【正文】 在姿態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，重力將成為影響這一運(yùn)動(dòng)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(cè)的基本特征為了判斷出一個(gè)人的跌倒位置，根據(jù)實(shí)驗(yàn)我發(fā)現(xiàn)有三個(gè)特征可以有效地捕捉人體跌倒。第四章從三塊設(shè)計(jì)（即系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)）入手。其中傳感器測(cè)量對(duì)象的加速度矢量；處理器模塊負(fù)責(zé)采集加速度傳感器的數(shù)據(jù)，分析判斷對(duì)象的身體姿態(tài)并控制報(bào)警及報(bào)警信息的發(fā)布；電源模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)提供電力供給；通信模塊負(fù)責(zé)將報(bào)警信息通過一定的協(xié)議進(jìn)行發(fā)布。可見跌倒探測(cè)儀的意義非常重要。因此，意外摔倒如果得不到及時(shí)的救助，這種跌倒經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致比較嚴(yán)重的后果。另外，跌倒會(huì)造成腦部損傷、軟組織損傷等傷害。10%15% 的跌倒可導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p傷，約5%引起骨折（主要是股骨外科頸與撓骨遠(yuǎn)端） ，1/4為較嚴(yán)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(shí)的跌倒。跌倒既能直接損害老年人的機(jī)體，又能間接阻礙老年人的活動(dòng)，降低生活質(zhì)量。與社會(huì)上一般老年人比較，那些生活在長(zhǎng)期護(hù)理狀態(tài)下的老年人更易跌倒，在美國(guó)老年護(hù)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(guó)，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(bào)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(hù)理花費(fèi)，我國(guó)因老年人口比例高，基數(shù)大，這一花費(fèi)可能更為巨大。當(dāng)出現(xiàn)跌倒情況時(shí)，如果能夠及時(shí)的通知其家人或所在地點(diǎn)的救助人員，將會(huì)大大減輕由于跌倒損傷對(duì)這些個(gè)體造成的傷害。跌倒探測(cè)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(duì)目前一些主流三軸加速度傳感器（熱對(duì)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(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。最后對(duì)探測(cè)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?yàn)樵谌梭w跌倒的短暫時(shí)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(cè)器而且處于靜止或水平勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，Y軸方向的加速度為重力加速度（g），其他兩個(gè)方向上加速度為0。因此，需要算法作進(jìn)一步改進(jìn)。的確，以往的加速度計(jì)傳感器由于其特定的工作原理和復(fù)雜的微機(jī)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(fèi)類電子中得到廣泛的應(yīng)用。熱對(duì)流式加速度計(jì)是以氣態(tài)氣體作為質(zhì)量塊，同傳統(tǒng)的實(shí)體質(zhì)量塊相比具有很大的優(yōu)勢(shì)。在未受到加速度或水平放置時(shí)，溫度的下降陡度是以熱源為中心完全對(duì)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(hào)傳輸路徑：一條是用于測(cè)量 x 軸上所感應(yīng)的加速度，另一條則用于測(cè)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(jí)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(jì)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(yán)重。 熱對(duì)流式加速度計(jì)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(dá)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(duì)于一些測(cè)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(diǎn)是測(cè)量精度高，缺點(diǎn)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(jì)系統(tǒng)的測(cè)量精度已達(dá) 20ngn，理論設(shè)計(jì)分辨力高達(dá) 410 5 ngn。檢測(cè)質(zhì)量采用立方體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由金屬材料制成。 電容位移檢測(cè)原理 不失一般性，此處僅討論一個(gè)方向（x 軸）位移的電容檢測(cè)原理，其它兩軸的檢測(cè)原理相同。 加速度測(cè)量原理 當(dāng)檢測(cè)質(zhì)量因加速度的輸入而發(fā)生位移時(shí)，引起電容變化，進(jìn)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(duì)檢測(cè)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(cè)電路增益。