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1、智慧養(yǎng)老之身體摔倒預(yù)警和檢測(cè)系統(tǒng)需求分析智慧養(yǎng)老之身體摔倒預(yù)警和檢測(cè)系統(tǒng)需求分析 編輯人：郭飛摘 要 21世紀(jì)的中國(guó)將是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的老齡社會(huì)，隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，人口老齡化的趨勢(shì)逐年增加。伴隨而來(lái)老年人這一群體的明顯弱點(diǎn)也逐漸體現(xiàn)出來(lái)易跌倒，正因?yàn)檫@個(gè)弱點(diǎn)，使得許多老年人不敢出行。因此，在手機(jī)上開(kāi)發(fā)一項(xiàng)檢測(cè)老年人跌倒的軟件系統(tǒng)是必要的。本文研究和探討了在不同情況下發(fā)生跌倒時(shí)，利用加速度傳感器，在30秒內(nèi)判斷出是否發(fā)生跌倒，并且在發(fā)生跌倒后，軟件將會(huì)調(diào)用SMS的相關(guān)函數(shù)將發(fā)送短信息給該老人的監(jiān)護(hù)人。 本文擬提出一種基于Android平臺(tái)的老年人跌倒檢測(cè)遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)，在便攜性的基礎(chǔ)上，在老年人跌2、倒的第一時(shí)間發(fā)出訊息通知其監(jiān)護(hù)人。目 錄1 緒論21.1研究背景及研究意義31.1.1研究背景31.1.2研究意義31.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.3課題的提出32 人體摔倒檢測(cè)技術(shù)32.1運(yùn)動(dòng)控制器技術(shù)32.1.1運(yùn)動(dòng)控制器技術(shù)概念32.1.2運(yùn)動(dòng)控制器模型32.2傳感器技術(shù)32.2.1傳感器技術(shù)概念32.2.2傳感器模型及選擇32.3無(wú)線通信技術(shù)62.3.1無(wú)線通信技術(shù)概念62.3.2無(wú)線通信的模型及選擇63 摔倒檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)63.1人體運(yùn)動(dòng)加速度模型63.2加速度數(shù)據(jù)分析63.2.1坐標(biāo)分析63.2.2人體姿態(tài)與體位分析63.3摔倒檢測(cè)算法設(shè)計(jì)64 摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)64.1摔倒檢測(cè)系3、統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)64.1.1摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的功能模塊64.1.2摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程74.2摔倒檢測(cè)服務(wù)的設(shè)計(jì)74.2.1摔倒檢測(cè)服務(wù)模塊74.2.2摔倒檢測(cè)服務(wù)工作流程74.3摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的用戶設(shè)置程序74.3.1摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的用戶設(shè)置模塊74.3.2摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的用戶設(shè)計(jì)界面75 摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)分析85.1摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)工具85.2摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析86 總結(jié)與展望86.1本文總結(jié)86.2展望未來(lái)8參考文獻(xiàn)8致謝81 緒論 隨著老齡化的發(fā)展，老年人的健康問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)前突出的問(wèn)題。由于老年人的認(rèn)知水平、平衡協(xié)調(diào)能力、視力、聽(tīng)力均有不同程度的下將，以及腦血管病、骨質(zhì)疏松等慢性疾病的增4、多，老年人發(fā)生跌倒事件的機(jī)會(huì)大大增多，形成明顯的群體特征易跌倒，所產(chǎn)生的后果更加嚴(yán)重。1.1.1研究背景 2009年開(kāi)始，我國(guó)迎來(lái)進(jìn)入人口老齡化社會(huì)以來(lái)的第一次老年人口增長(zhǎng)高峰，老年人口增速加快，高齡老人和喪失生活 自理能力的老人大幅增加，空巢化趨勢(shì)日益突出。截止2008年底，我國(guó)60歲以上老年人口已接近一億六千萬(wàn)人，占總?cè)丝诘?2%，也就是說(shuō)全國(guó)人口將近八分之一是老年人。隨著老齡化的加重，中國(guó)老年人的比重越來(lái)越大，2011年我國(guó)老年人口比重達(dá)13.7%。截至2011年第底，根據(jù)全國(guó)老齡委的統(tǒng)計(jì)，中國(guó)60歲及以上的老年人口約有1.9億，占總?cè)丝诘?4%。2013年，這一數(shù)字將突破2億，預(yù)計(jì)到25、050年老年人口將達(dá)到全國(guó)人口的三分之一。民政部的數(shù)據(jù)表明，至2012年10月，我國(guó)城鄉(xiāng)空巢家庭超過(guò)50%，部分大中城市達(dá)到70%，其中近一成的老人單身。