一种基于多传感器的老人监护系统

1.一种基于多传感器的老人监护系统包括：穿戴设备端和上位机管理系统端；穿戴设备端包括微处理器(MPU)与微处理器连接的传感器模块(三轴加速度计，三轴陀螺仪)、WiFi定位模块、北斗定位模块、GSM模块、时钟模块、按键、扬声器、外部存储模块，以及为上述设备供电的电源模块。管理系统端包括紧急报警处理模块、数据库、上位机数据管理软件；其功能模块包括跌到报警系统、计步器、实时定位查询系统、区域监护系统、运动轨迹监测系统；
(1)微处理器，与穿戴设备端的所有外设相连，由于设备端外设丰富，其中北斗定位模块，WiFi定位模块与GSM模块分别通过串口与MPU连接，三轴加速度计与三轴陀螺仪通过IIC总线接口与MPU连接，时钟模块通过SPI总线与MPU相连，因此选用MSP430芯片作为MPU；MPU主要功能有以下几点：1)控制传感器数据的采集，以及多阈值跌倒算法，计步器功能的实现；2)通过北斗定位模块进行室外定位，WiFi定位模块进行室内定位；3)控制存储模块的数据读写、擦除；4)控制报警信息的发送；5)控制扬声器，按键外设的正常工作；
(2)传感器模块，主要包括三轴加速度计，三轴陀螺仪；三轴加速度计采集用户的加速度信息，用以提供用户步态信息以及判定跌倒；三轴陀螺仪测量角速度，转换为角度信息，可以辅助进行跌倒判定，产生报警信号；
(3)时钟模块，为设备端提供时间参考信息；
(4)GSM模块，其主要作用是在突发情况下，MPU发送求救指令唤醒GSM模块，指令的格式为AT串行指令，该模块以短信的形式将定位信息，报警信息发送给看护中心；
(5)按键，主要作用有两个，第一个：一键报警功能，在未检测到报警信号时，按下按键，就能启动GSM模块通过短信方式发送报警信息和位置信息，一键报警；第二个：在检测到报警信号时，扬声器响起，按下按键即可取消报警，实现人机交互，减少虚报误报的概率；
(6)扬声器，当检测到报警信息，扬声器响起，便于看护人员搜寻老人，还能提醒老人是否误报，便于取消报警；
(7)WiFi定位模块，其功能主要有两个，第一个是WiFi室内定位功能，第二个是WiFi数据传输功能；WiFi室内定位功能主要是为了弥补在没有北斗卫星信号的室内情况，仍能进行定位，通过搜索不同WiFi的接入点ID，读取两个或两个以上接入点WiFi信号的强度，通过MPU计算得到平面位置信息，其定位精度可以到10米级，能满足老人看护的需求；WiFi传输模块在有WiFi的情况下能传输老人的位置信息；同时通过北斗和WiFi的定位功能，可以得到老人每天的运动轨迹，在有WiFi的情况下，将该信息传送给看护中心数据库，便于对老人进行活动检测，健康管理；
(8)北斗定位模块，一般情况下工作在睡眠模式，其主要作用是在突发情况下，MPU发送定位指令唤醒北斗模块，搜索卫星信号进行定位，弥补在室外没有WiFi的情况下，系统还能进行室外定位，并通过短信将定位结果发出；
外部存储模块，负责缓存WiFi定位信息，当定位信息通过WiFi模块发送到上位机后，上位机通过WiFi返回一个确认信号，收到该确认信号后，MPU控制外部存储模块将缓存内容清除；
(9)数据库，用以存储设备端采集到的数据；
(10)上位机数据管理软件，对设备端传来的老人每天所走步数，位置信息进行管理，并通过以上信息对老人健康状况进行分析；
(11)紧急报警处理模块，当接收到设备端传来的报警信号，紧急报警处理模块能有效的提醒看护人员进行急救，并将收到的位置信息准确定位，自行匹配出最优到达该位置的路线，发送给看护人员。
2.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的老人监护系统，其特征在于：所述跌倒报警系统工作时，由传感器模块接收加速度计和三轴陀螺仪数据，通过MPU对以上数据卡尔曼滤波以进行跌倒检测，当检测到跌倒时，MPU发出报警指令，控制WiFi模块和北斗模块进行定位，通过GSM模块发送报警信息和位置信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的老人监护系统，其特征在于：所述的计步器，通过MPU处理加速度信息实现，加速度计能检测老人的步态信息，对步态运动进行计数，同时读取时钟模块信息，在每日24时准时清零，在有WiFi的情况下将暂存每天的步数信息发送给看护中心数据库，便于健康管理；其特征在于所述的计步器具体实现步骤如下：
(1)本发明中计步器的实现采用峰值检测和动态阈值的方法。峰值检测要求系统持续更新三轴加速度的最大值和最小值，每采样30次更新一次。平均值(Max+Min)/2称为“动态阈值”。接下来的30次采样利用此阈值判断老人是否迈出步伐。由于此阈值每30次采样更新一次，因此它是动态的。这种选择具有自适应性，且速度快；
(2)在此判定的基础上，两粗步态计数之间的间隔必须在0.2s～2.0s之间，时间超过该区间，则步伐被排除，不计数；反之，该粗步态计数被确认，精步态计数加一；
(3)读取时钟模块信息，在每日24时准时清零，在有WiFi的情况下将暂存每天的步数信息发送给看护中心数据库，便于健康管理。
