前言

人們在跌倒后會(huì)面臨雙重危險(xiǎn)。顯而易見的是跌倒本身可能對人體產(chǎn)生傷害；另外，如果跌倒后不能得到及時(shí)的救助，可能會(huì)使結(jié)果更加惡化。例如，許多老年人由于其身體比較虛弱，自理能力和自我保護(hù)能力下降，常常會(huì)發(fā)生意外跌倒，如果得不到及時(shí)的救助，這種跌倒可能會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果。有資料顯示，很多嚴(yán)重的后果并不是由于跌倒直接造成的，而是由于跌倒后，未得到及時(shí)的處理和救護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)跌倒情況時(shí)，如果能夠及時(shí)地通知到救助人員，將會(huì)大大地減輕由于跌倒而造成的危害。

不僅是對老人，在很多其他情況下，跌倒的報(bào)警也是非常有幫助的，尤其是從比較高的地方跌倒下來的時(shí)候。比如人們在登山，建筑，擦窗戶，刷油漆和修理屋頂?shù)臅r(shí)候。

這促使人們越來越熱衷于對跌倒檢測以及跌倒預(yù)報(bào)儀器的研制。近年來，隨著 iMEMS? 加速度傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得設(shè)計(jì)基于三軸加速度傳感器的跌倒檢測器成為可能。這種跌倒檢測器的基本原理是通過測量佩戴該儀器的個(gè)體在運(yùn)動(dòng)過程中的三個(gè)正交方向的加速度變化來感知其身體姿態(tài)的變化，并通過算法分析判斷該個(gè)體是否發(fā)生跌倒情況。當(dāng)個(gè)體發(fā)生跌倒時(shí)，儀器能夠配合GPS模塊以及無線發(fā)送模塊對這一情況進(jìn)行定位及報(bào)警，以便獲得相應(yīng)的救助。而跌倒檢測器的核心部分就是判斷跌倒情況是否發(fā)生的檢測原理及算法。

ADXL345是ADI公司的一款3軸、數(shù)字輸出的加速度傳感器。本文將在研究跌倒檢測原理的基礎(chǔ)上，提出一種基于ADXL345的新型跌倒檢測解決方案。

iMEMS加速度傳感器ADXL345

iMEMS 半導(dǎo)體技術(shù)把微型機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子電路集成在同一顆芯片上。 iMEMS 加速度傳感器就是利用這種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對單軸、雙軸甚至三軸加速度進(jìn)行測量并產(chǎn)生模擬或數(shù)字輸出的傳感器。根據(jù)不同的應(yīng)用，加速度傳感器的測量范圍從幾g到幾十g不等。數(shù)字輸出的加速度傳感器還會(huì)集成多種中斷模式。這些特性可以為用戶提供更加方便靈活的解決方案。

ADXL345是ADI公司最近推出的基于 iMEMS 技術(shù)的3軸、數(shù)字 輸出加速度傳感器。ADXL345具有 ±2-g, ±4-g, ±8-g, ±16-g 可變的測量范圍；最高13b i t分辨率；固定的4mg/L S B靈敏度；3mm*5mm*1mm超小封裝；40-145uA超低功耗；標(biāo)準(zhǔn)的 I2C? 或SPI數(shù)字接口；32級FIFO存儲(chǔ)；以及內(nèi)部多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測和靈活的中斷方式等特性。所有這些特性，使得ADXL345有助于大大簡化跌倒檢測算法，使其成為一款非常適合用于跌倒檢測器應(yīng)用的加速度傳感器。

本文給出的跌倒檢測解決方案，完全基于ADXL345內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測功能和中斷功能，甚至不需要對加速度的具體數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取和復(fù)雜的計(jì)算操作，可以使算法的復(fù)雜度降至最低。

中斷系統(tǒng)

圖1給出了ADXL345的系統(tǒng)框圖及管腳定義

ADXL345具有兩個(gè)可編程的中斷管腳：Int1和Int2。以及Data_Ready、Single_Tap、Double_Tap、Activity、Inactivity、Free_Fall、Watermark、Overrun，共計(jì)8個(gè)中斷源。每個(gè)中斷源可以獨(dú)立地使能或禁用，還可以靈活地選擇是否映射到Int1或Int2中斷管腳。所有的功能都可以同時(shí)使用，只是某些功能可能需要共用中斷管腳。中斷功能通過INT_ENABLE寄存器的相應(yīng)位來選擇使能或禁用，通過INT_MAP寄存器的相應(yīng)位來選擇映射到Int1管腳或Int2管腳。中斷功能的具體定義如下:

