【正文】 在姿態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，重力將成為影響這一運動過程的主要因素。第二章 人體建模3第二章 人體建模 人體跌倒檢測的基本特征為了判斷出一個人的跌倒位置，根據(jù)實驗我發(fā)現(xiàn)有三個特征可以有效地捕捉人體跌倒。第四章從三塊設(shè)計（即系統(tǒng)方案設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，硬件設(shè)計）入手。其中傳感器測量對象的加速度矢量；處理器模塊負責(zé)采集加速度傳感器的數(shù)據(jù)，分析判斷對象的身體姿態(tài)并控制報警及報警信息的發(fā)布；電源模塊負責(zé)為整個系統(tǒng)提供電力供給；通信模塊負責(zé)將報警信息通過一定的協(xié)議進行發(fā)布。可見跌倒探測儀的意義非常重要。因此，意外摔倒如果得不到及時的救助，這種跌倒經(jīng)常會導(dǎo)致比較嚴重的后果。另外，跌倒會造成腦部損傷、軟組織損傷等傷害。10%15% 的跌倒可導(dǎo)致嚴重損傷，約5%引起骨折（主要是股骨外科頸與撓骨遠端） ，1/4為較嚴重的髖部骨折（股骨頸及粗隆間） ，且多發(fā)生于身體旋轉(zhuǎn)時的跌倒。跌倒既能直接損害老年人的機體，又能間接阻礙老年人的活動，降低生活質(zhì)量。與社會上一般老年人比較，那些生活在長期護理狀態(tài)下的老年人更易跌倒，在美國老年護理院，平均每年有一半以上能行走的老年人發(fā)生跌倒。在我國，上海中山醫(yī)院調(diào)查了738例老年患者意外死亡的原因，%。日本有研究報道，股骨頸骨折幾乎全部是跌倒所致。老年人跌倒損傷可造成很大的醫(yī)藥護理花費，我國因老年人口比例高，基數(shù)大，這一花費可能更為巨大。當(dāng)出現(xiàn)跌倒情況時，如果能夠及時的通知其家人或所在地點的救助人員，將會大大減輕由于跌倒損傷對這些個體造成的傷害。跌倒探測儀由加速度傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、電源和通信模塊構(gòu)成。第三章對目前一些主流三軸加速度傳感器（熱對流式加速度傳感器，靜電懸浮式三軸加速度傳感器，壓電式加速度傳感器，壓阻式三軸加速度傳感器，MMA7260Q三軸向高靈敏度加速度傳感器）進行了簡單的介紹。最后對探測儀做了一些總結(jié)和展望。第三，如圖（c ）檢查人體跌倒事件通?？梢杂么怪蓖队爸狈綀D，因為在人體跌倒的短暫時間內(nèi)，跌倒者的垂直投影直方圖變化是非常明顯的。使用者正確佩戴跌倒探測器而且處于靜止或水平勻速運動狀態(tài)下，Y軸方向的加速度為重力加速度（g），其他兩個方向上加速度為0。因此，需要算法作進一步改進。的確，以往的加速度計傳感器由于其特定的工作原理和復(fù)雜的微機械加工工藝，導(dǎo)致其制造成本以及在小量程應(yīng)用領(lǐng)域的失效率居高不下，使其無法在消費類電子中得到廣泛的應(yīng)用。熱對流式加速度計是以氣態(tài)氣體作為質(zhì)量塊，同傳統(tǒng)的實體質(zhì)量塊相比具有很大的優(yōu)勢。在未受到加速度或水平放置時，溫度的下降陡度是以熱源為中心完全對稱的。在加速度傳感器內(nèi)部有兩條完全相同的加速度信號傳輸路徑：一條是用于測量 x 軸上所感應(yīng)的加速度，另一條則用于測量 y 軸上所感應(yīng)的加速度（見圖 31） 。從而使其能夠抵抗大于 50,000g 的沖擊。微粒數(shù)量越少，凈化級別越高，制造成本越高。巨大而密集的叉狀陣列的存在使得容感式加速度計很難擺脫此類失效。如果外界沖擊力的頻率與其共振頻率（2kHz 至 5kHz）相同，后果則更為嚴重。 熱對流式加速度計基于標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 制造工藝，使其圓片加工工序的成品率大大提高，全線成品率達到 90%以上。如果最終產(chǎn)品的工作溫度范圍是：10℃至 40℃，則最大將產(chǎn)生（25+10）2=70 mg 的漂移，相當(dāng)于︱70 17︱=4 度角度的變化，這是在10℃的惡劣情況下的漂移量。 