一種便攜式gsm&gps跌倒檢測(cè)器的研究與設(shè)計(jì)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明結(jié)合ADXL345三軸加速度傳感器、單片機(jī)和GPS&GSM等模塊實(shí)現(xiàn)意外跌倒的檢測(cè)和跌倒后位置信息的發(fā)送。本發(fā)明設(shè)計(jì)了完整的跌倒檢測(cè)的算法，包括失重狀態(tài)，與地面的撞擊，撞擊后的身體狀態(tài)與之前的狀態(tài)比較，靜止等跌倒的四個(gè)狀態(tài)。
【專利說(shuō)明】
一種便攜式GSM ?& GPS跌倒檢測(cè)器的研究與設(shè)計(jì)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明結(jié)合ADXL345，單片機(jī)和GPS&GSM模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)意外跌倒的檢測(cè)和跌倒后位置信息的發(fā)送。本發(fā)明有兩個(gè)主要功能:GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))和GPS(全球定位系統(tǒng))。本發(fā)明屬于檢測(cè)控制和通信領(lǐng)域，具有低成本，低功耗和可攜帶的特點(diǎn)。它可以應(yīng)用到電子工程和測(cè)繪領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]如今人類的壽命正變得越來(lái)越長(zhǎng)，隨著生活水平的提高和發(fā)展，老齡化的問(wèn)題也變得越來(lái)越明顯。對(duì)于年長(zhǎng)的人，由于身體機(jī)能的退化，很多意外事故很難避免，比如意外跌倒。很多老人在跌倒后失去意識(shí)從而延誤了急救的時(shí)機(jī)。這些悲劇的發(fā)生大多是因?yàn)槔先说购鬅o(wú)法通知親屬，即使老人保持清醒，也很難說(shuō)清跌倒的具體位置，以至于延誤了急救。所以意外跌倒的檢測(cè)和位置信息的發(fā)送對(duì)于救助意外跌倒都至關(guān)重要。
[0003]跌倒的檢測(cè)和警報(bào)對(duì)于急救非常重要。隨著三軸加速度傳感器和GPS模塊的發(fā)展，它們的體積已經(jīng)變得便于攜帶，我們將這些模塊組合以實(shí)現(xiàn)所需要的功能。本發(fā)明將設(shè)計(jì)算法處理三軸加速度傳感器的輸出，并用單片機(jī)AT89C52控制GSM&GPS模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)跌倒報(bào)警和位置信息發(fā)送，它能有效的減少意外帶來(lái)的損失。
[0004]通信技術(shù):
[0005]當(dāng)發(fā)生跌倒時(shí)，能夠及時(shí)的發(fā)出信息是非常重要的。所以輸出裝置不能受時(shí)間或空間的限制。正如我們所知，電磁波信號(hào)可以在自由空間傳輸。無(wú)線通信具有不使用有線傳輸來(lái)交換信息的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，在通信領(lǐng)域，無(wú)線通信已經(jīng)成為發(fā)展最迅速和應(yīng)用最為廣泛的通信技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)深入到我們的日常生活和工作的各個(gè)方面，包括移動(dòng)電話(蜂窩移動(dòng)通信)。
[0006]移動(dòng)通信全球系統(tǒng)(GSM)是目前公眾使用的最重要的數(shù)字移動(dòng)廣播標(biāo)準(zhǔn)。GSM已由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)標(biāo)準(zhǔn)化。GSM覆蓋了主要功能和必要的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)體，如協(xié)議體系結(jié)構(gòu)和速率適配。GSM是一個(gè)成功的典范，眾多跡象顯示，用戶希望在短期內(nèi)數(shù)據(jù)能服務(wù)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)端。對(duì)于GSM運(yùn)營(yíng)商，利用電路交換數(shù)據(jù)傳輸規(guī)定了無(wú)線資源管理的大型罰款。經(jīng)營(yíng)者必須使用分組交換的無(wú)線接口。分組交換允許在無(wú)線接口最優(yōu)化使用數(shù)據(jù)通道。以及以體積計(jì)費(fèi)而不是持續(xù)時(shí)間。GSM/GPRS和未來(lái)的UMTS運(yùn)營(yíng)商需要部署在業(yè)內(nèi)可用的最先進(jìn)和靈活的IP服務(wù)的架構(gòu)，以便有足夠的彈藥來(lái)打一場(chǎng)激烈的戰(zhàn)斗，贏得客戶群，保持低流失通過(guò)提供高水平的客戶滿意度和服務(wù)的訪問(wèn)可預(yù)測(cè)性，并維持較高的利潤(rùn)率。