1. Data_Ready 當(dāng)有新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，Data_Ready中斷置位；當(dāng)沒有新的數(shù)據(jù)時(shí)，Data_Ready中斷清除。

2. Single_Tap 當(dāng)加速度值超過一定門限(THRESH_TAP)并且持續(xù)時(shí)間小于一定時(shí)間范圍(DUR)的時(shí)候，Single_Tap中斷置位。

3. . Double_Tap 當(dāng)?shù)谝淮蜸ingle_Tap事件發(fā)生后，在一定時(shí)間(LATENT)之后，并在一定時(shí)間(WINDOW)之內(nèi)，又發(fā)生第二次Single_Tap事件時(shí)，Double _Tap中斷置位。

圖2給出了有效的Single_Tap中斷和Double _Tap中斷的示意圖。

4. Activity當(dāng)加速度值超過一定門限(THRESH_ACT)時(shí)，Activity中斷置位。

5. Inactivity當(dāng)加速度值低于一定門限(THRESH_INACT)并且持續(xù)超過一定時(shí)間(TIME_INACT)時(shí)，Inactivity中斷置位。TIME_INACT可以設(shè)定的最長時(shí)間為255s。

需要指出的是，對于Activity和Inactivity中斷，用戶可以針對X、Y、Z軸來分別進(jìn)行使能或禁用。比如，可以只使能X軸的Activity中斷，而禁用Y軸和Z軸的Activity中斷。

另外，對于Activity和Inactivity中斷，用戶還可以自由選擇D C coupled工作方式或者AC coupled工作方式。其區(qū)別在于，D C coupled工作方式下，每個(gè)采樣點(diǎn)的加速度值將直接與門限（THRESH_ACT或THRESH_INACT）進(jìn)行比較，來判斷是否發(fā)生中斷；而AC coupled工作方式下，新的采 樣點(diǎn)將以 之前的某個(gè)采樣點(diǎn)為參考，用兩個(gè)采樣點(diǎn)的差值與門限（THRESH_ACT或THRESH_INACT）進(jìn)行比較，來判斷是否發(fā)生中斷。AC coupled工作方式下的Activity檢測，是選擇檢測開始時(shí)的那一個(gè)采樣點(diǎn)作為參考，以后每個(gè)采樣點(diǎn)的加速度值都與參考點(diǎn)進(jìn)行比較。如果它們的差值超過門限(THRESH_ACT)，則Activity中斷置位。AC coupled工作方式下的Inctivity檢測，同樣要選擇一個(gè)參考點(diǎn)。如果新采樣點(diǎn)與參考點(diǎn)的加速度差值超過門限(THRESH_INACT)，參考點(diǎn)會(huì)被該采樣點(diǎn)更新。如果新采樣點(diǎn)與參考點(diǎn)的加速度差值小于門限(THRESH_INACT)，并且持續(xù)超過一定時(shí)間(TIME_INACT)，則Inctivity置位。

6. Free_Fall 當(dāng)加速度值低于一定門限(THRESH_FF)并且持續(xù)超過一定時(shí)間(TIME_FF)時(shí)，F(xiàn)ree_Fall中斷置位。與Inactivity中斷的區(qū)別在于，F(xiàn)ree_Fall中斷主要用于對自由落體運(yùn)動(dòng)的檢測。因此，X、Y、Z軸總是同時(shí)被使能或禁用；其時(shí)間設(shè)定也比Inactivity中斷中要小很多，TIME_FF可以設(shè)定的最大值為1.28s；而且Free_Fall中斷只能是DC coupled工作方式。

7. Watermark當(dāng)FIFO里所存的采樣點(diǎn)超過一定點(diǎn)數(shù)(S A MP L E S)時(shí)，Watermark中斷置位。當(dāng)FIFO里的采樣點(diǎn)被讀取，使得其中保存的采樣點(diǎn)數(shù)小于該數(shù)值(SAMPLES)時(shí)，Watermark中斷自動(dòng)清除。

需要指出的是，ADXL345的FIFO最多可以存儲(chǔ)32個(gè)采樣點(diǎn)（X、Y、Z三軸數(shù)值），且具有Bypass模式、普通FIFO模式、Stream模式和Trigger模式，一共4種工作模式。FIFO功能也是ADXL345的一個(gè)重要且十分有用的功能。但是本文后面給出的解決方案中，并沒有使用到FIFO功能，所以，在此不做詳細(xì)介紹。.