對于一些測量精度較高的應(yīng)用，用戶可以選擇其低溫漂的器件（℃） 。其突出優(yōu)點是測量精度高，缺點是容易發(fā)生高壓擊穿，因而不能承受較大的加速度輸入。此類加速度計系統(tǒng)的測量精度已達 20ngn，理論設(shè)計分辨力高達 410 5 ngn。檢測質(zhì)量采用立方體結(jié)構(gòu)設(shè)計，由金屬材料制成。 電容位移檢測原理 不失一般性，此處僅討論一個方向（x 軸）位移的電容檢測原理，其它兩軸的檢測原理相同。 加速度測量原理 當(dāng)檢測質(zhì)量因加速度的輸入而發(fā)生位移時，引起電容變化，進而由控制電路產(chǎn)生反饋施力電壓 Uf，兩電極板電壓由原來的定值偏置電壓 Us 分別變?yōu)閁s+Uf 和 UsUf ，從而對檢測質(zhì)量產(chǎn)生靜電江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文10 （32）])()[(2122dUdSFfsfs?????式中　Us 為偏置電壓；U f=AΔC 為反饋施力電壓；A 為檢測電路增益。產(chǎn)生的加速度水平大約在 10 μg 量級（與航天器飛行高度、航天器結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、橫截面積、表面積以及大氣密度、太陽輻射、地球漫發(fā)射等因素有關(guān)） 。 設(shè)計結(jié)果與討論 據(jù)式（32）可知，當(dāng)反饋電壓等于偏置電壓時產(chǎn)生的靜電力達到最大值為 （36）2max)(1dUsSF??第三章 三軸加速度傳感器11故加速度傳感器能夠承受的最大輸入加速度為 （37）23maxadlSUFs???由式（35 ）知加速度傳感器的檢測靈敏度為 （38）sSlk?23根據(jù)以上設(shè)計參數(shù)計算出加速度傳感器的量程為 35 μg，靈敏度為 120 mV/μg。另外傳感器殼體應(yīng)有足夠的剛度，避免在裝配調(diào)試中殼體變形而影響到間隙尺寸。采取屏蔽措施可以減少這種寄生電容。 靜電懸浮式加速度傳感器以其高靈敏、高精度的優(yōu)點在各類加速度傳感器中占有一席之地。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。 經(jīng) 過 阻 抗 變 換 以 后 ， 方 可 用 于 一 般 的 放 大 、 檢 測 電 路將 信 號 輸 給 指 示 儀 表 或 記 錄 器 。圖 a 是中央安 裝壓縮型，壓電元件—質(zhì)量塊—彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。圖 c 為三角剪切形，壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。由于粘結(jié)劑會隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制 壓電式加速度計的靈敏度 壓電加速度計屬發(fā)電型傳感器，可把它看成電壓源或電荷源，故靈敏度有電壓靈敏度和電荷靈敏度兩種表示方法。 對給定的壓電材料而言，靈敏度隨質(zhì)量塊的增大或壓電元件的增多而增大。一般在殼體上用小紅點標(biāo)出最小橫向靈敏度方向，一個優(yōu)良的加速度計的橫向靈敏度應(yīng)小于主靈敏度的 3％。換句話講，壓電加速度計所用的前置放大器應(yīng)具有極高的輸入阻抗，把泄漏減少到測量準(zhǔn)確度所要求的限度以內(nèi)。電荷放大器以電容作負反饋，使用中基本不受電纜電容的影響。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前大部分壓電式加速度計在殼體內(nèi)都集成放大器，由它來完成阻抗變換的功能。同樣，這種傳感器也全部實現(xiàn)了內(nèi)置，具有替換磁電式速度傳感器的趨向。而采用恒流源供電，可以有效的消除溫度和擴散電阻不均勻所帶來的影響。它的 3 μA 睡眠模式、500 μA 低運行電流、 ms 的快速啟動響應(yīng)時間及 6 mm6 mm 的小巧包裝等其它特性更使圍繞 MMA7260Q 的設(shè)計活動輕松方便、經(jīng)濟高效。 