專利名稱：基于ZigBee的便攜式人體跌倒檢測和報警系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于ZigBee的便攜式人體跌倒檢測和報警系統(tǒng)，用于對人體運(yùn)動狀態(tài)的突變情況進(jìn)行實(shí)時評估和報警，便于及時救助。
背景技術(shù)：
居家的老人或者老年人聚集的場所中自理能力較差的個體發(fā)生一些意外情況時，往往得不到及時的處理和救護(hù)。在諸多的意外情況中，有一類意外非常具有代表性——運(yùn)動狀態(tài)突變。這里運(yùn)動狀態(tài)突變是指由于外力或自身協(xié)調(diào)問題造成的身體姿態(tài)的快速變化，針對運(yùn)動狀態(tài)突變的研究比較多的是對跌倒的檢測。對于人體而言，運(yùn)動狀態(tài)的迅速改變可能會對人體產(chǎn)生危害，因此如何快速檢測出這些運(yùn)動狀態(tài)的突變信息并報警，對于快速引導(dǎo)救助和妥善處理好發(fā)生運(yùn)動狀態(tài)突變的個體而言非常重要。而現(xiàn)有的類似功能的系統(tǒng)大致有三類基于視頻、基于聲學(xué)和基于穿戴式的跌倒監(jiān)測系統(tǒng)。其中，基于視頻的跌倒 監(jiān)測系統(tǒng)受限于檢測區(qū)域；基于聲學(xué)的跌倒監(jiān)測系統(tǒng)準(zhǔn)確率相對較低?，F(xiàn)有基于穿戴式的跌到檢測系統(tǒng)如Int. Cl CN2249072Y等一般都是采用水銀開關(guān)進(jìn)行跌倒檢測判斷，檢測準(zhǔn)確度不夠；Int. Cl CN201127606Y，采用雙軸加速度傳感器進(jìn)行跌倒監(jiān)測。其不足之處在于準(zhǔn)確度不如三軸加速度傳感器高，且不能實(shí)時反饋檢測信息至監(jiān)控終端。大部分傳統(tǒng)的跌倒監(jiān)測系統(tǒng)不具備遠(yuǎn)程無線通信功能，并且不能對使用者的位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，準(zhǔn)確性不強(qiáng)，以至于無法對跌倒的人適時完成救助。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種基于ZigBee的便攜式人體跌倒檢測和報警系統(tǒng)，利用三軸加速度傳感器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，通過微處理器的實(shí)時處理，并結(jié)合ZigBee無線傳輸技術(shù)，能及時地反映出使用者的人體姿態(tài)，通過實(shí)時檢測佩戴者的人體姿態(tài)和運(yùn)動信息來判斷人體是否處于跌倒?fàn)顟B(tài)。本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的與本發(fā)明類似的佩戴于人體的檢測和報警系統(tǒng)存在的靈敏度不高，準(zhǔn)確性不強(qiáng)，以至于無法實(shí)施及時救助的缺陷。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種基于ZigBee的便攜式人體跌倒檢測和報警系統(tǒng)，佩戴于人體腰部的包括微處理器，加速度傳感器，信息采集及發(fā)射模塊，報警器和電源；遠(yuǎn)程端包括無線接收模塊，上位機(jī)軟件模塊，其特點(diǎn)是A)微處理器分別與加速度傳感器，信息采集及發(fā)射模塊，報警器，電源相連；信息采集及發(fā)射模塊通過ZigBee無線信息傳輸與遠(yuǎn)端無線接收模塊連接，無線接收模塊與上位機(jī)軟件模塊連接；B)所述的加速度傳感器米用三軸加速度傳感器，即測量方向?yàn)槿S,輸出信號為模擬信號或者數(shù)字信號；C)所述的信息采集和發(fā)射模塊包括對加速度信息的采集、前置放大、低通濾波、高通濾波、主放大器放大、50Hz陷波、電平抬升、AD轉(zhuǎn)換及發(fā)射；
