本發(fā)明屬于電子信息領(lǐng)域，尤其涉及一種基于中斷驅(qū)動的低功耗跌倒檢測裝置，進(jìn)一步一種基于中斷驅(qū)動，能實時采集并預(yù)處理3軸加速度和角速度數(shù)據(jù)，依據(jù)預(yù)設(shè)3軸加速度、角速度的閾值并應(yīng)用決策樹判斷監(jiān)測對象跌倒并報警。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的基于3軸加速度計、陀螺儀的可穿戴跌倒技術(shù)，忽略了可穿戴設(shè)備的計算能力和電源受限的客觀約束條件,由可穿戴設(shè)備的主處理單元在線實時檢測3軸加速度計和陀螺儀，讀取3軸加速度和角速度數(shù)據(jù)并通過無線射頻模塊發(fā)送到接收端的計算設(shè)備，再由其進(jìn)行跌倒檢測。由于可穿戴設(shè)備的主處理單元實時監(jiān)測讀取數(shù)據(jù)、射頻單元實時發(fā)送數(shù)據(jù)，會產(chǎn)生大量能耗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供一種基于中斷驅(qū)動的低功耗跌倒檢測裝置，利用mpu6050集成了3軸加速度計、陀螺儀和1kb的fifo(firstinfirstout)緩存，其在休眠狀態(tài)時可以在無可穿戴設(shè)備主處理單元(mainprocessunit，mpu)支持情況下實時讀取3軸加速度、角速度數(shù)據(jù)，并按照fifo方式緩存數(shù)據(jù)；通過設(shè)置mpu6050中3軸加速度、角速度寄存器的閾值，當(dāng)3軸加速度或角速度值超過閾值時，系統(tǒng)產(chǎn)生中斷請求，由mpu依據(jù)mpu6050緩存的加速度和角速度數(shù)據(jù)按照c45決策樹算法進(jìn)行跌倒監(jiān)測，若檢測對象跌倒，mpu通過zigbee向接收端主機(jī)發(fā)送跌倒警告。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種基于中斷驅(qū)動的低功耗跌倒檢測裝置包括：用于采集檢測對象活動的3軸加速度、角速度數(shù)據(jù)mpu6050傳感器、以及cc2530mcu；其中，采用有限狀態(tài)機(jī)對跌倒過程建模,該模型有6個狀態(tài),每個狀態(tài)的任務(wù)及狀態(tài)之間的關(guān)系如下：

1.f0狀態(tài)：初始狀態(tài)，即復(fù)位狀態(tài)，此狀態(tài)對系統(tǒng)進(jìn)行初始化；

2.f1狀態(tài)：自由下落狀態(tài)，將是否出現(xiàn)自由下落現(xiàn)象作為判斷跌倒的第一個依據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)自由下落現(xiàn)象時會觸發(fā)mpu6050的自由下落中斷，自由下落中斷的工作過程如下：

a)mpu6050的fifo緩存被觸發(fā)，緩存按照fifo的模式保存了自由下落中斷觸發(fā)前2秒鐘內(nèi)采樣到的3軸加速度、角速度數(shù)據(jù)；

b)cc2530啟動定時器，該定時器是遞歸的，即當(dāng)前一個定時器到期時，它將啟動另一個特定時長的定時器；

c)如果自由下落中斷被斷言超過150ms，進(jìn)入f2狀態(tài)，否則進(jìn)入f1狀態(tài)；

3.f2狀態(tài)：撞擊狀態(tài)，通過設(shè)置mpu6050的運(yùn)動中斷可以檢測這個撞擊狀態(tài)，運(yùn)動中斷的工作過程如下：

