介绍

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跌倒检测仪适用于自理能力和自我保护能力较差的老人和儿童。它通过测量佩戴该仪器的个体在运动过程中三个正交方向的加速度来感知身体姿势的变化，并可以检测身体姿势的变化。根据需要发出警报和发布。

跌倒检测器由加速度传感器、数据处理模块、电源和通信模块组成。传感器测量物体的加速度矢量；处理器模块负责采集加速度传感器的数据，分析判断物体的身体姿态，控制报警和报警信息的发布；电源模块负责为整个系统提供电源；通信模块负责发送报警信息，通过某种协议发布。

关键技术

人体运动模型的建立

在姿态转换过程中，重力将成为影响这一运动过程的主要因素。在坠落过程中，物体的加速度、速度和位移三个向量都发生了变化。

建立笛卡尔坐标系，如图 1 所示。X、Y 和 Z 轴相互正交。任意空间方向的矢量变化都可以分解为X、Y、Z三个方向的分量变化。当用户正确佩戴跌倒检测仪并处于静态或水平匀速运动状态时，Z-方向的加速度轴方向为重力加速度（g），其他两个方向的加速度为0。当佩戴者跌倒时，如果只考虑初始状态和最终状态，可以发现理想的Z轴分量从最大值（1g）变为0，而X或Y轴分量从0变为最大值（1g），这种变化是发生在X轴还是Y轴，取决于佩戴者跌倒后的姿势——X轴变化为仰卧位，Y轴变化为侧卧位。如果身体姿势介于仰卧和侧卧之间，X轴和Y轴的加速度分量将满足\sqrt{x^{2}+y^{2}}=1g（在站立的情况下这个向量和是0），通过计算分析仍然可以得到与站立不同的加速度分布。

但在实际情况下，仅根据加速度分量的变化很难区分俯卧位的原因，误报（检测到跌倒但实际未跌倒）或误报（未检测到跌倒但实际跌倒）发生）容易发生。因此，需要进一步改进算法。一般来说，假阳性病例可以通过综合分析佩戴者身体姿势的变化，在时域上对加速度一次为速度，二次为位移进行综合分析；而对于假阴性情况，除了使用上述综合姿态分析之外，还需要佩戴者自身的参与，才能有效提高检测效率。所以，

无线通信与空间定位信息采集

坠落警报必须及时送达救援中心，以确保救援的有效性。及时发布报警信息的要求包含两层含义：一是报警信息不受跌倒探测器佩戴者的动作和位置的影响；其次，发布的报警信息中应包含佩戴者坠落的地理位置，以确保坠落者能够得到有效抢救。

采用无线通讯方式发布跌倒报警信息，非常适合可以自由活动的佩戴者。无线通信技术从技术成熟度和运营成本的角度来看也是非常合适的。考虑到技术实现和成本，选择CDMA通信方式更适合跌倒检测器设计目的的实现。

系统设计

需求分析

身体姿势监测

通过三轴加速度传感器的测量值，使用相应的算法计算出佩戴者的身体姿势。当发生跌落时，可以触发MCU中断处理。

报警控制机制

用户可以根据自己的身体状况选择是否报警。当用户无法再控制自己的行为时，本产品应该能够保证自动执行报警。

计步器

在一般的穿着过程中，用户可以通过该功能为自己的步行健身活动提供量化的参考信息。

空间定位

实施跌倒报警时，应向报警信息的接收者提供报警位置的空间定位信息，以保证有效救援及时到达。

无线通信

警报和位置信息可以无线传输给相关人员。

锂电池供电

使用液晶显示屏显示一些信息

系统架构设计

根据跌倒检测器需求分析，具体实现方案设计采用图2所示架构。该架构基于高性能、低功耗MCU，分析后实现跌倒检测、报警等多项功能通过获取加速度传感器采集的信息进行计算。

硬件设计

硬件设计围绕MCU，产品采用芯片。如何充分利用芯片资源，妥善完成产品的各项任务，是设计的关键。参照系统结构框架，按照功能模块的划分，对系统的硬件设计进行详细说明如下：

加速度采集电路

采用加速度采集，芯片输出为模拟信号，需经过A/D转换后才能进行数据处理。芯片的PA管脚为复用通道，可根据需要设置为I/O、键盘中断或A/D采样通道。本设计将利用芯片内部的A/D模块来实现模数转换。具体实现时PA0、PA1和PA2作为三轴加速度的采集通道，Xout(Pin15）,Yout(Pin14）接Zout （Pin13），A/D采样的控制时钟是通过软件配置相应的控制寄存器来完成的。

单片机外围电路

在本设计中，MCU外围电路由电源和时钟、数据缓存和关键电路三部分组成，下面分别介绍。

电源和时钟

功能部件包括MCU、LCD、按键、采集、数据存储和通信。根据所选器件的数据表，各元件的供电要求如图3所示。

从图中可以看出，整个系统设计需要三个电源参数，分别是3V、3.3V和3.7V。其中，主要数字电路部分——包括MCU及其外围电路部分，要求工作电压为3.3V；而在无线通信模块中，对于SIM卡部分网络的读取，需要3V的供电电压，CDMA射频部分工作电压要求不低于3.5V。