[0007]網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)分為多個(gè)不連續(xù)的部分，一個(gè)GSM網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)包括:
[0008]1.基站子系統(tǒng)-基站和控制器的說(shuō)明。
[0009]2.網(wǎng)絡(luò)和交換子系統(tǒng)-與固定網(wǎng)絡(luò)最相似的一部分網(wǎng)絡(luò)，只是有時(shí)被稱為“核心網(wǎng)絡(luò)”。
[0010]3.GPRS核心網(wǎng)-允許基于分組的網(wǎng)絡(luò)連接可選部分。
[0011]4.運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)(OSS)-網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。
[0012]定位技術(shù):
[0013]全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)徹底改變了導(dǎo)航和定位。對(duì)于大多數(shù)艦艇和飛機(jī)，這是導(dǎo)航的主要手段。同時(shí)還被廣泛應(yīng)用于測(cè)量和許多其他領(lǐng)域。GPS系統(tǒng)，最初被稱為NAVSTAR，是一個(gè)引導(dǎo)導(dǎo)彈，軍艦和飛機(jī)對(duì)他們的目標(biāo)軍事導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0014]目前，全球定位系統(tǒng)已全面投入使用，并符合成立于20世紀(jì)60年代的最佳定位系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)提供了精確的，連續(xù)的，世界范圍的，三維的位置和速度信息，為用戶提供合適的接收設(shè)備。GPS也以協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)的形式傳播。該衛(wèi)星星座名義上由24顆衛(wèi)星安排在6個(gè)軌道平面，每個(gè)平面4顆衛(wèi)星。GPS可以為任意數(shù)量的用戶提供服務(wù)因?yàn)橛脩艚邮掌魇潜粍?dòng)的。
[0015]全球定位系統(tǒng)由三部分?？臻g部分目前共有28顆衛(wèi)星，每一顆都在位于地球11000海里以上的軌道中。用戶段包括接收器，你可以拿在手中，或安裝在你的車?？刂撇糠钟煞植荚谑澜绺鞯匾源_保衛(wèi)星正常工作的地面站組成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的關(guān)鍵點(diǎn)是建立ADXL345和AT89C52之間的通信和跌倒檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)，
[0017]1.通信協(xié)議
[0018]ADXL345是一個(gè)高靈敏度的大量程的三軸加速度傳感器。我們將用ADXL345的三軸加速度輸出來(lái)檢測(cè)跌倒。
[0019]我們可以用SPI通信協(xié)議來(lái)建立ADXL345和AT89C52之間的通信，但是，SPI通信協(xié)議在主機(jī)和從機(jī)都缺少流控制和應(yīng)答。主機(jī)不知道從機(jī)是否忙碌所以需要復(fù)雜的軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)之間的應(yīng)答。I2C通信協(xié)議雖然傳輸速率沒(méi)有SPI快，但是存在完善的應(yīng)答機(jī)制，它可以滿足我們的設(shè)計(jì)要求所以選擇了 I2C通信協(xié)議。
