功耗低的常见单片机，如STM32系列、ATmega系列等。

通过编程控制，实现对传感器数据的采集、数据处理算法的运行和报警功能的触发。

（二）三轴加速度传感器三轴加速度传感器用于检测老人的行为动作，如跌倒、活动强度等。

通过感应老人身体的加速度变化，来判断是否发生了跌倒事件。

常用的三轴加速度传感器有MPU6050、ADXL345等，可直接通过I2C或SPI接口与单片机通讯。

（三）压力传感器压力传感器用于检测老人是否跌倒。

可将其放置在老人常踩的位置，如床底下、地面上。

一旦老人发生跌倒，传感器就会感应到来自地面的冲击并进行判断，通过与单片机的通讯，触发报警系统。

常见的压力传感器有薄膜式压力传感器、压阻式压力传感器等。

（四）红外传感器红外传感器用于检测老人是否离开了指定区域，如床边或房间门口。

通过发射和接收红外信号，并进行距离的计算，可以实现老人是否越过了限定区域。

常用的红外传感器有红外对射传感器、红外反射传感器等。

将红外传感器放置在限定区域进行监测，一旦老人离开区域，即触发报警系统。

（五）无线通信模块无线通信模块用于将报警信号发送给监护人或医护人员。

可以选择WiFi模块、蓝牙模块、GSM模块等进行数据传输。

通过与监护人的手机或电脑相连接，实现实时的数据传输和报警信息的发送。

（六）功放与喇叭功放与喇叭用于播放报警音。

当系统检测到老人发生跌倒或离开限定区域时，通过控制功放输出报警音，提醒附近的人员注意。

一文深度了解加速度传感器的应用场景加速度传感器有两种：一种是角加速度传感器，是由陀螺仪改进过来的。

另一种就是线加速度传感器。

它也可以按测量轴分为单轴、双轴和三轴加速度传感器。

现在，加速度传感器广泛应用于游戏控制、手柄振动和摇晃、汽车制动启动检测、地震检测、工程测振、地质勘探、振动测试与分析以及安全保卫振动侦察等多种领域。

下面就举例几种应用场景，更好的认识加速度传感器。

三轴加速度传感器的应用1、车身安全、控制及导航系统中的应用加速度传感器已被广泛应用于汽车电子领域，主要集中在车身操控、安全系统和导航，典型的应用如汽车安全气囊（Airbag）、ABS 防抱死刹车系统、电子稳定程序（ESP）、电控悬挂系统等。

目前车身安全越来越得到人们的重视，汽车中安全气囊的数量越来越多，相应对传感器的要求也越来越严格。

整个气囊控制系统包括车身外的冲击传感器（Satellite Sensor）、安置于车门、车顶，和前后座等位置的加速度传感器（G-Sensor）、电子控制器，以及安全气囊等。

电子控制器通常为16位或32位MCU，当车身受到撞击时，冲击传感器会在几微秒内将信号发送至该电子控制器。

随后电子控制器会立即根据碰撞的强度、乘客数量及座椅/安全带的位置等参数，配合分布在整个车厢的传感器传回的数据进行计算和做出相应评估，并在最短的时间内通过电爆驱动器（Squib Driver）启动安全气囊保证乘客的生命安全。

通常仅靠ABS和牵引控制系统无法满足车辆在弯曲路段上的行车安全要求。

该场合下电子稳定性控制系统(ESC) 就能够通过修正驾驶员操作中的转向不足或过度转向，来控制车辆使其不偏离道路。

该系统通过使用一个陀螺仪来测量车辆的偏航角，同时用一个低重力加速度传感器来测量横向加速度。

将所得测量数据与通过行驶速度和车轮倾斜角两项数据计算得到的结果进行比对，从而调整车辆转向以防止发生侧滑。

除了车身安全系统这类重要应用以外，目前加速度传感器在导航系统中的也在扮演重要角色。