在实际设计中，输出电压为3.7V。由于可以满足CDMA射频模块的工作要求，锂电池的输出直接用于供电；中国联通SIM卡信息读取电路的工作电压为3V。本公司的-3.0芯片用于进行电压转换工作；其他数字电路部分的工作电压为3.3V，设计中采用本公司的-3.3芯片来实现这种转换，见图3虚线框的内容。

自带时钟模块（ICS），为了降低功耗，简化设计，系统通过软件设置相应的控制寄存器，实现系统时钟的上电和稳定运行无线报警系统，所以无需做硬件电路设计考虑太多。

记忆

有效的数据缓存需要至少 320 点（1920 字节）的内存深度。在本设计中，公司的串口用作数据缓存。该芯片采用I2C通信接口，存储深度为2K字节，数据读写速度为微秒级，可以满足实时数据写入的要求。数据写满后，MCU自动复位地址，从第一个地址开始写入新数据。

由于内部有一个I2C控制模块，只需要连接模块的相应引脚——使用PB6（Pin5）和PB7（Pin6））连接即可。

关键电路

报警确认、报警取消、计步器启动、计步器暂停、计数复位以及无线通信中接收器编号的设置都需要跌倒探测器有一个用户输入接口，在设计中通过按钮来实现。按键的连接和使用比较简单，直接使用单片机的输入输出引脚即可。本设计使用 Pin1 和 Pin13。

液晶显示器

本设计采用5位7段液晶屏，计步器显示计数和报警接收电话号码输入通过液晶屏提供给用户确认。液晶屏的控制引脚为24个，由于单片机所有引脚的液晶控制都不能满足工作要求，本设计采用本公司的液晶驱动芯片，完成从单片机到液晶屏的管理和驱动显示数据。此外，该芯片还具有蜂鸣器控制和驱动能力。在本设计中，集成蜂鸣器作为现场报警提示，有助于提高跌倒探测器报警的针对性和准确性。它将通过 A 蜂鸣器上的 BZ 引脚连接来实现。

对于 I2C 接口，MCU 可以通过内部的 I2C 控制模块向芯片传输命令和数据。由于本系统也使用I2C接口，不同设备的数据传输和控制指令将通过地址选择来实现。

通讯模块

本设计使用公司的 DTGS-800b OEM 模块。模块符合CDMA：IS-95 A/B、IS-98A、IS-126、IS-637A、IS-707A和IS-2000等标准协议，最多可提供153.6K数据通讯速率，工作电压3.6V~4.4V，外形尺寸53*33*2.7mm，总重量15g，提供包括RS-232s在内的外部通讯接口, / , LCD, , Reset , R-UIM, MP3、MIDI, GPIOs 和 USB。此外，该模块可以收发短信，集成技术，无需添加其他组件即可获取地理位置信息。厂家的技术支持非常齐全，其各种功能配置非常适合跌倒检测仪的需求描述。

在具体实现中，CDMA模块需要配套的SIM卡上网，模块的各个功能都可以由MCU通过RS232接口以AT指令的形式调用。本设计中通信模块的设计如图4所示。

DTGS-800b的SCI外设接口经过TTL-RS232转换后与DTGS-800b的RS232口相连，向模块发送AT指令。由于本模块需要7路信号RS232接口，而MCU自带的SCI没有提供这种通信方式，所以系统设计中使用I/O口来模拟其他控制信号：CTS、RFR和DTR。DTGS-800b模块通过SIM卡读取电路与SIM卡连接，内部处理器根据需要读取SIM卡信息，完成CDMA网络接入和通信信息交换。

端口分配

由于本设计使用的单片机最多只能提供14个I/O口无线报警系统，无法满足控制整个系统运行的信号数量要求。如图 5 所示。

程序调试和编程需要两个端口，但是调试和编程操作完成后，这两个端口可以作为标准I/O，所以其中一个I/O（Pin1））用作设计中的标准 I/O。按键的输入实现了端口的复用。

CDMA 组件与 MCU 之间的通信要求

通过7信号RS232接口，SCI模块只有两个信号，TXD和RXD。设计中采用标准I/O，通过软件仿真的方式实现其他所需的信号，包括DTR、CTS、RFR。

I2C 接口用于访问和访问液晶驱动组件。本设计使用的I2C模块由硬件控制，通过地址选择实现不同组件之间的切换。

软件设计

软件设计是系统各项功能具体实现的关键。在跌倒检测仪的软件设计中，由于实线系统的功能导致的处理内容较多。为了更好地利用和分配MCU的资源，采用了事务处理和状态机相结合的设计方法。

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