a)設(shè)置運(yùn)動中斷為非使能狀態(tài)；

b)cc2530檢索fifo緩存中前0.5秒鐘的數(shù)據(jù)，并計算它們的平均值作為檢測對象身體姿勢的初始值；

c)如果在運(yùn)動中斷產(chǎn)生后2秒內(nèi)非運(yùn)動中斷被激活，則系統(tǒng)進(jìn)入f3，否則返回f0；

4.f3狀態(tài)：非運(yùn)動狀態(tài)，通過mpu6050的非運(yùn)動中斷來檢測，非運(yùn)動中斷的工作過程如下：

a)cc2530檢索fifo緩存中最后0.5秒鐘的數(shù)據(jù)，并計算它們的平均值作為檢測對象身體姿勢的最終值；

b)在活動中斷產(chǎn)生2秒鐘后，如果發(fā)生非運(yùn)動狀態(tài)斷言，算法進(jìn)入f4；

5.f4狀態(tài)：比較身體姿勢的初始值與最終值，依據(jù)f3獲得的檢測對象身體姿勢的最終值與f2獲得的初始值對比值作為檢測是否跌倒的第4個依據(jù)，此狀態(tài)的工作過程如下：

a)計算身體姿勢的最終值與初始值之間的差值，若差值大于設(shè)定閾值，系統(tǒng)產(chǎn)生跌倒警報，并將活動中斷設(shè)置為使能狀態(tài)，同時進(jìn)入f5；

b)將非活動中斷的檢測時間設(shè)成10秒，進(jìn)而判斷檢測對象跌倒后是否存在較長時間無法運(yùn)動的狀態(tài)；

c)若在f4時，系統(tǒng)再次檢測到活動中斷，這表明跌倒撞擊給檢測對造成的傷害較小，不影響其正常生活，檢測對象的跌倒地否則算法進(jìn)入f0；

6.f5狀態(tài)：報警狀態(tài)

d)cc2530控制蜂鳴器產(chǎn)生蜂鳴報警；

e)cc2530通過內(nèi)置zigbee模塊將檢測對象跌倒?fàn)顟B(tài)發(fā)送給zigbee接收端主機(jī)，以便作進(jìn)一步的處理。

作為優(yōu)選，f0狀態(tài)的工作狀態(tài)如下：

a)、初始化i²c接口，復(fù)位mpu6050，設(shè)置mpu6050內(nèi)部的寄存器的初始值；

b)、設(shè)置加速度傳感器的最大量程為16g，配置陀螺儀最大測量范圍±2000deg/s，關(guān)閉中斷，設(shè)置3軸加速度、陀螺儀的采樣率并采用數(shù)字低通濾波器去噪，設(shè)置系統(tǒng)時鐘源，并將3軸加速度和角速度傳感器設(shè)置為使能狀態(tài)；

c)、設(shè)置運(yùn)動中斷和非運(yùn)動中斷的閾值分別為2.25g和0.5g，以及其檢測時間窗口的默認(rèn)值為1s；

d)、設(shè)置自由下落中斷的閾值為0.5625g，及其檢測時間窗口默認(rèn)值為50ms；

e)、對mpu6050傳感器的fifo緩存初始化，將其設(shè)置為觸發(fā)模式，并由自由下落中斷觸發(fā)；

f)、當(dāng)從其他狀態(tài)返回時，cc2530定時器計時器將停止，并系統(tǒng)重新初始化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的低功耗跌倒檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的低功耗跌倒檢測裝置工作流程圖。

具體實施方式

針對mpu6050模塊、cc2530芯片，led，蜂鳴器的大小和針腳特征，本發(fā)明提供一種基于中斷驅(qū)動的低功耗跌倒檢測裝置，設(shè)計了核心芯片組的排列與布線方法；設(shè)計相應(yīng)的pcb電路板以集成mpu6050加速度計、cc2530芯片、ft232rq串口通信芯片、lp2992鋰電池控制芯片和max1555充電控制器。本發(fā)明不僅能根據(jù)采集檢測對象活動的3軸加速度、角速度數(shù)據(jù)，并通過cc2530芯片內(nèi)置的zigbee射頻模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。同時，開發(fā)人員可以采用iarembeddedworkbench開發(fā)環(huán)境針對該模塊編寫程序，針對不用應(yīng)用需要設(shè)置傳感器的采樣頻率(由于人體運(yùn)動頻率小于20hz，本發(fā)明默認(rèn)采樣率為50hz，即采樣間隔為20ms)、zigbee數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎托诺?，并通過usb電纜將程序下載至本模塊。模塊設(shè)計布局如圖1所示。