預(yù)計(jì)到“十二五”期末，65歲以上的空巢老人將超過(guò)5100萬(wàn)。這些空巢老人得不到應(yīng)有的生活照料，生病也無(wú)人照顧，情感慰藉更是無(wú)從談起。老年人容易跌倒，其發(fā)生規(guī)律是年齡越大，跌倒的發(fā)生率越高，而且女性比男性多。跌倒后，由于骨質(zhì)疏松易引起股骨頸和脊椎骨折，后果較為嚴(yán)重，除不能行走和生活難于自理外，還可因長(zhǎng)期臥床引起多種并發(fā)癥，損害老人身心健康。現(xiàn)在大多數(shù)家庭只有一個(gè)孩子，孩子成家立業(yè)后，獨(dú)居老人將越來(lái)越多，倘若沒(méi)有保姆的照顧，老人人身安全將成為子女6、時(shí)刻擔(dān)憂的事情。因此，研究一個(gè)老人摔倒檢測(cè)軟件是必需的，解決現(xiàn)代年輕人因工作繁忙，而對(duì)家庭老人的健康安全的擔(dān)憂的問(wèn)題，使其安心上班。 1.1.2研究意義跌倒導(dǎo)致了巨額的醫(yī)療費(fèi)用，我國(guó)每年至少將近2000萬(wàn)老年人發(fā)生2500萬(wàn)次跌倒，導(dǎo)致的醫(yī)療費(fèi)用在50億人民幣以上，社會(huì)代價(jià)約為160800萬(wàn)億人民幣。跌倒對(duì)老年人的心理也會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的影響和危害，老年人跌倒后害怕再次跌倒，因此生活的獨(dú)立性和靈活性就降低了，Janine曾經(jīng)對(duì)9096名老人做過(guò)調(diào)查，其中有一半的老年人害怕跌倒影響日常生活能力，這樣導(dǎo)致他們對(duì)自身身體機(jī)能自信心的下降，會(huì)反過(guò)來(lái)限制行為能力，進(jìn)一步增加跌倒的可能性。因此，研制開(kāi)發(fā)專為老人7、服務(wù)的產(chǎn)品-智慧養(yǎng)老之身體摔倒預(yù)警和檢測(cè)系統(tǒng)，不影響老年人的正常生活情況下，準(zhǔn)確的將跌倒事件與日常生活事件區(qū)分開(kāi)來(lái)，并且在發(fā)生跌倒事件時(shí)，及時(shí)的向子女發(fā)送警告信息并報(bào)警聯(lián)系救護(hù)，這對(duì)于提高老年人的生活質(zhì)量，保證我國(guó)社會(huì)的安穩(wěn)發(fā)展具有重要的作用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)便攜式電子裝置對(duì)人體跌倒進(jìn)行檢測(cè)成為可能。目前，國(guó)外已有關(guān)于老年人遠(yuǎn)程跌倒監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)，特別是美國(guó)，日本和法國(guó)，近些年來(lái)很多的大學(xué)研究院所和研科單位在政府和社會(huì)的支持下，也進(jìn)行了相關(guān)的技術(shù)研究。如：A.Blake borough設(shè)計(jì)的基于房間內(nèi)地板振動(dòng)檢測(cè)的跌倒檢測(cè)器。A.Six smith等研制的基8、于紅外信號(hào)和圖像信息的檢測(cè)器。但是由于受成本、便攜性及應(yīng)用范圍的局限性的影響而使其應(yīng)用推廣受到限制。國(guó)際Gerontechnology學(xué)會(huì)于1997年9月在歐洲成立，“研發(fā)設(shè)計(jì)相關(guān)的技術(shù)產(chǎn)品和設(shè)備以及環(huán)境，讓老年人可以更健康，更舒適，更安全的獨(dú)立生活和參與社會(huì)活動(dòng)”是該學(xué)會(huì)的宗旨。2005年5月底，第五屆世界Gerontechnology學(xué)會(huì)會(huì)議“老齡化社會(huì)職能技術(shù)：讓老年人能夠更自信的、長(zhǎng)久的、健康的、自尊的幸福生活”，在日本古屋召開(kāi)。國(guó)內(nèi)尚無(wú)關(guān)于跌倒遠(yuǎn) 程監(jiān)測(cè)的產(chǎn)品，但關(guān)于跌倒監(jiān)測(cè)算法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究較多，如：趙祥欣等以三維加速度傳感器為基礎(chǔ)，采用了三維加速度傳感器MMA726O、處理器 9、MSP430F149及通訊模塊的結(jié)構(gòu)組合方案，搭建了三維加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出了以SVM或SMA為特征量，以人體活動(dòng)、靜息狀態(tài)及姿態(tài)為輔助判據(jù)的算法，取得了90%以上的識(shí)別準(zhǔn)確率。謝開(kāi)明等設(shè)計(jì)的基于GPRS的跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，在SMV閾值算法基礎(chǔ)上輔以傾角檢測(cè)，提高了算法的有效性， 能更有效的區(qū)分日常生活及跌倒。1.3課題的提出老年人跌倒是生理、心理、社會(huì)、環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，目前關(guān)于老年人跌倒危險(xiǎn)性尚無(wú)明確有效的 檢測(cè)方法及評(píng)估方法，因此，早期發(fā)現(xiàn)并獲得相應(yīng)的治療，是降低傷殘率和死亡率的關(guān)鍵。隨著我國(guó)老齡化的發(fā)展及受獨(dú)生子女政策的影響，“空巢老人”逐 漸增多，而社區(qū)醫(yī)療發(fā)展不到位，很難及時(shí)10、發(fā)現(xiàn)老年人跌倒等意外傷害，更不能使老年人在跌倒的第一時(shí)間內(nèi)得到有效的救治，因此發(fā)展遠(yuǎn)程跌倒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有極為重要的意義。