D)所述無線接收模塊包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)；所述協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)由串口連接，上位機(jī)與服務(wù)器通過網(wǎng)口連接。所述的三軸加速度傳感器，三軸分別與人體解剖結(jié)構(gòu)的垂直軸、矢狀軸和冠狀軸同向，實(shí)時采集人體在這三軸方向的加速度，進(jìn)而通過微處理器計算出瞬間的相應(yīng)位移。所述的上位機(jī)為PC機(jī)，PC機(jī)輸出與定位顯示模塊、檢測時間顯示模塊和報警狀態(tài)顯示模塊連接。加速度傳感器實(shí)時采集三個方向的加速度和對應(yīng)的時間，并傳送到微處理器進(jìn)行實(shí)時分析，獲得佩戴者的身體姿態(tài)狀態(tài)信息，并將身體姿態(tài)和實(shí)時時間信息通過基于ZigBee的無線傳輸方式發(fā)送至上位機(jī)軟件模塊，通過分析計算進(jìn)而判斷是否做出報警。本發(fā)明設(shè)計的基于ZigBee的便攜式人體跌倒檢測和報警系統(tǒng)，佩戴于人體腰部，靈敏度高，能及時檢測出被監(jiān)護(hù)人人體姿態(tài)，準(zhǔn)確坐標(biāo)定位及發(fā)生跌倒的時間，系統(tǒng)擁有節(jié) 點(diǎn)體積小、架構(gòu)簡單、低速率、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容易、可無限擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，把ZigBee技術(shù)引入家庭、養(yǎng)老院監(jiān)控護(hù)理領(lǐng)域，可讓使用者在一定范圍內(nèi)接受監(jiān)護(hù)者的無線實(shí)時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)使用者當(dāng)前的人體狀態(tài)。這既給使用者在一定范圍內(nèi)自由活動提供方便，減輕了監(jiān)護(hù)者的工作負(fù)擔(dān)，同時也為監(jiān)護(hù)者處理急救狀況提供了有效手段，使被監(jiān)護(hù)者能在第一時間獲得救助。


圖I為本發(fā)明基于ZigBee的便攜式人體跌倒檢測和報警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為發(fā)明信息采集及發(fā)射模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明無線接收模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明上位機(jī)軟件模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。這些實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明而不是用于限制本發(fā)明。凡采用與本發(fā)明相同或相似的方法，或做出的等價修改，均應(yīng)落入本發(fā)明保護(hù)范圍。如圖I所示一種基于ZigBee的便攜式人體跌倒檢測和報警系統(tǒng)，佩戴于人體腰部的包括微處理器，加速度傳感器，信息采集及發(fā)射模塊，報警器和電源；遠(yuǎn)端包括無線接收模塊，上位機(jī)軟件模塊，上位機(jī)。微處理器分別與加速度傳感器，信息采集及發(fā)射模塊，報警器，電源相連；信息采集及發(fā)射模塊通過ZigBee無線信息傳輸與無線接收模塊連接，無線接收模塊與上位機(jī)軟件模塊連接。所述的加速度傳感器采用三軸加速度傳感器，即三軸分別與人體解剖結(jié)構(gòu)的垂直軸、矢狀軸和冠狀軸同向，輸出信號為模擬信號或者數(shù)字信號;如圖2所示所述的信息采集及發(fā)射模塊包括對加速度信息的采集、前置放大、低通濾波、高通濾波、主放大器放大、50Hz陷波、電平抬升、AD轉(zhuǎn)換及發(fā)射。如圖3所示所述無線接收模塊包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)；所述協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)由串口連接，上位機(jī)與服務(wù)器通過網(wǎng)口連接。電源為整個系統(tǒng)提供電能，支撐系統(tǒng)的正常工作。電源可以是蓄電池、鋰電池等可充電電池。將基于ZigBee的便攜式人體跌倒檢測和報警系統(tǒng)，佩戴于人體腰部。加速度傳感器的三軸向與人體解剖結(jié)構(gòu)的垂直軸、矢狀軸和冠狀軸分別同向。加速度傳感器實(shí)時采集三個方向的加速度和對應(yīng)的時間，并傳送到微處理器進(jìn)行實(shí)時分析，獲得配戴者的身體姿態(tài)狀態(tài)信息。微處理器實(shí)時計算分析人體姿態(tài)，進(jìn)而判斷是否做出報警。當(dāng)微處理器識別出配戴者可能發(fā)生意外的跌倒情況后，可立即自動發(fā)出聲光信號進(jìn)行報警，提醒相應(yīng)監(jiān)護(hù)人盡量進(jìn)行必要的處理，如現(xiàn)場急救等。