本發(fā)明采用invensense公司生產(chǎn)的集成了3軸加速度、陀螺儀的mpu6050傳感器采集檢測對象活動的3軸加速度、角速度數(shù)據(jù)。該傳感器中加速度計測量范圍最大為±16g，陀螺儀可測范圍為±2000deg/sec(dps),這類傳感器具有體積小、功耗低等特點(diǎn)。采用ti公司(德州儀器)的cc2530作為中央處理單元mcu，該芯片的晶振主頻為16mhz；cc2530內(nèi)置zigbee射頻單元，傳輸距離10-100米，數(shù)據(jù)傳輸速率最高為250kbit/s；采用ft232rq串行通信芯片為本模塊提供usb接口和串行通信支持；采用lp2992鋰電池控制芯片和max1555充電控制器，使模塊即能通過3～5v鋰電池供電，也可以通過usb接口電路供電，并可通過usb接口為鋰電池充電。

下面結(jié)合本發(fā)明的算法對于本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。

如圖2所示,本發(fā)明采用有限狀態(tài)機(jī)對跌倒過程建模,該模型有6個狀態(tài),每個狀態(tài)的任務(wù)及狀態(tài)之間的關(guān)系如下：

1、f0：初始狀態(tài)，即復(fù)位狀態(tài)。此狀態(tài)對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主要任務(wù)包括：

a)、初始化i²c接口，復(fù)位mpu6050，設(shè)置mpu6050內(nèi)部的寄存器的初始值；

b)、設(shè)置加速度傳感器的最大量程為16g，配置陀螺儀最大測量范圍±2000deg/s，關(guān)閉中斷，設(shè)置3軸加速度、陀螺儀的采樣率并采用數(shù)字低通濾波器去噪，設(shè)置系統(tǒng)時鐘源，并將3軸加速度和角速度傳感器設(shè)置為使能狀態(tài)；

c)、設(shè)置運(yùn)動中斷(motioninterrupt)和非運(yùn)動中斷(zeromotioninterrupt)的閾值(默認(rèn)值分別為2.25g和0.5g)，以及其檢測時間窗口(默認(rèn)值為1s)；

d)、設(shè)置自由下落中斷(freefallinterrupt)的閾值(默認(rèn)值為0.5625g)，及其檢測時間窗口(默認(rèn)值為50ms)；

e)、對mpu6050傳感器的fifo緩存初始化，將其設(shè)置為觸發(fā)模式，并由自由下落中斷觸發(fā)；

f)、當(dāng)從其他狀態(tài)返回時，cc2530定時器計時器(在f1中啟動)將停止，并系統(tǒng)重新初始化。

2、f1：自由下落狀態(tài)。跌倒開始時會出現(xiàn)一定的失重現(xiàn)象，尤其在自由下落過程，這個現(xiàn)象更加明顯。此時，加速度的矢量合會降低到接近0g，此現(xiàn)象持續(xù)的時間與自由下落的高度有關(guān)。對于一般的跌倒，其加速度矢量和雖然不會像自由下落時下降那么明顯，但其加速度矢量合通常會小于1g(正常情況下加速度矢量合應(yīng)大于1g)。因此，可以將是否出現(xiàn)自由下落現(xiàn)象作為判斷跌倒的第一個依據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)自由下落現(xiàn)象時會觸發(fā)mpu6050的自由下落中斷。自由下落中斷主要任務(wù)如下：

a)、mpu6050的fifo緩存被觸發(fā)，緩存按照fifo的模式保存了自由下落中斷觸發(fā)前2秒鐘內(nèi)采樣到的3軸加速度、角速度數(shù)據(jù)；

