1、智慧养老之身体摔倒预警和检测系统需求分析河南大学 0智慧养老之身体摔倒预警和检测系统需求分析编辑人：郭飞智慧养老之身体摔倒预警和检测系统需求分析河南大学 1摘 要21 世纪的中国将是一个不可逆转的老龄社会，随着社会的飞速发展，人口老龄化的趋势逐年增加。伴随而来老年人这一群体的明显弱点也逐渐体现出来易跌倒，正因为这个弱点，使得许多老年人不敢出行。因此，在手机上开发一项检测老年人跌倒的软件系统是必要的。本文研究和探讨了在不同情况下发生跌倒时，利用加速度传感器，在 30 秒内判断出是否发生跌倒，并且在发生跌倒后，软件将会调用 SMS 的相关函数将发送短信息给该老人的监护人。 本文拟提出一种基于 An
2、droid 平台的老年人跌倒检测远程报警系统，在便携性的基础上，在老年人跌倒的第一时间发出讯息通知其监护人。智慧养老之身体摔倒预警和检测系统需求分析河南大学 2目 录1 绪论 .21.1 研究背景及研究意义 .31.1.1 研究背景 .31.1.2 研究意义 .31.2 国内外研究现状 .31.3 课题的提出 .32 人体摔倒检测技术 .32.1 运动控制器技术 .32.1.1 运动控制器技术概念 .32.1.2 运动控制器模型 .32.2 传感器技术 .32.2.1 传感器技术概念 .32.2.2 传感器模型及选择 .32.3 无线通信技术 .62.3.1 无线通信技术概念 .62.3.2
3、无线通信的模型及选择 .63 摔倒检测算法的设计与实现 .63.1 人体运动加速度模型 .63.2 加速度数据分析 .63.2.1 坐标分析 .63.2.2 人体姿态与体位分析 .63.3 摔倒检测算法设计 .64 摔倒检测系统的设计 .64.1 摔倒检测系统的系统结构 .64.1.1 摔倒检测系统的功能模块 .64.1.2 摔倒检测系统的工作流程 .74.2 摔倒检测服务的设计 .74.2.1 摔倒检测服务模块 .74.2.2 摔倒检测服务工作流程 .74.3 摔倒检测系统的用户设置程序 .74.3.1 摔倒检测系统的用户设置模块 .74.3.2 摔倒检测系统的用户设计界面 .75 摔倒检测
4、系统的检测分析 .85.1 摔倒检测系统的检测工具 .85.2 摔倒检测系统的数据分析 .86 总结与展望 .86.1 本文总结 .86.2 展望未来 .8智慧养老之身体摔倒预警和检测系统需求分析河南大学 3参考文献 .8致谢 .81 绪论随着老龄化的发展，老年人的健康问题已经成为当前突出的问题。由于老年人的认知水平、平衡协调能力、视力、听力均有不同程度的下将，以及脑血管病、骨质疏松等慢性疾病的增多，老年人发生跌倒事件的机会大大增多，形成明显的群体特征易跌倒，所产生的后果更加严重。1.1.1 研究背景2009 年开始，我国迎来进入人口老龄化社会以来的第一次老年人口增长高峰，老年人口增速加快，高
5、龄老人和丧失生活 自理能力的老人大幅增加，空巢化趋势日益突出。截止 2008 年底，我国 60岁以上老年人口已接近一亿六千万人，占总人口的 12%，也就是说全国人口将近八分之一是老年人。随着老龄化的加重，中国老年人的比重越来越大，2011 年我国老年人口比重达 13.7%。截至 2011 年第底，根据全国老龄委的统计，中国 60 岁及以上的老年人口约有 1.9亿，占总人口的 14%。2013 年，这一数字将突破 2 亿，预计到 2050年老年人口将达到全国人口的三分之一。民政部的数据表明，至 2012 年 10 月，我国城乡空巢家庭超过50%，部分大中城市达到 70%，其中近一成的老人单身。预
6、计到“十二五”期末，65 岁以上的空巢老人将超过 5100 万。这些空巢老人智慧养老之身体摔倒预警和检测系统需求分析河南大学 4得不到应有的生活照料，生病也无人照顾，情感慰藉更是无从谈起。老年人容易跌倒，其发生规律是年龄越大，跌倒的发生率越高，而且女性比男性多。跌倒后，由于骨质疏松易引起股骨颈和脊椎骨折，后果较为严重，除不能行走和生活难于自理外，还可因长期卧床引起多种并发症，损害老人身心健康。现在大多数家庭只有一个孩子，孩子成家立业后，独居老人将越来越多，倘若没有保姆的照顾，老人人身安全将成为子女时刻担忧的事情。因此，研究一个老人摔倒检测软件是必需的，解决现代年轻人因工作繁忙，而对家庭老人的健
7、康安全的担忧的问题，使其安心上班。 1.1.2 研究意义跌倒导致了巨额的医疗费用，我国每年至少将近 2000 万老年人发生 2500 万次跌倒，导致的医疗费用在 50 亿人民币以上，社会代价约为 160800 万亿人民币。跌倒对老年人的心理也会产生持续的影响和危害，老年人跌倒后害怕再次跌倒，因此生活的独立性和灵活性就降低了，Janine 曾经对 9096 名老人做过调查，其中有一半的老年人害怕跌倒影响日常生活能力，这样导致他们对自身身体机能自信心的下降，会反过来限制行为能力，进一步增加跌倒的可能性。因此，研制开发专为老人服务的产品-智慧养老之身体摔倒预警和检测系统，不影响老年人的正常生活情况下
8、，准确的将跌倒事件与日常生活事件区分开来，并且在发生跌倒事件时，及时的向智慧养老之身体摔倒预警和检测系统需求分析河南大学 5子女发送警告信息并报警联系救护，这对于提高老年人的生活质量，保证我国社会的安稳发展具有重要的作用。1.2 国内外研究现状随着计算机技术及通信技术的发展，通过便携式电子装置对人体跌倒进行检测成为可能。目前，国外已有关于老年人远程跌倒监测系 统，特别是美国，日本和法国，近些年来很多的大学研究院所和研科单位在政府和社会的支持下，也进行了相关的技术研究。如：A.Blake borough 设计的基于房间内地板振动检测的跌倒检测器。A.Six smith 等研制的基于红外信号和图像