2 人體摔倒檢測(cè)技術(shù) 本章主要介紹檢測(cè)人體摔倒的相關(guān)技術(shù)：控制器技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)。使更精確的判斷人體是否真正摔倒。2.1運(yùn)動(dòng)控制器技術(shù) 控制器（英文名稱：controller）是指按照預(yù)定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻值來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)和反向的主令裝置。由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器和操作控制器組成，它是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，即完成協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作。2.1.1運(yùn)動(dòng)控制器技術(shù)概念 運(yùn)動(dòng)控制器利用高性能微11、處理器及大規(guī)模可編程器件實(shí)現(xiàn)伺候電機(jī)的多軸協(xié)調(diào)控制，將實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的底層軟件和硬件集成在了一起具有伺服電機(jī)控制所需的各種速度、位置控制功能。與傳統(tǒng)的數(shù)控裝置相比，運(yùn)動(dòng)控制器具有以下特點(diǎn)： 1、技術(shù)更新。功能更加強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。 2、結(jié)構(gòu)形式模塊化。可以方便地組合，簡(jiǎn)歷適用于不同場(chǎng)合的控制系統(tǒng)。 3、操作簡(jiǎn)單。在PC機(jī)上經(jīng)簡(jiǎn)單編程即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，不需要專門的數(shù)控技術(shù)。 目前，運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用廣泛，可以說(shuō)只要有伺服電機(jī)應(yīng)用的場(chǎng)合就離不開(kāi)運(yùn)動(dòng)控制器。2.1.2運(yùn)動(dòng)控制器模型 圖2.1 運(yùn)動(dòng)控制器總體功能結(jié)構(gòu)圖圖2.2 運(yùn)動(dòng)控制器存儲(chǔ)模塊結(jié)構(gòu)圖2.2傳感器技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)重要支12、撐技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)是以感知為目的，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互連的網(wǎng)絡(luò)。其突出特征是通過(guò)傳感器等方式獲取物理世界的各種信息，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳送與交互，采用智能計(jì)算技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行分析處理，從而提升對(duì)物質(zhì)世界的感知能力，實(shí)現(xiàn)智能化的決策和控制。2.2.1傳感器技術(shù)概念 1）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)傳感器定義在國(guó)家表混GB/T 7665-2005傳感器通用術(shù)語(yǔ)中，傳感器（transducer/sensor）被定義為：“能感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常有敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件（sensing element），是指?jìng)鞲衅髦袑⒚舾性蝽憫?yīng)的被測(cè)量的部13、分；轉(zhuǎn)換元件（transducing element），是指?jìng)鞲衅髦袑⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。當(dāng)輸出為規(guī)定的表混信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)換元件則稱為變送器（transmitter）。”2） 美國(guó)儀表協(xié)會(huì)傳感器定義 美國(guó)儀表協(xié)會(huì)（Instument Society of America,ISA）的定義是：“傳感器是把測(cè)量變換為有用信號(hào)的裝置。它包括敏感元件、變換電路以及把這些元件和電路組合在一起的機(jī)構(gòu)。”2.2.2傳感器模型及選擇 傳感器的分類多種多樣，有按原理、被測(cè)量、材料、工藝、對(duì)象、應(yīng)用等不同分類。 傳感器按被測(cè)量分類一般的分類方法，可分為物理量、化學(xué)量、生物量三大類14、，通常按具體被測(cè)量主要有位移、壓力、力、速度、溫度、流量、氣體成分、離子濃度等傳感器。我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也是按被測(cè)量分類，這種分類無(wú)論從使用者選用還是產(chǎn)品水平評(píng)價(jià)都便于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。 