[0020]I2C只有兩條總線線路，一條是串行數(shù)據(jù)線(SDA)，一條是串行時(shí)鐘線(SCL)。SDA負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，SCL負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘同步。I2C有7位或10位地址空間。常見(jiàn)的I2C總線的速度是標(biāo)準(zhǔn)模式100kbit/s和低速模式10kbit/s，但任意低時(shí)鐘頻率也是允許的。比特率被引用來(lái)處理主機(jī)和從機(jī)沒(méi)有時(shí)鐘線拉伸或其他硬件開(kāi)銷。協(xié)議開(kāi)銷包括從機(jī)地址，也許也有從設(shè)備中的寄存器地址中每一位的應(yīng)答信號(hào)。
[0021 ] 2.基本算法思路
[0022]設(shè)計(jì)一個(gè)跌倒檢測(cè)產(chǎn)品的第一步就是分析跌倒過(guò)程中的各個(gè)狀態(tài)。一般來(lái)講，當(dāng)人意外跌倒時(shí)，一共經(jīng)歷4個(gè)步驟，如下:失重狀態(tài)，與地面的撞擊，撞擊后的身體狀態(tài)與之前的狀態(tài)比較，靜止。很多運(yùn)動(dòng)的加速度狀態(tài)和跌倒有著很大不同。
[0023]但是，在平常的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，有許多相似的身體狀態(tài)和上面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同。比如跳躍，他們同樣能產(chǎn)生失重和撞擊。但是在跳躍之后，人體將恢復(fù)到跳躍之前的身體狀態(tài)，可以區(qū)分這類運(yùn)動(dòng)。所以我們能比較撞擊前后的三軸加速度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)區(qū)分那些會(huì)恢復(fù)原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的活動(dòng)和意外跌倒，比如跳躍，跑步等。
[0024]最難判斷的是坐下之后保持靜止。我們可以從失重的時(shí)間和三軸加速度和來(lái)區(qū)分它和意外跌倒。跌倒撞擊的三軸加速度和遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于坐下時(shí)產(chǎn)生的三軸加速度和。我們可以設(shè)立失重閥值來(lái)區(qū)分跌倒和其他運(yùn)動(dòng)之后可能產(chǎn)生靜止的活動(dòng)。我們的算法就是基于以上對(duì)身體活動(dòng)的分析來(lái)建立的。
【具體實(shí)施方式】
[0025]實(shí)現(xiàn)跌倒檢測(cè)的算法，首先需要建立三軸加速度傳感器ADXL345和單片機(jī)STC89C52之間的通信。使用I2C通信協(xié)議從ADXL345向總線傳輸數(shù)據(jù)。它和數(shù)據(jù)的采集和傳輸有關(guān)。1.ADXL345和STC89c52之間的數(shù)據(jù)傳輸
[0026]在我們的發(fā)明中，我們只有一個(gè)主機(jī)STC89C52和一個(gè)從機(jī)ADXL345。開(kāi)始信號(hào)
(S):當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，表示將要開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)；結(jié)束信號(hào)(P):當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，表示結(jié)束傳輸數(shù)據(jù)；
[0027]響應(yīng)信號(hào)(ACK):從機(jī)接收到8位數(shù)據(jù)后，在第9個(gè)周期，拉低SDA電平，表示已經(jīng)收到數(shù)據(jù)。這個(gè)ACK信號(hào)稱為應(yīng)答信號(hào)。
[0028]主機(jī)STC89C52用數(shù)據(jù)線SDA來(lái)向從機(jī)ADXL345傳輸數(shù)據(jù)，用時(shí)鐘線控制。具體過(guò)程如下:
[0029]1.當(dāng)STC89C52檢測(cè)到ADXL345空閑時(shí)，主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)；