9、信息的检测器。但是由于受成本、便携性及应用范围的局限性的影响而使其应用推广受到限制。国际 Gerontechnology 学会于 1997 年 9 月在欧洲成立，“研发设计相关的技术产品和设备以及环境，让老年人可以更健康，更舒适，更安全的独立生活和参与社会活动”是该学会的宗旨。2005 年5 月底，第五届世界 Gerontechnology 学会会议“老龄化社会职能技术：让老年人能够更自信的、长久的、健康的、自尊的幸福生活”，在日本古屋召开。国内尚无关于跌倒远 程监测的产品，但关于跌倒监测算法和系统设计的研究较多，如：赵祥欣等以三维加速度传感器为基础，采用了三维加速度传感器 MMA726O、处
10、理器 MSP430F149 及通讯模块的结构组合方案，搭建了三维加速度监测系统，提出了以 SVM 或 SMA为特征量，以人体活动、静息状态及姿态为辅助判据的算法，取得智慧养老之身体摔倒预警和检测系统需求分析河南大学 6了 90%以上的识别准确率。谢开明等设计的基于 GPRS 的跌倒检测报警系统，在 SMV 阈值算法基础上辅以倾角检测，提高了算法的有效性， 能更有效的区分日常生活及跌倒。1.3 课题的提出老年人跌倒是生理、心理、社会、环境因素共同作用的结果，目前关于老年人跌倒危险性尚无明确有效的 检测方法及评估方法，因此，早期发现并获得相应的治疗，是降低伤残率和死亡率的关键。随着我国老龄化的发展
11、及受独生子女政策的影响，“空巢老人”逐 渐增多，而社区医疗发展不到位，很难及时发现老年人跌倒等意外伤害，更不能使老年人在跌倒的第一时间内得到有效的救治，因此发展远程跌倒监测系统具有极为重要的意义。2 人体摔倒检测技术本章主要介绍检测人体摔倒的相关技术：控制器技术、传感器技术、无线通讯技术。使更精确的判断人体是否真正摔倒。2.1 运动控制器技术控制器（英文名称：controller）是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指
12、挥整个计算机系统的操作。2.1.1 运动控制器技术概念运动控制器利用高性能微处理器及大规模可编程器件实现伺候智慧养老之身体摔倒预警和检测系统需求分析河南大学 7电机的多轴协调控制，将实现运动控制的底层软件和硬件集成在了一起具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能。与传统的数控装置相比，运动控制器具有以下特点：1、技术更新。功能更加强大，可以实现多种运动轨迹的控制。2、结构形式模块化。可以方便地组合，简历适用于不同场合的控制系统。3、操作简单。在 PC 机上经简单编程即可实现运动控制，不需要专门的数控技术。目前，运动控制器的应用广泛，可以说只要有伺服电机应用的场合就离不开运动控制器。2.1.
13、2 运动控制器模型计算机I S PD S P通讯接口数字电路控制程序运动控制器外围接口电路图 2.1 运动控制器总体功能结构图智慧养老之身体摔倒预警和检测系统需求分析河南大学 8数据交互区指令存储区指令缓冲区通信接口D S P核心管理程序数据交换数据交换数据交换数据交换数据交换数据 交换数据执行区数据缓冲区数据交换数据交换图 2.2 运动控制器存储模块结构图2.2 传感器技术作为物联网的一项重要支撑技术，传感器网络是以感知为目的，实现人与人、人与物、物与物全面互连的网络。其突出特征是通过传感器等方式获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通信等网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进
14、行分析处理，从而提升对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。2.2.1 传感器技术概念1）国家标准传感器定义在国家表混 GB/T 7665-2005传感器通用术语中，传感器（transducer/sensor）被定义为：“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常有敏感元件和转换元件组成。敏感元件（sensing element），是指传感器中将敏感元件或响应的被测量的部分；转换元件（transducing element），是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。当输出为规定的表混信号时，转换元件则称为变送器（transmitte
15、r）。”智慧养老之身体摔倒预警和检测系统需求分析河南大学 92）美国仪表协会传感器定义美国仪表协会（Instument Society of America,ISA）的定义是：“传感器是把测量变换为有用信号的装置。它包括敏感元件、变换电路以及把这些元件和电路组合在一起的机构。”2.2.2 传感器模型及选择传感器的分类多种多样，有按原理、被测量、材料、工艺、对象、应用等不同分类。传感器按被测量分类一般的分类方法，可分为物理量、化学量、生物量三大类，通常按具体被测量主要有位移、压力、力、速度、温度、流量、气体成分、离子浓度等传感器。我国现行国家标准也是按被测量分类，这种分类无论从使用者选用还是产品水平评价都便于统一标准。以下简单介绍几种传感器模型：1）MEMS 压力传感器MEMS 压力传感器是硅微机械加工制成的传感器的首要类型，采用微电子和为机械加工技术制造的新型传感器，具有性能优良、体积小、质量小、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产，易于集成和实现智能化的特点。