以下簡(jiǎn)單介紹幾種傳感器模型：1） MEMS壓力傳感器 MEMS壓力傳感器是硅微機(jī)械加工制成的傳感器的首要類型，采用微電子和為機(jī)械加工技術(shù)制造的新型傳感器，具有性能優(yōu)良、體積小、質(zhì)量小、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)，易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。 2） 加速度傳感器 加速度傳感器是測(cè)量加速度的傳感器，應(yīng)用較廣的時(shí)壓電加速度傳感器，它采用石英、陶瓷等壓電材料制成，具有頻響寬、線性好等特點(diǎn)。2.3無(wú)線通信技術(shù) 無(wú)線15、技術(shù)給人們帶來(lái)的影響是無(wú)可爭(zhēng)議的。如今每一天大約有15萬(wàn)人成為新的無(wú)線用戶，全球范圍內(nèi)的無(wú)線用戶數(shù)量已經(jīng)超過(guò)2億。這些人包括大學(xué)教授、倉(cāng)庫(kù)管理員、護(hù)士、商店負(fù)責(zé)人、辦公室經(jīng)理和卡車司機(jī)。他們使用無(wú)線技術(shù)的方式和他們自身的工作一樣都在不斷地更新。2.3.1無(wú)線通信技術(shù)概念 無(wú)線通信(Wireless communication)是利用電磁波信號(hào)可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式。在移動(dòng)中實(shí)現(xiàn)的無(wú)線通信又通稱為移動(dòng)通信，人們把二者合稱為無(wú)線移動(dòng)通信。無(wú)線通信分為兩類：無(wú)線移動(dòng)通信和無(wú)線局域網(wǎng)(LAN)通信。它們的傳輸設(shè)施根本不同。無(wú)線局域網(wǎng)通信使 用發(fā)射器和接收器，它們都是放在公16、司希望的地方，并且屬于這家公司所有。無(wú)線移動(dòng)通信需要電話電信局或其它公共服務(wù)，來(lái)為“離開(kāi)辦公室”或“正在旅途中” 的用戶提供設(shè)施，使用分組無(wú)線電、蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星站來(lái)傳輸和接收信號(hào)。 用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊建立專用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式比其它方式具有成本廉價(jià)，建設(shè)工程周期短，適應(yīng)性好，擴(kuò)展性好。2.3.2無(wú)線通信的模型及選擇 無(wú)線通信模塊廣泛地運(yùn)用在車輛監(jiān)控、遙控、遙測(cè)、小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線標(biāo)簽、身份識(shí)別、非接觸RF智能卡、小型無(wú)線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無(wú)線遙控系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、無(wú)線232數(shù)據(jù)通信、無(wú)線485/422數(shù)據(jù)通信、數(shù)字17、音頻、數(shù)字圖像傳輸?shù)阮I(lǐng)域中。DATA-6106無(wú)線通信模塊1圖2.3 無(wú)線通信模塊的軟件流程3 摔倒檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 當(dāng)人失去平衡而跌倒時(shí)，一般人的身體會(huì)發(fā)生向一個(gè)方向傾倒的狀態(tài)，從而不自主的失去平衡。發(fā)生跌倒時(shí)，身體會(huì)在瞬間向移動(dòng)方向傾倒，從而身體重心會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的加速度值，以產(chǎn)生的加速度值來(lái)判斷老人是否摔倒。3.1人體運(yùn)動(dòng)加速度模型 Android手機(jī)內(nèi)的加速度傳感器能夠檢測(cè)出移動(dòng)設(shè)備在三維空間中的加速度，傳回對(duì)應(yīng)的三個(gè)方向的參數(shù)數(shù)值，就能判斷物體的加速度及運(yùn)動(dòng)方式。 三個(gè)坐標(biāo)軸方向分別是：x軸正方向?yàn)槠叫杏谄聊挥善聊坏淖筮呏赶蛴疫叄瑈軸正方向?yàn)槠叫衅聊挥善聊坏南路街赶蛏戏剑瑉軸正方18、向?yàn)榇怪逼聊恢赶蚱聊煌狻Ｈ鐖D 2所示。 需要特別注意的是要區(qū)分傳感器坐標(biāo)系中的加速度（即手機(jī)設(shè)備本身實(shí)際的加速度），而不是從加速度傳感器中讀取的加速度參數(shù)值。這兩 者的區(qū)別在于是否將重力加速度計(jì)算其中，計(jì)算物體實(shí)際加速度需要考慮重力作用，但是加速度傳感器傳回的數(shù)值中只能反映設(shè)備本身外力所產(chǎn)生的加速度。3.2加速度數(shù)據(jù)分析 我們通過(guò)基于加速度傳感器的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的硬件裝置得到的加速度數(shù)據(jù)無(wú)法直接用于判斷跌倒，需要進(jìn)一步的分析處理。以下僅就坐標(biāo)、人體姿勢(shì)與位體進(jìn)行分析。3.2.1坐標(biāo)分析 原始的坐標(biāo)系是二維的笛卡爾坐標(biāo)系，而三維笛卡爾坐標(biāo)系是在二維的基礎(chǔ)上根據(jù)右手定則增加第三維坐標(biāo)（Z軸）而形成的19、。若定義一個(gè)原點(diǎn)的位置（0，0，0）則坐標(biāo)系中任意一點(diǎn)A的位置都可以用（x，y，z）來(lái)表示。