基于STM32的跌倒防護裝置研究

摘要：基于STM32的用于老年人跌倒防護的裝置，由控制模塊，傳感器模塊，防護挽救模塊組成。控制模塊以STM32為核心，控制模塊接收傳感器模塊檢測的加速度、角速度信號，使用閾值判斷法進行分析，并能夠在老年人發生跌倒但未完全著地前為后面開啟防護措施提供信號，從而避免老年人受傷害。實驗顯示，本系統采用的跌倒判斷算法準確度高，系統可靠性高、結構簡單。
關鍵詞：跌到檢測；閾值算法；加速度計；陀螺儀；STM32

隨著老年人口的劇增，老齡化問題成為當前社會的最突出問題。目前已知世界范圍內60歲以上的老年人口已超過6億。跌倒對于老年人群而畜是一個很嚴重的問題，除了肢體上的傷害，跌倒之后在心理及社交生活上也可能造成嚴重的后遺癥。據統計，約三分之一65歲以上老人平均每年跌倒一次。面對這種情況，開發跌倒智能探測和報警系統，具有極其重要的現實意義和社會意義。
目前的跌倒檢測可分為三類：基于視頻圖像的跌倒檢測，其不足之處是受空間上的限制、視頻圖像的質量受環境影響較大和不能保證用戶的隱私安全；基于聲學系統的跌倒檢測，其不足之處是安裝復雜且資金投入比較大；基于穿戴式裝置的跌倒檢測，不受空間限制、環境干擾相對較小。
本系統開發的是基于穿戴式裝置的防跌倒裝置系統，是通過加速度計和陀螺儀對老年人身體姿態和運動的實時檢測，采集到人體的加速度和角速度，再經過徽處理器使用閾值判斷法進行分析，并在未著地之前報警和進行防護措施。本系統采用加速度計、陀螺儀和閾值判斷法使準確度提高，日常行為的誤報低，并且實施保護防止老年人受到跌倒帶來的傷害。

1 系統總體設計
根據老人防跌倒裝置系統原理，整個系統有二部分組成：跌倒檢測部分和防護挽救部分。而跌倒檢測部分又由兩部分組成：系統的硬件設計和軟件算法，軟件算法使用閾值判斷法，硬件由以下四部分組成：
1)傳感器模塊：用加速度計、陀螺儀實時采集人體加速度信號和角速度信號，再通過A／D轉換成數字信號傳送到STM32核心控制模塊上。
2)SIM32核心控制模塊：接收傳感器A／D轉換后的信號進行處理、分析并判斷是否符合跌倒條件，再通過D／A對安全氣囊進行動作。
3)無線傳輸模塊：它是用于本模塊與上位機進行無線通信，使上位機得到數據并設計出跌倒檢測的算法，并根據算法進行了實驗。
4)防護挽救模塊：通過STM32核心控制模塊對其發送動作的信號，在老人沒跌倒在地之前進行保護。
本文主要介紹跌倒檢測部分，即硬件設計部分和軟件算法。系統的整體構圖如圖1。

2 硬件電路設計
2．1 STM32F103RBT6單片機
基于穿戴式裝置要求系統輕便小巧和事前判斷跌倒發生要求處理單元運行速度足夠快等因素考慮。本系統選用高性能的ARM?CortexTM—M3 32位的RISC內核單片機STM32F103RBT6作為主處理單元，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器，豐富的增強I／O端口和聯接到2條APB總線的外設。