產(chǎn)生的加速度水平大約在 10 μg 量級(jí)（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(yáng)輻射、地球漫發(fā)射等因素有關(guān)） 。 設(shè)計(jì)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(shí)產(chǎn)生的靜電力達(dá)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(cè)靈敏度為 （38）sSlk?23根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)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(diǎn)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(jì)受振時(shí)，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(cè) 電 路將 信 號(hào) 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(huì)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(jì)的靈敏度 壓電加速度計(jì)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(duì)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(diǎn)標(biāo)出最小橫向靈敏度方向，一個(gè)優(yōu)良的加速度計(jì)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(jì)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(cè)量準(zhǔn)確度所要求的限度以內(nèi)。電荷放大器以電容作負(fù)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(jì)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(shí)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(kuò)散電阻不均勻所帶來的影響。它的 3 μA 睡眠模式、500 μA 低運(yùn)行電流、 ms 的快速啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間及 6 mm6 mm 的小巧包裝等其它特性更使圍繞 MMA7260Q 的設(shè)計(jì)活動(dòng)輕松方便、經(jīng)濟(jì)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(gè)軸向上靈敏地準(zhǔn)確測(cè)量到低重力水平的墜落、傾斜、移動(dòng)、放置、震動(dòng)和搖擺，各個(gè)行業(yè)的設(shè)計(jì)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(jì)工具包還包括一個(gè) MCU、一個(gè) SCI 接口、一個(gè)按鈕、piezohorn 和一個(gè)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(hào)傳輸 引言跌倒報(bào)警必須及時(shí)送達(dá)救助中心才能夠保證救助的有效性，報(bào)警信息的及時(shí)發(fā)布要求包含兩層含義：其一是報(bào)警信息不會(huì)因?yàn)榈固綔y(cè)儀佩戴者的行動(dòng)和所處的位置受到影響；其二，發(fā)布的報(bào)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(dòng)作時(shí)。 4）空間定位，在實(shí)施跌倒報(bào)警時(shí)，應(yīng)為報(bào)警信息接收方提供報(bào)警地點(diǎn)的空間定位信息，保證有效救助及時(shí)到達(dá)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)跌倒探測(cè)器的需求分析，具體的實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)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(cè)，各組件對(duì)供電要求如圖42所示。MC9S08QG8自帶時(shí)鐘模塊（ICS ），為了降低功耗和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)通過軟件設(shè)置相應(yīng)的控制寄存器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘的上電穩(wěn)定工作，故在硬件電路設(shè)計(jì)中不需作過多的考慮。數(shù)據(jù)寫滿后，MCU自動(dòng)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(jì)采用5位7段碼液晶屏，計(jì)步器顯示計(jì)數(shù)和報(bào)警接受方電話號(hào)碼輸入都是通過該液晶屏提供給使用者確認(rèn)。 通信模塊本設(shè)計(jì)采用AnyData公司的DTGS800b型OEM模塊。本設(shè)計(jì)中通過模塊的設(shè)計(jì)如圖43所示。 端口分配 由于本設(shè)計(jì)采用MC9S08QG8單片機(jī)僅能提供最多14個(gè)I/O端口，根本無法滿足控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的信號(hào)數(shù)量要求，故在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)各管腳的使用和分配進(jìn)行了專門的部署，如圖44所示。