如圖1所示： 同時(shí)A點(diǎn)還可以用向量來(lái)表示，若A的向量為r，用i，j，k分別表示與x，y，z軸正方向平行的單位向量則r可以表示為：r=xi+yj+kz 3.2.2人體姿態(tài)與體位分析 人在無(wú)意識(shí)的條件下由站立或平坐姿勢(shì)向躺倒姿勢(shì)的轉(zhuǎn)變，即為跌倒。在這一姿態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，重力將是影響作用者一運(yùn)動(dòng)的主要因素。在跌倒過(guò)程中，人的加速 度、速度和位移均發(fā)生了變化，通過(guò)傳感器傳回的數(shù)值可以對(duì)使用者的狀態(tài)進(jìn)行建模，以此來(lái)對(duì)使用者的身體姿態(tài)進(jìn)行分析。如圖3所示： 通過(guò)對(duì)姿態(tài)的分析能夠判斷能夠排除劇烈運(yùn)動(dòng)或一些其他正常活動(dòng)帶20、來(lái)的誤報(bào)情況，以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確率。3.3摔倒檢測(cè)算法設(shè)計(jì)由于跌倒事件具有隨機(jī)性，故跌倒方向無(wú)法預(yù)知，所以不宜采用某一軸向的加速度數(shù)據(jù)區(qū)判斷跌倒事件的發(fā)生。跌倒算法采用了SMV閾值的跌倒檢測(cè)方法 ，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于忽略了加速度的空間方向，將空間加速度進(jìn)行矢量和運(yùn)算，將矢量和與閾值相比來(lái)初步判斷是否跌倒。矢量和的計(jì)算如下公式所示，其 中x，y，z分別為X，Y，Z三軸的方向加速度。 該軟件算法實(shí)現(xiàn)的流程圖4所示。 當(dāng)傳感器的三個(gè)數(shù)值劇增并且達(dá)到閾值，那 么就可以初步判斷發(fā)生跌倒，進(jìn)而進(jìn)一步判斷是否發(fā)生跌倒，即在接來(lái)下的持續(xù)的幾個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器傳回的數(shù)值是否幾乎不變并且趨向于零，若為零則可以進(jìn) 入21、下一步判斷（此處判斷用來(lái)排除劇烈或一些正常活動(dòng)），下一步則是排除大部分無(wú)法預(yù)期的活動(dòng)而產(chǎn)生的誤報(bào)，因此在這里設(shè)置了一個(gè)確認(rèn)框用來(lái)確認(rèn)是否發(fā)送急 救短信，若點(diǎn)是或者等待30秒無(wú)確認(rèn)則可基本確定老人摔倒了，這時(shí)軟件將會(huì)發(fā)送一個(gè)短信給老人的監(jiān)護(hù)人，監(jiān)護(hù)人收到短信后經(jīng)電話確認(rèn)老人是否摔倒。開(kāi)始 是數(shù)值檢測(cè)？否接下來(lái)幾個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)傳感器數(shù)值幾乎不變？否是彈出確認(rèn)框？否是發(fā)送信息家人打電話確認(rèn)是否誤報(bào)？否是結(jié)束4 摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 前幾部分主要介紹了實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)所需的技術(shù)、模型、位體分析等，接下來(lái)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。4.1摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.1.1摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的功能模塊 4.1.2摔倒檢測(cè)系統(tǒng)22、的工作流程4.2摔倒檢測(cè)服務(wù)的設(shè)計(jì)4.2.1摔倒檢測(cè)服務(wù)模塊摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的服務(wù)模塊是直接對(duì)用戶設(shè)置進(jìn)行響應(yīng)的模塊，也是人體摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的核心識(shí)別和處理模塊，主要完成傳感器數(shù)據(jù)處理、控制傳感器服務(wù)、監(jiān)聽(tīng)用戶設(shè)置參數(shù)、處理用戶設(shè)置參數(shù)、檢驗(yàn)權(quán)限等。按照邏輯功能可以將人體摔倒檢測(cè)服務(wù)模塊分為四個(gè)，監(jiān)聽(tīng)用戶設(shè)置的參數(shù)、處理用戶設(shè)置的參數(shù)、控制傳感器服務(wù)（開(kāi)關(guān)）、接受和處理傳感器服務(wù)的數(shù)據(jù)，如圖4.1： 圖4.1 人體摔倒檢測(cè)服務(wù)功能模塊結(jié)構(gòu)圖 監(jiān)聽(tīng)用戶設(shè)置的參數(shù)是指在人體摔倒檢測(cè)服務(wù)運(yùn)行時(shí)，用戶通過(guò)應(yīng)用程序設(shè)置人體摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)是，人體摔倒檢測(cè)服務(wù)能及時(shí)監(jiān)聽(tīng)到相關(guān)參數(shù)的變化，即使調(diào)整工作流程。23、如果用戶修改的參數(shù)不變，則不處理；如果用戶修改了相關(guān)參數(shù)，該服務(wù)必須準(zhǔn)確調(diào)度對(duì)應(yīng)任務(wù)。處理用戶設(shè)置的參數(shù)是指當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到用戶改變了人體摔倒檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)時(shí)的處理模塊。