8. Overrun當(dāng)有新采樣點(diǎn)更新了未被讀取得前次采樣點(diǎn)時(shí)，Overrun中斷置位。Overrun功能與FIFO的工作模式有關(guān)，當(dāng)FIFO工作在Bypass模式下，如果有新采樣點(diǎn)更新了DATA X、DATAY和DATA Z寄存器里的數(shù)值，則Overrun中斷置位。當(dāng)FIFO工作在其他三種模式下，只有FIFO被存滿32點(diǎn)時(shí)，Overrun中斷才會(huì)置位。FIFO里的采樣點(diǎn)被讀取后，Overrun中斷自動(dòng)清除。

跌倒過程中的加速度變化特征

對跌倒檢測原理的研究主要是找到人體在跌倒過程中的加速度變化特征。

圖3給出的是加速度在不同運(yùn)動(dòng)過程中的變化曲線，包括(a)步行上樓、(b)步行下樓、(c)坐下、(d)起立。假設(shè)跌倒檢測器被固定在被測的人體上。其中紅色的曲線是Y軸（垂直方向）的加速度曲線，其正常靜止?fàn)顟B(tài)下應(yīng)該為-1g；黑色和黃色的曲線分別是X軸（前后方向）和Z軸（左右方向）的加速度曲線，其正常靜止?fàn)顟B(tài)下應(yīng)該為0g；綠色的曲線是三軸加速度的矢量和，其正常靜止?fàn)顟B(tài)下應(yīng)該為+1g。

圖3 不同運(yùn)動(dòng)過程中的加速度變化曲線

由于老年人的運(yùn)動(dòng)相對比較慢，所以在普通的步行過程中，加速度變化不會(huì)很大。最明顯的加速度變化就是在坐下動(dòng)作中Y軸加速度（和加速度矢量和）上有一個(gè)超過3g的尖峰，這個(gè)尖峰是由于身體與椅子接觸而產(chǎn)生的。

而跌倒過程中的加速度變化則完全不同。圖4給出的是意外跌倒過程中的加速度變化曲線。通過圖4和圖3的比較，可以發(fā)現(xiàn)跌倒過程中的加速度變化有4個(gè)主要特征，這可以作為跌倒檢測的準(zhǔn)則。這4個(gè)特這在圖4中以紅色的方框標(biāo)注，下面將對其逐一進(jìn)行詳細(xì)介紹:

1. 失重: 在跌倒的開始都會(huì)發(fā)生一定的失重現(xiàn)象。在自由落體的下降過程，這個(gè)現(xiàn)象會(huì)更加明顯，加速度的矢量和會(huì)降低到接近0g，持續(xù)時(shí)間與自由落體的高度有關(guān)。對于一般的跌倒，失重現(xiàn)象雖然不會(huì)有像自由落體那么明顯，但也會(huì)發(fā)生合加速度小于1g的情況（通常情況下合加速度應(yīng)大于1g）。因 此，這可以作為跌倒?fàn)顟B(tài)的第一個(gè)判斷依據(jù)。可以由ADXL345的Free_Fall中斷來檢測。

2. 撞擊: 失重之后，人體發(fā)生跌倒的時(shí)候會(huì)與地面或其他物體發(fā)生撞擊，在加速度曲線中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊。這個(gè)沖擊可以通過ADXL345的Activity中斷來檢測。因此，F(xiàn)ree_Fall中斷之后，緊接著產(chǎn)生Activity中斷是跌倒?fàn)顟B(tài)的第二個(gè)判斷依據(jù)。