EEPROM和液晶驅(qū)動(dòng)組件的存取采用I 2C接口，本設(shè)計(jì)中將使用MC9S08QG8的I 2C模塊經(jīng)行硬件控制，通過地址選擇實(shí)現(xiàn)不同組件間的切換。對(duì)用戶來說，佩戴正常工作的跌倒探測(cè)儀將能夠得到這些服務(wù)，而對(duì)MCU來說，每項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)過程都是它將要處理的一項(xiàng)事務(wù)。江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文24計(jì)步器跌倒檢測(cè)報(bào)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(duì)某些項(xiàng)事務(wù)處理的實(shí)現(xiàn)，在軟件設(shè)計(jì)中采用了狀態(tài)機(jī)的方法以確保整個(gè)任務(wù)能夠順暢而正確地得以實(shí)現(xiàn)。2）液晶初始化通過指令初始化液晶驅(qū)動(dòng)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(rèn)的系統(tǒng)信息的設(shè)定，是指跌倒探測(cè)器報(bào)警信息的接收方可以根據(jù)實(shí)際情況由使用者進(jìn)行設(shè)定，例如親屬的移動(dòng)電話或急救中心的固定座機(jī)（要求能夠接收短信）?！癆lam”鍵（啟動(dòng)報(bào)警接收方號(hào)碼輸入、手機(jī)報(bào)警）：跌倒探測(cè)器一般工作模式下，長(zhǎng)按（超過2秒）“Alam”鍵，啟動(dòng)報(bào)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(cè)器一般工作模式下，按“Alam”鍵，跌倒探測(cè)器進(jìn)入設(shè)置報(bào)警接收方號(hào)碼狀態(tài)，配合“Alter ”鍵實(shí)現(xiàn)號(hào)碼輸入；跌倒探測(cè)器進(jìn)入報(bào)警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep ）時(shí)，按 “Alam”鍵，直接發(fā)布報(bào)警信息，然后關(guān)閉蜂鳴器；“Alter”鍵（計(jì)步器啟動(dòng)、暫停、清零、取消報(bào)警、設(shè)置報(bào)警接收方號(hào)碼）：跌倒探測(cè)器一般工作模式下，按“Alter” 鍵在計(jì)步器啟動(dòng)、暫停和清零三項(xiàng)功能之間切換；跌倒探測(cè)器進(jìn)入報(bào)警接收方號(hào)碼輸入狀態(tài)時(shí)，“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(cè)器進(jìn)入報(bào)警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep ）時(shí)，按 “Alter”鍵取消報(bào)警。由于在實(shí)際使用過程中，身體隨邁步動(dòng)作產(chǎn)生相應(yīng)的晃動(dòng)同樣會(huì)引起加速度傳感器在三個(gè)正交坐標(biāo)軸方向上的輸出，因此在設(shè)計(jì)檢測(cè)算法時(shí)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(shí)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(shí)發(fā)生的跌倒占13% ，從事高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)過程中出現(xiàn)的意外跌倒占12%。跌倒檢測(cè)的算法狀態(tài)機(jī)如圖48所示，跌倒檢測(cè)算法描述如下：1） 主循環(huán)等待，監(jiān)測(cè)Z軸加速度變化，如果超過閥值，進(jìn)入下一步；第四章 信號(hào)傳輸272） 等待加速度恢復(fù)到正常范圍內(nèi)，進(jìn)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(rèn)為發(fā)生跌倒?fàn)顩r，觸發(fā)報(bào)警處理。 針對(duì)上面提到的幾種情況，報(bào)警處理的軟件設(shè)計(jì)將加以區(qū)分對(duì)待： 檢測(cè)到跌倒后，系統(tǒng)啟動(dòng)30S的倒計(jì)時(shí)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(dòng)發(fā)布報(bào)警信息； 進(jìn)入30S倒計(jì)時(shí)后，蜂鳴器（beep ），系統(tǒng)可以響應(yīng)用戶輸入，跌倒探測(cè)器的兩個(gè)按鍵分別設(shè)置為“手動(dòng)報(bào)警”和“取消報(bào)警”的功能，如果用戶按“手動(dòng)報(bào)警”鍵，系統(tǒng)發(fā)布報(bào)警信息； 如果用戶按“取消”鍵，系統(tǒng)關(guān)閉30S倒計(jì)時(shí)和蜂鳴器，不作任何處理，直接返回計(jì)步器和跌倒檢測(cè)狀態(tài)。 按照上述方案設(shè)計(jì)完成的跌倒探測(cè)器樣機(jī)線路板如圖410所示，圖 410 樣機(jī)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(diǎn)。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(duì)于微控制器，PDIUSBD12 可以看成是一個(gè)有 8 位數(shù)據(jù)總線和 1 位地址線的存儲(chǔ)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(jī) (Host)開始的。在 USB 單片機(jī)程序中，要完成對(duì)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。 /