b)、cc2530啟動定時器(默認(rèn)時長為50ms)。該定時器是遞歸的，即當(dāng)前一個定時器到期時，它將啟動另一個特定時長的定時器；

c)、如果自由下落中斷被斷言超過150ms(即3個計時器滴答)，算法進(jìn)入f2狀態(tài)。否則進(jìn)入f1狀態(tài)。

3、f2：撞擊狀態(tài)。失重狀態(tài)即將結(jié)束時，即監(jiān)測對象自由下落至與地面或其他較低的物體發(fā)生沖撞時，會導(dǎo)致3軸加速度、角速度發(fā)生激烈變化。此時，通過設(shè)置mpu6050的運(yùn)動中斷可以檢測這個撞擊狀態(tài)。因此，自由落體中斷之后，緊接著產(chǎn)生運(yùn)動中斷是判斷跌倒是否發(fā)生的第二個依據(jù)。運(yùn)動中斷主要任務(wù)如下：

a)、設(shè)置運(yùn)動中斷為非使能狀態(tài)。在撞擊期間，運(yùn)動中斷可能被斷言多次。而依據(jù)一個運(yùn)動中斷的斷言就可以判斷撞擊是否發(fā)生，因此可以屏蔽隨后產(chǎn)生的運(yùn)動中斷斷言；

b)、cc2530檢索fifo緩存中前0.5秒鐘的數(shù)據(jù)，并計算它們的平均值作為檢測對象身體姿勢的初始值；

c)、如果在運(yùn)動中斷產(chǎn)生后2秒內(nèi)非運(yùn)動中斷被激活，則系統(tǒng)進(jìn)入f3，否則返回f0。

4、f3：非運(yùn)動狀態(tài)。通常檢測對象在跌倒后(即撞擊發(fā)生后)，不會馬上起來，而會有短暫的非運(yùn)動狀態(tài)產(chǎn)生(如果檢測對象因為嚴(yán)重跌倒而導(dǎo)致昏迷，有可能較長時間的靜止)，此時的3軸加速度、角速度曲線會表現(xiàn)出一段時間的平穩(wěn)狀態(tài)，而這可以通過mpu6050的非運(yùn)動中斷來檢測。因此，運(yùn)動中斷之后的非運(yùn)動中斷是判斷跌倒是否發(fā)生的第三個依據(jù)。非運(yùn)動中斷的主要任務(wù)如下：

a)、cc2530檢索fifo緩存中最后0.5秒鐘的數(shù)據(jù)，并計算它們的平均值作為檢測對象身體姿勢的最終值；

b)、在活動中斷產(chǎn)生2秒鐘后，如果發(fā)生非運(yùn)動狀態(tài)斷言，算法進(jìn)入f4。

5、f4：比較身體姿勢的初始值與最終值。跌倒之后，監(jiān)測對象會發(fā)生身體翻轉(zhuǎn)等運(yùn)動，因此人體的方向會與初始狀態(tài)不同。此時，跌倒后非運(yùn)動狀態(tài)下的3軸加速度、角速度數(shù)值與初始狀態(tài)下數(shù)值不同。因此，可以依據(jù)f3獲得的檢測對象身體姿勢的最終值與f2獲得的初始值對比值作為檢測是否跌倒的第4個依據(jù)。此狀態(tài)的主要任務(wù)如下：

a)、計算身體姿勢的最終值與初始值之間的差值，若差值大于設(shè)定閾值(例如，加速閾值通常為0.5g)，系統(tǒng)產(chǎn)生跌倒警報，并將活動中斷設(shè)置為使能狀態(tài)，算法進(jìn)入f5；

b)、將非活動中斷的檢測時間設(shè)成10秒，進(jìn)而判斷檢測對象跌倒后是否存在較長時間無法運(yùn)動的狀態(tài)；

c)、若在f4時，系統(tǒng)再次檢測到活動中斷，這表明跌倒撞擊給檢測對造成的傷害較小，不影響其正常生活，檢測對象的跌倒地否則算法進(jìn)入f0。

6、f5階段：報警狀態(tài)。

a)、cc2530控制蜂鳴器產(chǎn)生蜂鳴報警；

b)、cc2530通過內(nèi)置zigbee模塊將檢測對象跌倒?fàn)顟B(tài)發(fā)送給zigbee接收端主機(jī)，以便作進(jìn)一步的處理。