三星電子發(fā)布的兩款數(shù)字音頻播放器（YHJ70 和 YPT8）中采用了這種傳感器。全方位感知 由于 MMA7260Q 傳感器能在三個軸向上靈敏地準(zhǔn)確測量到低重力水平的墜落、傾斜、移動、放置、震動和搖擺，各個行業(yè)的設(shè)計工程師都能得以致用。除了使用 MMA7269Q 傳感器的加速器解決方案外，我們的參照設(shè)計工具包還包括一個 MCU、一個 SCI 接口、一個按鈕、piezohorn 和一個帶有應(yīng)用代碼的串口連接及軟件。江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文18第四章 信號傳輸 引言跌倒報警必須及時送達救助中心才能夠保證救助的有效性，報警信息的及時發(fā)布要求包含兩層含義：其一是報警信息不會因為跌倒探測儀佩戴者的行動和所處的位置受到影響；其二，發(fā)布的報警信息中應(yīng)該包括佩戴者跌倒的地理位置內(nèi)容，這樣才能保證跌倒者得到有效救助。當(dāng)出現(xiàn)跌倒動作時。 4）空間定位，在實施跌倒報警時，應(yīng)為報警信息接收方提供報警地點的空間定位信息，保證有效救助及時到達。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)跌倒探測器的需求分析，具體的實現(xiàn)方案設(shè)計采用如圖41所示的架構(gòu)。MC9S08QG8芯片的PA 腳為復(fù)用通道，可根據(jù)需要設(shè)置為I/O、鍵盤中斷或A/D采樣通道。根據(jù)所選用器件的數(shù)據(jù)手冊，各組件對供電要求如圖42所示。MC9S08QG8自帶時鐘模塊（ICS ），為了降低功耗和簡化設(shè)計，本系統(tǒng)通過軟件設(shè)置相應(yīng)的控制寄存器實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘的上電穩(wěn)定工作，故在硬件電路設(shè)計中不需作過多的考慮。數(shù)據(jù)寫滿后，MCU自動將地址重置，從首地址開始覆蓋寫入新的數(shù)據(jù)。 液晶顯示 本設(shè)計采用5位7段碼液晶屏，計步器顯示計數(shù)和報警接受方電話號碼輸入都是通過該液晶屏提供給使用者確認。 通信模塊本設(shè)計采用AnyData公司的DTGS800b型OEM模塊。本設(shè)計中通過模塊的設(shè)計如圖43所示。 端口分配 由于本設(shè)計采用MC9S08QG8單片機僅能提供最多14個I/O端口，根本無法滿足控制整個系統(tǒng)運行的信號數(shù)量要求，故在進行具體設(shè)計時，對各管腳的使用和分配進行了專門的部署，如圖44所示。EEPROM和液晶驅(qū)動組件的存取采用I 2C接口，本設(shè)計中將使用MC9S08QG8的I 2C模塊經(jīng)行硬件控制，通過地址選擇實現(xiàn)不同組件間的切換。對用戶來說，佩戴正常工作的跌倒探測儀將能夠得到這些服務(wù)，而對MCU來說，每項功能的實現(xiàn)過程都是它將要處理的一項事務(wù)。江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文24計步器跌倒檢測報警處理無線通信控制主循環(huán)圖 46 事務(wù)處理的調(diào)用關(guān)系 針對某些項事務(wù)處理的實現(xiàn)，在軟件設(shè)計中采用了狀態(tài)機的方法以確保整個任務(wù)能夠順暢而正確地得以實現(xiàn)。2）液晶初始化通過指令初始化液晶驅(qū)動控制芯片HT1621B，完成液晶顯示器的初始化。 需要使用者經(jīng)行確認的系統(tǒng)信息的設(shè)定，是指跌倒探測器報警信息的接收方可以根據(jù)實際情況由使用者進行設(shè)定，例如親屬的移動電話或急救中心的固定座機（要求能夠接收短信）?！