并將報警信息，佩戴者的身體姿態(tài)、坐標(biāo)定位和檢測時間信息通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至上位機(jī)軟件模塊，使上位機(jī)接收者能在第一時間獲知緊急情況并采取必要的救助措施。上位機(jī)軟件模塊包括對使用者當(dāng)前位置的坐標(biāo)顯示、檢測時間顯示和報警狀態(tài)顯示；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)的地址分配，上位機(jī)為PC機(jī)，PC機(jī)輸出與定位顯示模塊、檢測時間顯示模塊和報警狀態(tài)顯示模塊連接。 參見圖2所示加速度傳感器信息采集及發(fā)射模塊結(jié)構(gòu)示意圖，加速度信息采集板主要完成三個方向的加速度信息采集、放大以及濾波，經(jīng)過微處理器的數(shù)據(jù)處理并對人體狀態(tài)進(jìn)行判斷后，送入無線發(fā)射板進(jìn)行AD采樣，采樣后的數(shù)據(jù)先緩存起來，最后以一幀數(shù)據(jù)包無線發(fā)送給數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)。移動節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧主要完成AD采樣，以及兩個LED燈的控制，用于顯示移動節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的工作狀態(tài)。首先，移動節(jié)點(diǎn)以200Hz采樣頻率采樣100個字節(jié)的三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)，由于采樣100個字節(jié)過程需要用的時間為500ms，因此，在此節(jié)點(diǎn)期間移動節(jié)點(diǎn)發(fā)送一次定位請求，獲得定位節(jié)點(diǎn)的二維坐標(biāo)(X，Y)，定位耗時為200ms左右。然后按照消息幀格式把移動節(jié)點(diǎn)地址、人體狀態(tài)數(shù)據(jù)和定位坐標(biāo)封裝起來，最后發(fā)送給移動節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)。參見圖3所示無線接收模塊模塊結(jié)構(gòu)示意圖，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)的地址分配，分配具有唯一性的16位短地址。移動節(jié)點(diǎn)完成人體狀態(tài)信息的采集、處理以及傳輸，該節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)體積、便攜性以及電池壽命都有很苛刻的設(shè)計要求，同時該節(jié)點(diǎn)是作為數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中；數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)一方面是配合移動節(jié)點(diǎn)做定位，定位原理是移動節(jié)點(diǎn)發(fā)出的定位請求數(shù)據(jù)幀，計算出接收信號強(qiáng)度值(RSSI)后，把RSSI值以及數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)一同發(fā)給移動節(jié)點(diǎn)，由移動節(jié)點(diǎn)中CC2431內(nèi)部的硬件定位引擎計算出自身的坐標(biāo)值，因此要求數(shù)據(jù)接收點(diǎn)的坐標(biāo)是已知的，該節(jié)點(diǎn)是采用+5VDC直流穩(wěn)壓電源供電。另一方面，數(shù)據(jù)接收點(diǎn)還要完成人體狀態(tài)數(shù)據(jù)的接收和經(jīng)串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊把人體狀態(tài)數(shù)據(jù)和定位信息傳輸給上位機(jī)(PC機(jī))。參見圖4所示上位機(jī)軟件模塊結(jié)構(gòu)示意圖，主要實(shí)現(xiàn)獲取病人當(dāng)前位置的坐標(biāo)信號、人體姿態(tài)信息和檢測時間。本發(fā)明中綜合考慮ZigBee支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，采用以太網(wǎng)和ZigBee相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為實(shí)施方案。