4.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的老人监护系统，其特征在于：所述实时定位查询系统工作时，上位机软件可以通过GSM发送查询命令，实时查询任意一位老人的位置和所走步数信息，设备端通过WiFi或者GSM模块将位置信息和步数返回给上位机；其特征在于所述的实时定位查询系统具体实现步骤如下：
(1)上位机数据管理软件通过GSM短信形式发送查询命令到指定设备端；
(2)该设备端MPU读取短信命令，通过WiFi或者北斗模块进行定位，读取当前计步器读数；
(3)检测WiFi是否连通，如果WiFi连通，则通过WiFi发送模块发送数据到上位机；若WiFi未连通，则启动GSM模块发送位置和步数信息到上位机。
5.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的老人监护系统，其特征在于：所述区域监护系统工作时，通过WiFi模块可以判定老人是否处于预先设定的活动区域(一般在敬老院范围内)，当老人走出该范围，MPU发出报警指令，控制WiFi模块和北斗模块进行定位，通过GSM模块发送报警信息和位置信息，该信息的更新频率为0.1Hz，可以更方便的对老人进行区域监护，防止不慎走失情况发生。
6.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的老人监护系统，其特征在于：所述运动轨迹监测系统工作时，利用WiFi的定位功能，可以得到老人每天的运动轨迹，并将该信息缓存至存储模块，再将该信息传送给看护中心数据库，便于对老人进行活动检测，健康管理；其特征在于所述的运动轨迹检测功能具体实现步骤如下：
(1)老人的一般在室内活动，主要通过WiFi室内定位记录运动轨迹；
(2)WiFi记录下的位置信息缓存在存储模块，MPU通过WiFi模块发送缓存信息，每小时打包发送一次到上位机，上位机收到数据后通过WiFi返回一个确认信号，MPU收到该确认信号后，删除存储模块中的缓存信息。
7.所述一种基于多传感器的老人监护系统的跌倒检测方法，包括以下步骤：
(1)通过MPU采集三轴加速度计的加速度和三轴陀螺仪的压力信息，计算得到合加速度(SMA)和高度信息，合加速度的算法：
(2)通过实验设置多级阈值对跌倒进行判定；
第一级阈值为和加速度SMA小于0.5g，对应跌倒瞬间的失重状态；
第二级阈值为检测到第一级阈值后0.5s内SMA大于4g，对应老人跌倒触地瞬间产生的加速度；
第三级阈值为检测到第一、二级阈值间俯仰角或横滚角变化超过70度，该角度对应老人倒地过程的角度变化；
当三级阈值都达到时，判定跌倒产生，启动北斗模块进行定位，并结合WiFi定位模块定位信息确定具体位置，启动GSM模块发送报警信息和位置信息。
8.根据权利要求7所述的一种基于多传感器的老人监护系统的跌倒检测方法，其特征在于步骤(2)中所述的俯仰角与横滚角的解算方法具体实现步骤如下：
(1)用四元数及三轴陀螺仪静态漂移值作为卡尔曼滤波的状态量，X(k|k-1)为k时刻的状态量，q1,q2,q3,q4为四元数值，wx,wy,wz为三轴陀螺仪静态漂移值；
X(k|k-1)＝[q1,q2,q3,q4,wx,wy,wz]T       (1)
(2)更新k时刻的状态估计量；
X(k|k-1)＝AX(k-1|k-1)         (2)
其中
X(k-1|k-1)为k-1时刻的最优状态量，A为状态转移矩阵，gx,gy,gz为三轴陀螺仪数据，Ts为采样周期；
(3)更新k时刻协方差估计；
P(k|k-1)＝AP(k-1|k-1)AT+Q         (4)
其中P(k|k-1)为协方差估计值，P(k-1|k-1)为k-1时刻最优协方差，Q为系统噪声方差矩阵；
(4)更新最优状态估计；
X(k|k)＝X(k|k-1)+Kk(Zk-HX(k|k-1))      (5)
其中Kk为最优卡尔曼增益，Zk为量测值；
Zk＝[ax,ay,az]T             (6)
(5)更新卡尔曼增益；
其中，R为量测噪声方差矩阵；
(6)更新k时刻协方差最优估计值；
P(k|k)＝(I-KkH)P(k|k-1)          (10)
其中，I为单位矩阵；
T
(7)通过以上卡尔曼滤波后得到k时刻最优状态量X(k|k)＝[q0,q1,q2,q3,wx,wy,wz]，通过比较四元数姿态矩阵与方向余弦矩阵后得到俯仰角和横滚角；
。
9.根据权利要求5所述的一种基于多传感器的老人监护系统的区域监护功能，其特征在于所述的区域监护功能具体实现步骤如下：
(1)预先存储边缘区域的WiFi接入点，通过MPU检测接入点ID信息；
(2)当检测到预存的边缘区域WiFi接入点ID后，MPU控制北斗模块进行定位，当检测到老人走出该区域，启动GSM模块发送报警信息和位置信息。

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