癆lam”鍵（啟動報警接收方號碼輸入、手機報警）：跌倒探測器一般工作模式下，長按（超過2秒）“Alam”鍵，啟動報警信息發(fā)布功能，適用于除跌倒情況外其他緊急情況；跌倒探測器一般工作模式下，按“Alam”鍵，跌倒探測器進入設(shè)置報警接收方號碼狀態(tài)，配合“Alter ”鍵實現(xiàn)號碼輸入；跌倒探測器進入報警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep ）時，按 “Alam”鍵，直接發(fā)布報警信息，然后關(guān)閉蜂鳴器；“Alter”鍵（計步器啟動、暫停、清零、取消報警、設(shè)置報警接收方號碼）：跌倒探測器一般工作模式下，按“Alter” 鍵在計步器啟動、暫停和清零三項功能之間切換；跌倒探測器進入報警接收方號碼輸入狀態(tài)時，“Alter”鍵執(zhí)行液晶顯示的數(shù)字加1的操作，數(shù)字從0~9循環(huán)；跌倒探測器進入報警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep ）時，按 “Alter”鍵取消報警。由于在實際使用過程中，身體隨邁步動作產(chǎn)生相應(yīng)的晃動同樣會引起加速度傳感器在三個正交坐標(biāo)軸方向上的輸出，因此在設(shè)計檢測算法時應(yīng)設(shè)定合適的加速度閥值。另外有研究顯示，人體發(fā)生的所有跌倒形態(tài)中，由于意識喪失造成的近似自由落體形式的跌倒占9%，步行過程中不慎跌倒占39%，上下樓過程產(chǎn)生的跌倒占20% ，轉(zhuǎn)身或登高取物過程發(fā)生的跌倒占24%，上下床或座椅時發(fā)生的跌倒占13% ，從事高風(fēng)險作業(yè)過程中出現(xiàn)的意外跌倒占12%。跌倒檢測的算法狀態(tài)機如圖48所示，跌倒檢測算法描述如下：1） 主循環(huán)等待，監(jiān)測Z軸加速度變化，如果超過閥值，進入下一步；第四章 信號傳輸272） 等待加速度恢復(fù)到正常范圍內(nèi)，進入下一步；3） 再設(shè)置延遲10秒，等待佩戴者狀態(tài)穩(wěn)定；4） 數(shù)據(jù)分析，如果發(fā)現(xiàn)佩戴者身體水平，認為發(fā)生跌倒?fàn)顩r，觸發(fā)報警處理。 針對上面提到的幾種情況，報警處理的軟件設(shè)計將加以區(qū)分對待： 檢測到跌倒后，系統(tǒng)啟動30S的倒計時器，并打開蜂鳴器，每3S 響一次，如果沒有收到任何輸入，30S結(jié)束后，系統(tǒng)自動發(fā)布報警信息； 進入30S倒計時后，蜂鳴器（beep ），系統(tǒng)可以響應(yīng)用戶輸入，跌倒探測器的兩個按鍵分別設(shè)置為“手動報警”和“取消報警”的功能，如果用戶按“手動報警”鍵，系統(tǒng)發(fā)布報警信息； 如果用戶按“取消”鍵，系統(tǒng)關(guān)閉30S倒計時和蜂鳴器，不作任何處理，直接返回計步器和跌倒檢測狀態(tài)。 按照上述方案設(shè)計完成的跌倒探測器樣機線路板如圖410所示，圖 410 樣機線路板兩視圖 左圖為帶有 CDMA 模塊線路，可見其下方是讀 SIM 卡電路。利用 LabVIEW 編制的電子筆數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序，把 LabVIEW 語言和 USB 總線緊密結(jié)合起來的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成兩者的優(yōu)點。電源采用 USB 供電， USB 輸出電壓為 +5 V，為節(jié)能采用 LM1117 將 +5 V 變換為 + V 供電。對于微控制器，PDIUSBD12 可以看成是一個有 8 位數(shù)據(jù)總線和 1 位地址線的存儲設(shè)備。　　/ /初始化 USB 事件標(biāo)志變量D12_COMMAND = D12_COMMAND_PORT。 　　/ /復(fù)位 PD IUSBD12reconnect_USB () 。根據(jù) USB 協(xié)議，任何傳輸都是由主機 (Host)開始的。在 USB 單片機程序中，要完成對各種令牌包的響應(yīng)，其中比較難處理的是 SETUP 包，主要是端口 0 的編程?！? /MCLK 為 XT2 不分頻。 /