在ZigBee的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上擴(kuò)展有線網(wǎng)絡(luò)部分，對于移動節(jié)點(diǎn)而言，通過以太網(wǎng)相連的協(xié)調(diào)器和所有數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)邏輯上可以看作傳統(tǒng)ZigBee星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。這樣，移動節(jié)點(diǎn)就不需要為其他節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，從而能有效延長電池的續(xù)航時間。為了克服單一協(xié)調(diào)器的覆蓋范圍和帶寬容量有限的缺陷，本發(fā)明考慮把多個數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)及協(xié)調(diào)器通過以太網(wǎng)組合起來邏輯上作為一個協(xié)調(diào)器來使用，這樣就可以是網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍小、帶寬 不足和移動節(jié)點(diǎn)的功耗高等問題得到有效解決。
權(quán)利要求
1.一種基于ZigBee的人體跌倒檢測和報警系統(tǒng)，佩戴于人體腰部的包括微處理器，力口速度傳感器，信息采集及發(fā)射模塊，報警器和電源；遠(yuǎn)程端包括無線接收模塊，上位機(jī)軟件模塊，其特點(diǎn)是 A)微處理器分別與加速度傳感器，信息采集及發(fā)射模塊，報警器，電源相連；信息采集及發(fā)射模塊通過ZigBee無線信息傳輸與遠(yuǎn)端無線接收模塊連接，無線接收模塊與上位機(jī)軟件1吳塊連接； B)所述的加速度傳感器采用三軸加速度傳感器，即測量方向?yàn)槿S，輸出信號為模擬信號或者數(shù)字信號； C)所述的信息采集和發(fā)射模塊包括對加速度信息的采集、前置放大、低通濾波、高通濾波、主放大器放大、50Hz陷波、電平抬升、AD轉(zhuǎn)換及發(fā)射； D)所述無線接收模塊包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)；所述協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)由串口連接，上位機(jī)與服務(wù)器通過網(wǎng)口連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于ZigBee的人體跌倒檢測和報警系統(tǒng)，其特征在于所述的三軸加速度傳感器，三軸分別與人體解剖結(jié)構(gòu)的垂直軸、矢狀軸和冠狀軸同向，實(shí)時采集人體在這三軸方向的加速度，進(jìn)而通過微處理器計算出瞬間的相應(yīng)位移。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于ZigBee的人體跌倒檢測和報警系統(tǒng)，其特征在于所述的上位機(jī)為PC機(jī)，PC機(jī)輸出與定位顯示模塊、檢測時間顯示模塊和報警狀態(tài)顯示模塊連接。
全文摘要
基于ZigBee的便攜式人體跌倒檢測和報警系統(tǒng)，包括微處理器，加速度傳感器，信息采集及發(fā)射模塊，無線接收模塊，上位機(jī)軟件模塊、報警器和電源。微處理器分別與加速度傳感器，信息采集及發(fā)射模塊，報警器，電源相連；信息采集及發(fā)射模塊通過ZigBee無線信息傳輸依次與無線接收模塊、上位機(jī)軟件模塊連接；所述的加速度傳感器測量方向?yàn)槿S，輸出信號為模擬信號或者數(shù)字信號；所述無線接收模塊其協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)由串口連接，上位機(jī)與服務(wù)器通過網(wǎng)口連接。本發(fā)明靈敏度高，能及時檢測出被監(jiān)護(hù)人人體姿態(tài)，坐標(biāo)定位、跌倒時間及報警信息，通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至上位機(jī)軟件模塊，使監(jiān)護(hù)人在第一時間獲知緊急情況并采取救助措施。
文檔編號G08B21/04GK102881115SQ201210353079
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月20日
發(fā)明者李鐵軍, 宓現(xiàn)強(qiáng), 廖蕓 申請人:上海理工大學(xué)