該模塊的處理涉及到控制傳感器服務(wù)、改變?nèi)梭w摔倒檢測(cè)服務(wù)的任務(wù)等。控制傳感服務(wù)功能是指必要時(shí)，人體摔倒檢測(cè)服務(wù)會(huì)控制傳感器服務(wù)的開(kāi)關(guān)，從而控制整個(gè)數(shù)據(jù)流的開(kāi)關(guān)。這種控制的改變往往來(lái)自用戶的設(shè)置。接收和處理傳感器主要是指人體摔倒檢測(cè)服務(wù)獲得加速度傳感器數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)算法判斷，如果識(shí)別為摔倒，則通過(guò)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行處理，比如設(shè)置了GPS就啟動(dòng)GPS模塊獲取摔倒地點(diǎn)的地理位置信息，發(fā)送至設(shè)置的聯(lián)系人。4.2.2摔倒檢測(cè)服務(wù)工作流程根據(jù)上節(jié)功能描24、述，任然可以將人體摔倒檢測(cè)服務(wù)分為數(shù)據(jù)上行和數(shù)據(jù)下行給叔的模塊的基本流程。數(shù)據(jù)上行是指用戶通過(guò)應(yīng)用程序?qū)?shù)重新設(shè)置，通過(guò)修改共享內(nèi)存數(shù)據(jù)和人體摔倒檢測(cè)服務(wù)提供的API接口通知人體摔倒檢測(cè)服務(wù)的處理過(guò)程。要完成該流程，人體摔倒檢測(cè)服務(wù)按照以下四個(gè)步驟完成數(shù)據(jù)處理過(guò)程。Sp1：開(kāi)啟監(jiān)聽(tīng)指定共享內(nèi)存數(shù)據(jù)的機(jī)制，即使識(shí)別參數(shù)的改變。Sp2：設(shè)置API接口服務(wù)，當(dāng)應(yīng)用程序通過(guò)API接口處理相關(guān)操作時(shí)，在人體摔倒檢測(cè)服務(wù)本地及時(shí)處理。Sp3：如果用戶更改相關(guān)參數(shù)，人體摔倒檢測(cè)服務(wù)應(yīng)當(dāng)在本地及時(shí)更新?tīng)顟B(tài)，必要時(shí)做出處理。Sp4：如果用戶通過(guò)人體摔倒檢測(cè)服務(wù)的API接口切換該服務(wù)的開(kāi)關(guān)，則通過(guò)傳感器服務(wù)客戶25、端控制傳感器服務(wù)的開(kāi)關(guān)，從而使硬件工作或不工作。數(shù)據(jù)下行是指人體摔倒檢測(cè)服務(wù)接收到傳感器數(shù)據(jù)后如何提醒用戶的過(guò)程。該數(shù)據(jù)傳輸分兩個(gè)部分進(jìn)行，分別是人體摔倒檢測(cè)服務(wù)主動(dòng)向傳感器發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，人體摔倒檢測(cè)服務(wù)在識(shí)別出摔倒時(shí)間后處理時(shí)如何提醒用戶。下行數(shù)據(jù)處理是的這兩個(gè)動(dòng)作異步進(jìn)行，分以下三個(gè)步驟完成：Sp1：注冊(cè)傳感器服務(wù)Binder客戶端，設(shè)置人體摔倒檢測(cè)服務(wù)的模式，使傳感器服務(wù)在指定頻率采集數(shù)據(jù)。Sp2：根據(jù)獲得的傳感器數(shù)據(jù)，用算法識(shí)別模塊來(lái)處理。Sp3：識(shí)別出人體摔倒行為時(shí)，以啟動(dòng)GPS短信等方式處理，調(diào)用GPS和短信模塊，并在用戶界面上有所提示。人體摔倒檢測(cè)服務(wù)模塊式傳感器服務(wù)模塊和應(yīng)用程26、序模塊的中間模塊，是系統(tǒng)的樞紐，負(fù)責(zé)了數(shù)據(jù)的接收、處理、控制等工作。該人體摔倒檢測(cè)系統(tǒng)尚處于原型階段，上層應(yīng)用的需求還不豐富，所以在功能上要簡(jiǎn)略些。4.3摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的用戶設(shè)置程序4.3.1摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的用戶設(shè)置模塊人體摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)置模塊式人體摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)基本模塊，功能相對(duì)獨(dú)立，是基于Android平臺(tái)應(yīng)用開(kāi)發(fā)模式，為用戶提供更好的交互性。按照Android應(yīng)用程序的設(shè)置完成的功能可以將人體摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的用戶設(shè)置程序劃分為三個(gè)關(guān)聯(lián)的用戶界面，分別是：用戶設(shè)置程序主界面、聯(lián)系號(hào)碼輸入界面和聯(lián)系號(hào)碼選擇界面。這三個(gè)界面只有主界面顯示所有的用戶設(shè)置的參數(shù)，其余兩個(gè)顯示的相關(guān)設(shè)置操作27、。圖4.2給出了人體摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用程序。圖4.2人體摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用程序4.3.2摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的用戶設(shè)計(jì)界面該應(yīng)用程序的三個(gè)界面都是靜態(tài)的，只有用戶進(jìn)行操作后，界面才會(huì)更新。下面將介紹各個(gè)界面的處理流程：1. 