[0030]2.主機(jī)STC89C52向從機(jī)ADXL345發(fā)送8位數(shù)據(jù)。這8位數(shù)據(jù)的前7位表示從機(jī)地址，第8位表示數(shù)據(jù)的傳輸方向。這時(shí)，第8位為O，表示是主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；
[0031]3.從機(jī)ADXL345發(fā)出響應(yīng)信號(hào)ACK;
[0032]4.從機(jī)ADXL345傳輸一系列的字節(jié)和響應(yīng)位；
[0033]5.主機(jī)STC89C52接受這些數(shù)據(jù)，并發(fā)出結(jié)束信號(hào)P，完成本次數(shù)據(jù)傳輸。
[0034]當(dāng)ADXL345向總線發(fā)送一個(gè)字節(jié)時(shí)，它必須從最高字節(jié)開(kāi)始單字節(jié)向總線傳輸數(shù)據(jù)。我們用dat << = I來(lái)將ADXL345輸出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)左移，將最高位移入PSD寄存器CY位中然后將CY賦給SDA，進(jìn)而在SCL的控制下發(fā)送出去。用FOR語(yǔ)句循環(huán)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。每傳輸一字節(jié)數(shù)據(jù)從ADXL345收一個(gè)應(yīng)答ACK。
[0035]類似的，當(dāng)STC89C52從總線讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，我們同樣用dat <<= I來(lái)左移數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在STC89C52的寄存器中。
[0036]2.主程序
[0037]控制算法
[0038]根據(jù)跌倒的過(guò)程，主要的變量是三軸加速度矢量和。
[0039]當(dāng)人走路或者保持靜止時(shí)，三軸加速度矢量和一般保持在一個(gè)g左右。但是，當(dāng)人們跌倒并撞擊地面時(shí)，三軸加速度矢量和會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值，超過(guò)一個(gè)g。所以我們?cè)O(shè)立閥值來(lái)判斷是否撞擊了地面。但是很多劇烈的運(yùn)動(dòng)比如說(shuō)跳躍后落地也將是三軸加速度矢量和大于一個(gè)g。當(dāng)人們跌倒后，一般三軸加速度的狀態(tài)不同于之前的走路或者靜止當(dāng)人們跳躍后，會(huì)回復(fù)到原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。所以，我們會(huì)對(duì)撞擊地面前和撞擊地面后的三軸加速度狀態(tài)來(lái)區(qū)分這兩種情況。
[0040]當(dāng)人們跌倒后，如果能夠自己爬起來(lái)，跌倒檢測(cè)的警報(bào)應(yīng)該被解除。如果長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)，這就說(shuō)明這個(gè)人不能自己自救，此時(shí)這個(gè)儀器就應(yīng)該通知親屬，報(bào)警可能發(fā)生了跌倒的狀況。所以我們?cè)O(shè)立一定的時(shí)間閥值來(lái)檢測(cè)他是否保持靜止，如果保持靜止，也許他摔倒后昏倒，就需要發(fā)送警報(bào)。
[0041]最初的想法是這樣的。x，y，z的三周加速度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)STC89C52中，在對(duì)數(shù)據(jù)格式處理完后，我們可以的三軸的加速度值，每1000表示I個(gè)g。我們將閥值設(shè)立為1200就是1.2個(gè)g，這樣就可以區(qū)分意外跌倒和走路，靜止或者搖擺產(chǎn)生的三軸加速度矢量和從而區(qū)分這些運(yùn)動(dòng)。