3. 靜止: 通常，人體在跌倒后，也就是撞擊發(fā)生之后，不可能馬上起來，會(huì)有短暫的靜止?fàn)顟B(tài)（如果人因?yàn)榈苟鴮?dǎo)致昏迷，甚至可能是較長時(shí)間的靜止）。表現(xiàn)在加速度曲線上就是會(huì)有一段時(shí)間的平穩(wěn)。這可以通過ADXL345的Inactivity中斷來檢測。因此，Activity中斷之后的Inactivity中斷是跌倒?fàn)顟B(tài)的第三個(gè)判斷依據(jù)。

4. 與初始狀態(tài)比較: 跌倒之后，人體會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，因此人體的方向會(huì)與原先靜止站立的姿態(tài)（初狀態(tài)）不同。這使得跌倒之后的靜止?fàn)顟B(tài)下的三軸加速度數(shù)值與初始狀態(tài)下的三軸加速度不同（見圖4）。假設(shè)跌倒檢測器固定在被測人體上的某個(gè)部位，這樣初始狀態(tài)下的三軸加速度數(shù)值可以認(rèn)為是已知的（本例中，初始狀態(tài)為：X軸0g，Y軸-1g，Z軸0g）。讀取Inactivity中斷之后的三軸加速度數(shù)據(jù)，并與初始狀態(tài)進(jìn)行比較。如圖4所示，重力加速度方向由Y軸上的-1g變?yōu)榱薢軸上的1g，這說明人體發(fā)生了側(cè)向跌倒。因此，跌倒檢測的第四個(gè)依據(jù)就是跌倒后的靜止?fàn)顟B(tài)下加速度值與初始狀態(tài)發(fā)生變化，且矢量變化超過一定的門限值（比如 0.7 g)

這四個(gè)判斷依據(jù)綜合在一起，構(gòu)成了整個(gè)的跌倒檢測算法，可以對跌倒?fàn)顟B(tài)給出報(bào)警。當(dāng)然，還要注意各個(gè)中斷之間的時(shí)間間隔要在合理的范圍之內(nèi)。比如，除非是從很高的樓頂?shù)粝聛?，否則Free_Fall中斷（失重）和Activity中斷（撞擊）之間的時(shí)間間隔不會(huì) 很長。同樣，通常情況下， Activity中斷（撞擊）和Inactivity中斷（靜止）之間的時(shí)間間隔也不會(huì)很長。本文接下來會(huì)通過一個(gè)具體實(shí)例給出一組合理的取值。當(dāng)然，相關(guān)中斷的檢測門限以及時(shí)間參數(shù)也可以根據(jù)需要而靈活設(shè)置。

另外，如果跌倒造成了嚴(yán)重的后果，比如，導(dǎo)致了人的昏迷。那么人體會(huì)在更常的一段時(shí)間內(nèi)都保持靜止。這個(gè)狀態(tài)仍然可以通過Inactivity中斷來檢測。也就是說，如果發(fā)現(xiàn)在跌倒之后的很長時(shí)間內(nèi)都保持Inactivity狀態(tài)，可以再次給出一個(gè)嚴(yán)重報(bào)警。

典型電路連接

ADXL345和微控制器之間的電路連接非常簡單。本文中的測試平臺(tái)由ADXL345和微控制器A DuC70262組成。圖5給出了ADXL345和ADuC7026.2之間的典型電路連接。ADXL345的CS管腳接高電平，表示ADXL345工作在I2C模式。SDA和SCL是I2C總線的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線，分別連接到A DuC7026相應(yīng)的I2C總線管腳。A DuC7026的一個(gè)GPIO管腳連接到ADXL345的ALT管腳，用來選擇ADXL345的I2C地址。ADXL345的INT1管腳連接到ADuC7026的IRQ輸入用來產(chǎn)生中斷信號。

其他的單片機(jī)或者處理器都可以采用與圖5類似的電路與ADXL345進(jìn)行連接。ADXL345還可以工作在SPI模式以獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。關(guān)于SPI工作模式的具體描述，請參考ADXL345數(shù)據(jù)手冊。

表1 ADXL345寄存器功能說明

利用ADXL345簡化跌倒檢測算法

本節(jié)將給出以上解決方案的具體算法實(shí)現(xiàn)。表1中簡要說明了每個(gè)寄存器的作用以及在本算法中的設(shè)置值。對于各個(gè)寄存中每一位的具體含義，請參考ADXL345的數(shù)據(jù)手冊。