應(yīng)用程序的主界面 這是一個(gè)用戶選擇進(jìn)入該應(yīng)用程序的第一個(gè)界面，主要為用戶提供簡(jiǎn)明的參數(shù)設(shè)置清單、提供簡(jiǎn)易的設(shè)置開(kāi)關(guān)。該界面的功能及動(dòng)作如下所述：1）進(jìn)入主界面，加載上次設(shè)置的參數(shù)，重新更新界面。所需的參數(shù)包括聯(lián)系號(hào)碼、GPS開(kāi)關(guān)，人體摔倒系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)。2）用戶選擇聯(lián)系人的按鈕，點(diǎn)擊該按鈕，界面跳轉(zhuǎn)到選擇聯(lián)系人界面。3）GPS單選開(kāi)關(guān)，點(diǎn)擊之前和點(diǎn)擊之后被選中的狀態(tài)恰好相反。4）人體摔28、倒系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)，也是一個(gè)單選開(kāi)關(guān)，點(diǎn)擊之前和點(diǎn)擊之后被選中的狀態(tài)恰好相反。5）退出主界面時(shí)，保存退出前設(shè)置好的參數(shù)，通知框架層。必要時(shí)調(diào)用人體摔倒檢測(cè)服務(wù)的API接口，打開(kāi)/關(guān)閉人體摔倒檢測(cè)系統(tǒng)。2.用戶設(shè)置電話號(hào)碼界面該界面用來(lái)為用戶提供聯(lián)系人號(hào)碼的功能，界面內(nèi)各個(gè)組件主要用來(lái)收集用戶的聯(lián)系號(hào)碼信息。界面上的組件功能描述如下：1） 電話號(hào)碼編輯框，該編輯框在用戶點(diǎn)擊后，會(huì)彈出軟鍵盤(pán)，供用戶點(diǎn)擊輸入，用戶點(diǎn)擊時(shí)，編輯框的內(nèi)容也實(shí)時(shí)變化。2） 從電話簿選擇聯(lián)系人的按鈕，點(diǎn)擊后界面介入電話簿選擇界面。3） 確定按鈕，點(diǎn)擊后，退回到主界面，將用戶輸入的電話號(hào)碼更新到主界面。4） 取消按鈕，點(diǎn)擊后，返回29、到主界面，主界面不更新聯(lián)系號(hào)碼。3.從電話簿選擇聯(lián)系人界面該界面使得用戶可以輕輕松松地從電話簿中選取聯(lián)系人號(hào)碼，下面介紹該界面的功能：1） 號(hào)碼過(guò)濾框，其基本組件屬于編輯框，點(diǎn)擊彈出只提供數(shù)字輸入的軟鍵盤(pán)，通過(guò)輸入數(shù)字，該界面自動(dòng)過(guò)濾掉河輸入的數(shù)字串無(wú)太大關(guān)系的聯(lián)系號(hào)碼，并以滑動(dòng)列表的形式顯示。2） 滑動(dòng)列表，顯示所有的聯(lián)系人號(hào)碼信息或者過(guò)濾好的聯(lián)系人號(hào)碼信息，用戶可以觸動(dòng)屏幕選擇聯(lián)系人，選好后界面退回到主界面，并將剛選擇好的聯(lián)系人號(hào)碼更新到主界面。3） 取消按鈕，用戶可以點(diǎn)擊取消按鈕放棄此次選擇，點(diǎn)擊后界面將返回到設(shè)置聯(lián)系號(hào)碼的界面，且不做任何數(shù)據(jù)更新。5 摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)分析5.1摔倒檢30、測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)工具圖4即跌倒時(shí)3個(gè)軸向加速度信號(hào)圖，圖中曲線清楚的表明了正向跌倒過(guò)程中各方向的加速度變化情況，設(shè)置的采樣頻率為250Hz。實(shí)線為X方向的加速度，起始狀態(tài)下X方向與重力方向幾乎垂直，因此，加速度接近于0g；點(diǎn)線為Z方向加速度，起始狀態(tài)下與重力方向幾乎垂直，因此，加速度值約等于1g；虛線為Y方向加速度，起始狀態(tài)下為0g。摔倒后穩(wěn)定狀態(tài)下，X軸與重力方向近似一致，加速度約為1g，而Z軸方向由1變化至0g。由于摔倒可能發(fā)生在任意方向，使用單獨(dú)某一軸的加速度其特征不明顯。因此，采用合加速度ac=a2x+a2y+a2z作為特征量進(jìn)行分析。圖5為摔倒時(shí)合加速度的變化曲線。在靜止不動(dòng)時(shí)由于受重力31、影響，加速度大小為1g。在摔倒時(shí)有2個(gè)極值點(diǎn)：極值點(diǎn)1對(duì)應(yīng)加速度值為011g，是跌倒過(guò)程中人體不受控制加速倒下，Z軸方向的加速度迅速減小造成的；極值點(diǎn)2是跌倒過(guò)程中接觸地面時(shí)速度迅速減小造成的，最后穩(wěn)定到1g。圖6和圖7分別為正常行走和坐下起立時(shí)加速度變化，而與圖6和圖7的對(duì)比可以看出：非劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)合加速度峰值不會(huì)超過(guò)3g。在摔倒過(guò)程中，人體俯仰角或者側(cè)翻角會(huì)發(fā)生變化，圖8為摔倒時(shí)刻俯仰角和側(cè)翻角的角速度變化情況，圖9為利用陀螺儀數(shù)據(jù)積分得到的角度變化情況。從陀螺儀的數(shù)據(jù)可以看出：前向摔倒時(shí)，俯仰角劇烈變化；由于是正向摔倒，側(cè)翻角的變化不大。陀螺儀的數(shù)據(jù)可以聯(lián)合加速度傳感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高檢32、測(cè)的準(zhǔn)確率。5.2摔倒檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析 表1 不同控制方式下震動(dòng)臺(tái)面轉(zhuǎn)角總均方根值 表2 真東方臺(tái)面不同位置轉(zhuǎn)角總均方根值比較 說(shuō)明振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面各點(diǎn)繞臺(tái)面中心位置的轉(zhuǎn)角大小一致，最大相對(duì)偏差約18%，表明光纖陀螺測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定。 