[0042]如果三軸加速度的矢量和比閥值1.2g更小，當(dāng)然該設(shè)備將不會(huì)發(fā)送報(bào)警。它會(huì)檢測(cè)后200毫秒，仍然在狀態(tài)I。如果3軸加速度的矢量和大于1.2g，它會(huì)進(jìn)入到下一個(gè)檢測(cè)步驟II。檢測(cè)到撞擊的3.5秒后，將3.5秒之前保存的3軸加速度矢量和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較_。如果數(shù)據(jù)是一樣的，它說(shuō)明了也許這個(gè)人只是跳躍但恢復(fù)到普通運(yùn)動(dòng)，報(bào)警狀態(tài)將會(huì)被清除。如果數(shù)據(jù)是與3.5秒前的不同，它說(shuō)明了人還沒(méi)有恢復(fù)到運(yùn)動(dòng)以前的狀態(tài)，也許他是摔倒后暈倒了。在第二種情況下，將進(jìn)入狀態(tài)III。在這種狀態(tài)下，跌倒檢測(cè)和身體的狀態(tài)與3.5秒以前不同的是，狀態(tài)III將進(jìn)入到狀態(tài)IV，如果人們可以起身和移動(dòng)，報(bào)警應(yīng)該被解除，如果他不能移動(dòng)了，并且持續(xù)了很長(zhǎng)的時(shí)間，這說(shuō)明也許他可能跌倒并無(wú)法自助需要?jiǎng)e人的幫助幫助。該設(shè)備應(yīng)發(fā)送警報(bào)消息，并發(fā)送位置信息提供給親友。我設(shè)置保持靜止的時(shí)間閥值是10秒。
[0043]然而，有一些情況下仍然會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的判斷。如劇烈坐下并之后保持靜止。所以我們添加了一個(gè)失重的判斷。坐下和意外跌倒一段失重，但坐下的失重遠(yuǎn)小于意外跌倒，因?yàn)樽率怯杉∪饪刂?，不?huì)造成大的失重。我們?cè)O(shè)定的閾值0.7g區(qū)分坐著和倒下。
[0044]另外還有一個(gè)問(wèn)題。保持靜止的時(shí)間閥值檢測(cè)是10秒。也許無(wú)意識(shí)的運(yùn)動(dòng)可以在靜止?fàn)顟B(tài)下的解除報(bào)警。實(shí)際上意外跌倒的人仍然在昏迷。因此，我們需要增加容錯(cuò)率。解決辦法是取10秒前和10秒后的三周加速度并除以100，取整數(shù)。這個(gè)解決方案可以排除倒下后無(wú)意識(shí)運(yùn)動(dòng)的干擾。
[0045]最后，我們的算法的概要過(guò)程如下:初始化后，設(shè)備開(kāi)始檢測(cè)失重，它是狀態(tài)I。如果該裝置的三軸加速度小于0.7g，則程序進(jìn)入到狀態(tài)II。如果在200毫秒時(shí)，該設(shè)備檢測(cè)到撞擊的三軸加速度的矢量和大于1.2G，這意味著產(chǎn)生了碰撞，則進(jìn)入狀態(tài)III。在狀態(tài)III，設(shè)備將撞擊前狀態(tài)和3.5秒之前后的狀態(tài)進(jìn)行比較。如果狀態(tài)是不同的，它會(huì)進(jìn)入到狀態(tài)IV。在狀態(tài)IV，如果身體仍保持相對(duì)靜止的的，該設(shè)備將進(jìn)入狀態(tài)V和發(fā)送警報(bào)和意外跌倒的位置。
[0046]3.GPS 和 GSM 模塊
[0047]該模塊是一個(gè)成品模塊，功能是這個(gè)模塊有一個(gè)按鈕并設(shè)定了手機(jī)號(hào)碼，如果按了按鈕就可以撥打電話給特定的手機(jī)。有這個(gè)模塊的另一個(gè)功能，我們可以將消息發(fā)送給它，它會(huì)反饋該模塊的位置。它完全符合我們的要求。我們對(duì)它進(jìn)行了改造。我們通過(guò)單片機(jī)用光耦控制。如果設(shè)備檢測(cè)到跌倒就會(huì)撥打電話。如果老人不能回答，相關(guān)親屬就可以將消息發(fā)送到該模塊，模塊將反饋跌倒的位置信息。如果老人能回答，自己可以告訴親屬所處的位置，或告告訴親屬這是一個(gè)是誤報(bào)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.本發(fā)明結(jié)合ADXL345三軸加速度傳感器、單片機(jī)和GPS&GSM等模塊實(shí)現(xiàn)意外跌倒的檢測(cè)。2.跌倒的信息通過(guò)GPS&GSM等模塊及時(shí)發(fā)送到預(yù)留的手機(jī)用戶上。3.該發(fā)明中跌倒檢測(cè)的算法包括失重狀態(tài)，與地面的撞擊，撞擊后的身體狀態(tài)與之前的狀態(tài)比較，靜止等四個(gè)狀態(tài)。4.跌倒檢測(cè)的信息通過(guò)12C總線的方式進(jìn)行傳送。
【文檔編號(hào)】G08B21/04GK105894730SQ201410841648
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2014年12月26日
【發(fā)明人】陸婷
【申請(qǐng)人】陸婷