需要指出的是，表1給出的設(shè)置值中，某些寄存器會(huì)給出兩個(gè)數(shù)值，這說明在算法中會(huì)切換使用這兩個(gè)數(shù)值，來達(dá)到不同的檢測目的。算法的流程圖如圖6所示

算法中，關(guān)于各種中斷的門限以及時(shí)間參數(shù)的設(shè)置如下所述

1. 初始化后，系統(tǒng)等待Free_Fall中斷（失重），這里把THRESH_FF設(shè)為0.75g，把TIME_FF設(shè)為30ms。

2. Free_Fall中斷產(chǎn)生之后，系統(tǒng)開始等待Activity中斷（撞 擊），這里把THRESH_ACT設(shè)為2g，Activity中斷為DC coupled工作模式。

3.Free_Fall中斷（失 重）與Activity中斷（撞擊）之間的時(shí)間間隔設(shè)置為200ms。如果超過200ms，則認(rèn)為無效。200ms計(jì)時(shí)需要通過MCU中的定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)

4. Activity中斷產(chǎn)生之后，系統(tǒng)開始等待Inactivity中斷（撞擊后的靜止 ），這里把THRESH_INACT設(shè)為0.1875g，把TIME_INACT設(shè)為2s，Inactivity中斷為AC coupled工作模式。

5. 在Activity中斷產(chǎn)（撞擊）生之后的3.5s時(shí)間之內(nèi)，應(yīng)該 有Inactivity中斷（撞擊后的靜止）產(chǎn)生。如果超時(shí)，則認(rèn)為無效。3.5s計(jì)時(shí)需要通過MCU中的定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。

6. 如果Inactivity中斷之后的加速度值與初始狀態(tài)（假設(shè)已知）下數(shù)值的矢量差超過0.7g，則說明檢測到一次有效的跌倒，系統(tǒng)會(huì)給出一個(gè)報(bào)警。

7. 當(dāng)檢測到跌倒?fàn)顟B(tài)之后，為了判斷是否在跌倒之后人體有長時(shí)間的靜止不動(dòng)。需要繼續(xù)檢測Activity中斷和Inactivity中斷。這里把THRESH_ACT設(shè)為0.5g，Activity中斷為AC coupled工作模式。把THRESH_INACT設(shè)為0.1875g，把TIME_INACT設(shè)為10s，Inactivity中斷為AC coupled工作模式 。也就是說，如果在10s之內(nèi)，人體一直沒有任何動(dòng)作，則會(huì)產(chǎn)生Inactivity中斷，使系統(tǒng)給出一個(gè)嚴(yán)重報(bào)警。而在此期間一旦人體有所動(dòng)作，則會(huì)產(chǎn)生Activity中斷，從而結(jié)束整個(gè)判斷過程。

8. 本算法還可以檢測出人體從較高的地方跌落。如果Free_Fall中斷連續(xù)產(chǎn)生且之間的間隔小于100m s，可以認(rèn)為，人體處于連續(xù)的跌落狀態(tài)。如果Free_Fall中斷（失重）連續(xù)發(fā)生300ms，則說明人體是從超過0.45m的高度跌落，系統(tǒng)會(huì)給出一個(gè)跌落的報(bào)警。

本算法已在ADuC7026微控制器中以C語言實(shí)現(xiàn)（見附錄）。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案對算法進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)對向前跌倒，向后跌倒，向左、右兩側(cè)跌倒等不同跌倒姿勢以及跌倒后是否有長時(shí)間靜止?fàn)顟B(tài)的情況分別進(jìn)行了10次測試，表2中給出的是相關(guān)測試結(jié)果。

表2 測試結(jié)果

從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中可以看出基于ADXL345的解決方案能夠有效地對跌倒?fàn)顟B(tài)進(jìn)行檢測。當(dāng)然，這里只是一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)方案，仍需要進(jìn)行更加全面、有效和長期的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該解決方案的可靠性。

結(jié)論

ADXL345是ADI公司的一款功能強(qiáng)大的加速度傳感器產(chǎn)品。本文利用ADXL345內(nèi)部的多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測功能和靈活的中斷功能，提出一種新的跌倒檢測解決方案。經(jīng)驗(yàn)證，該解決方案具有算法復(fù)雜度低，檢測準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。