分析了三軸振動(dòng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)角測(cè)試的特點(diǎn)，根據(jù)三軸振動(dòng)試驗(yàn)使用背景與轉(zhuǎn)角測(cè)試要求組建了光纖陀螺轉(zhuǎn)角測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)，針對(duì)三軸轉(zhuǎn)角的數(shù)據(jù)處理做了進(jìn)一步的分析研究以及程序設(shè)計(jì)等工作。應(yīng)用該系統(tǒng)測(cè)量振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面轉(zhuǎn)角位移，對(duì)實(shí)測(cè)的角速度信號(hào)進(jìn)行分析處理，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了光纖陀螺轉(zhuǎn)角測(cè)試系統(tǒng)用于三軸振動(dòng)轉(zhuǎn)角測(cè)試的可行性與正確性，滿足工程需求，為研究在動(dòng)態(tài)環(huán)境下測(cè)量載體姿態(tài)參數(shù)提供了一種有33、效的測(cè)量手段。6 總結(jié)與展望6.1本文總結(jié)本文針對(duì)老年人易跌倒和跌倒過(guò)后可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果的這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，提出了一種適用于老年人跌倒檢測(cè)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。文中對(duì)系統(tǒng)中所用到的 Android加速度傳感器以及加速度的采集原理作了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)對(duì)軟件的總體設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行了一個(gè)詳細(xì)的闡述，對(duì)用戶終端的研究與設(shè)計(jì)理念 進(jìn)行了說(shuō)明。最后系統(tǒng)闡述了基于Android平臺(tái)的跌倒檢測(cè)遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)原理和方法。本文主要的研究總結(jié)如下：（1）采用手機(jī)自帶的傳感器，輕巧便捷，可隨身攜帶。（2）使用SMS來(lái)實(shí)現(xiàn)老人跌倒后的后續(xù)業(yè)務(wù)。 （3）采用SMV閾值算法來(lái)計(jì)算加速度，以降低誤報(bào)率，提34、高準(zhǔn)確率。 （4）設(shè)置的跌倒確認(rèn)（30秒確認(rèn)發(fā)送短信）可以有效減少誤報(bào)。6.2展望未來(lái)在本論文的研究過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了很多值得探討和進(jìn)一步研究的問(wèn)題。 （1）老人摔倒而產(chǎn)生的加速度的閾值較難確定，若閾值設(shè)置的較小則會(huì)出現(xiàn)較多誤報(bào)情況，而閾值設(shè)置較高則會(huì)多出一些漏報(bào)情況。 （2）可以進(jìn)一步對(duì)老年人跌掉的嚴(yán)重情況進(jìn)行研究，針對(duì)老年人跌掉的加速度的變換，可以對(duì)老年人跌掉的嚴(yán)重情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。 （3）在本文研究的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)Android的傳感器來(lái)測(cè)量老人的體溫、心率、呼吸、等更多的生理指標(biāo)來(lái)判斷是否發(fā)生跌倒，以此來(lái)減少誤報(bào)率。參考文獻(xiàn)1劉麗華.與老年人跌倒相關(guān)的臨床因素J.國(guó)外醫(yī)學(xué)老年醫(yī)學(xué)分冊(cè)，19935、4，15（3）：141.；2張暉. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)概述，2012，6（1）；3吳亞林.王勁松 物聯(lián)網(wǎng)用傳感器，2012，6（1）；4趙祥欣.基于三維加速度傳感器的跌倒監(jiān)測(cè)研究D.杭州：浙江大學(xué)，2008.5謝開(kāi)明.基于 GPRS 的跌倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)D.重重慶大學(xué)，2010.致謝 我歷時(shí)將近兩周時(shí)間終于把這篇需求分析寫(xiě)完了，在這段充滿奮斗的歷程中，帶給我的學(xué)生生涯無(wú)限的激情和收獲。在需求分析的寫(xiě)作過(guò)程中遇到了無(wú)數(shù)的困難和障礙，都在同學(xué)和老師的幫助下度過(guò)了。在校圖書(shū)館查找資料的時(shí)候，圖書(shū)館的老師給我提供了很多方面的支持與幫助，尤其要強(qiáng)烈感謝我的指導(dǎo)老師劉輝老師，幫助我確定好的軟件題材。感謝凡高娟老師在技術(shù)方面的耐心指導(dǎo)！同時(shí)，我也要感謝本文檔所引用的各位學(xué)者的專著，如果沒(méi)有這些學(xué)者的研究成果的啟發(fā)和幫助，我將無(wú)法完成本篇文檔的最終寫(xiě)作。29河南大學(xué)