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基于MMA7260QT三轴加速度传感器的跌倒探测仪的研制

发布时间:2020-07-21 18:35:53 阅读: 来源:通风机厂家

引言

本文引用地址:跌倒探测仪适用于自理能力和自我保护能力比较差的老年人和儿童,它通过测量佩戴该仪器的个体在运动过程中的三个正交方向上的加速度来感知其身体姿态的变化,并可按照需要进行报警和发布。

跌倒探测仪由加速度传感器、数据处理模块、电源和通信模块构成。其中传感器测量对象的加速度矢量;处理器模块负责采集加速度传感器的数据,分析判断对象的身体姿态并控制报警及报警信息的发布;电源模块负责为整个系统提供电力供给;通信模块负责将报警信息通过一定的协议进行发布。

关键技术

人体运动模型的建立

在姿态转变过程中,重力将成为影响这一运动过程的主要因素。跌倒过程中,对象的加速度、速度和位移三种矢量均发生了变化。

如图1建立直角坐标系,X、Y、Z轴相互正交,任意空间方向上的矢量变化均可以分解成X、Y、Z三个方向上的分量变化。使用者正确佩戴跌倒探测器且处于静止或水平匀速运动状态下,Z轴方向的加速度为重力加速度(g),其他两个方向上加速度为0。当佩戴者跌倒时,如果仅考虑初始状态和最终状态就可以发现,理想情况下Z轴分量发生从最大值(1g)变化为0,而X或Y轴的分量则从0变化为最大(1g),具体是X轴还是Y轴发生这一变化,则由佩戴者跌倒后的姿态决定--平卧为X轴变化,侧卧为Y轴变化。如果身体姿态介于平卧和侧卧之间,则X轴和Y轴的加速度分量将满足\sqrt{x^{2}+y^{2}}=1g(站立情况下这个矢量和为0),仍然能够通过计算分析得出与站立不同的加速度分布。

但是在实际情况中,仅根据加速度分量的改变很难分辨卧倒姿态的形成原因,容易出现很多假阳性(检测到跌倒而实际没有跌倒)或假阴性(未检测到跌倒而实际出现跌倒)。因此,需要算法作进一步改进。一般来说,假阳性情况可以通过对加速度在时间域进行一次积分求速度、两次积分求位移的方式,全方位分析佩戴者身体姿态变化加以筛选;而假阴性情况除采用上面的全面姿态分析外,还需要佩戴者自主参与才能有效提高检出效率。因此,建立人体跌倒过程的运动模型,提取跌倒过程中身体姿态变化的特征参数是准确检测跌倒并发布报警信息的关键。

无线通信及空间定位信息获取跌倒报警必须及时送达救助中心才能够保证救助的有效性,报警信息的及时发布要求包含两层含意:其一是报警信息不会因为跌倒探测器佩戴者的行动和所处的位置受到影响;其二,发布的报警信息中应该包括佩戴者跌倒的地理位置内容,这样才能保证跌倒者得到有效救助。

采用无线通信的方式发布跌倒报警信息非常适合能够自由行动的配戴者,无线通信技术从技术成熟度、运行成本角度也都非常适用。从技术实现和成本方面考虑,选择CDMA通信方式更加适合跌倒探测器设计目的的实现。

系统方案设计

需求分析

身体姿态监测通过三轴加速度传感器的测量值,利用相应算法计算出佩戴者的身体姿态。当出现跌倒动作时,能够触发MCU中断处理。

报警控制机制使用者可根据自己的身体状况选择是否报警,当使用者已无法控制自己行为时,本产品应能够保证自动实施报警。

计步器在一般佩戴过程中,用户可使用该项功能,为自己的步行健身活动提供量化的参考信息。

空间定位在实施跌倒报警时,应为报警信息接受方提供报警地点的空间定位信息,保证有效救助及时到达。

无线通讯能够将报警和定位信息通过无线方式传输到相关人员处。

供电采用锂电池

部分信息显示使用液晶屏

系统架构设计

根据跌倒探测器的需求分析,具体的实现方案设计采用如图2所示的架构。该架构基于高性能、低功耗MCU--MC9S08QG8,通过获取加速度传感器的采集信息,经分析和计算后实现跌倒探测及报警等多项功能。

硬件设计

硬件设计围绕MCU展开,产品采用MC9S08QG8芯片,如何充分利用芯片资源,妥善完成产品的各项任务处理,是设计的关键。参考系统结构框架,根据功能模块划分,系统的硬件设计详细描述如下:

加速度采集电路加速度采集使用MMA7260QT,该芯片输出为模拟信号,需进行A/D转换后才能进行数据处理。MC9S08QG8芯片的PA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MC9S08QG8芯片内部的A/D模块实现模数转换,具体实现中采用PA0、PA1和PA2作为三轴加速度的采集通道,与MMA7260QT的Xout(Pin15)、Yout(Pin14)和Zout(Pin13)相连,A/D采样的控制时钟通过软件配置MC9S08QG8相应控制寄存器完成。

MCU外围电路本设计中,MCU外围电路包括电源与时钟、数据缓存和按键电路三部分构成,下面分别描述。

电源与时钟功能组件包括MCU、液晶、按键、采集、数据存储和通信几部分。根据所选用器件的数据手册,各组件对供电要求如图3所示。

从图中可以看出,整个系统设计要求电源参数有三种,分别为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提供3.3V的工作电压;而在无线通信模块中,针对读取入网SIM卡部分电路要求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,由于能够满足CDMA射频模块的工作要求,故直接使用Li电池的输出供电;联通入网SIM卡信息读取电路的工作电压为3V,设计中采用MICREL公司的MIC5219-3.0芯片执行电压转换工作;其他数字电路部分的工作电压为3.3V,设计中采用MICREL公司的MIC5219-3.3芯片实现这一转换,参见图3中虚线框中的内容。

MC9S08QG8自带时钟模块(ICS),为了降低功耗和简化设计,本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稳定工作,故在硬件电路设计中不需作过多的考虑。

存储器有效的数据缓存要求至少具有320点(合1920字节)的存储深度。 在本设计中,采用Holtek公司的HT24LC16串行EEPROM作为数据缓存。该芯片采用I2C通讯接口,存储深度2K字节,数据读写速度在微妙量级,能够满足数据实时写入的要求。数据写满后,MCU自动将地址重置,从首地址开始覆盖写入新的数据。

由于MC9S08QG8内部配有I2C控制模块,故只需将该模块对应管脚与EEPROM连接即可--使用PB6(Pin5)和PB7(Pin6)与EEPROM连接。

按键电路报警确认、报警取消、计步器启动、计步器暂停、计数清零以及无线通信中接受方号码的设置,都要求跌倒探测器具有用户输入的接口,设计中采用按键实现。按键的接法和使用较为简单,直接利用MCU的输入输出管脚即可,本设计采用Pin1和Pin13。

液晶显示本设计采用5位7段码液晶屏,计步器显示计数和报警接受方电话号码输入都是通过该液晶屏提供给使用者确认。液晶屏的控制管脚为24个,由于MCU全部管脚座位液晶控制也无法满足工作需求,故在本设计中采用Holtek公司的HT1621B液晶驱动芯片完成从MCU到液晶屏显示数据的管理和驱动。另外,HT1621B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将有助于提高跌倒探测器报警的针对性和准确性,将通过在HT1621B的BZ管脚连接一蜂鸣器得以实现。

HT1621B为I2C接口,MCU可通过内部I2C控制模块传输指令和数据给该芯片。由于本系统采用的EEPROM也是使用I2C接口,针对不同器件的数据传输和控制指令将通过地址选择加以实现。

通信模块本设计采用AnyData公司的DTGS-800b型OEM模块。该模块符合CDMA:IS-95 A/B、IS-98A、IS-126、IS-637A、IS-707A以及IS-2000等标准协议,能够提供最高153.6K的数据通讯速率,工作电压3.6V~4.4V,外形尺寸为53*33*2.7mm,总重量为15g,提供外部通讯接口包括RS-232s、Digital/Analog Audios、LCD、Keypad、Ringer External Reset Control、R-UIM、MP3、MIDI、GPIOs和USB。另外该模块可收发短信、集成GpsOne技术,无须添加其他组件即可得到地理定位信息,且厂家技术支持非常完善,其各项功能配置非常适合跌倒探测器的需求描述。

具体实现中,CDMA模块要求配套入网SIM卡,模块各项功能可由MCU通过RS232接口以AT命令的方式加以调用。本设计中通信模块的设计如图4所示。

MC9S08QG8的SCI外设接口经TTL-RS232转换后,与DTGS-800b的RS232端口相连,用以向该模块发AT命令。由于该模块要求7信号的RS232接口,而MCU自带SCI不提供该种通信方式,故在系统设计中采用I/O口进行软件模拟其他的控制信号:CTS、RFR和DTR。DTGS-800b模块通过SIM卡读卡电路与SIM卡相连,内部自带处理器根据需要读取SIM卡信息,完成CDMA的入网和通信信息的交换。

端口分配由于本设计采用MC9S08QG8单片机仅能提供最多14个I/O端口,根本无法满足控制整个系统运行的信号数量要求,故在进行具体设计时,对各管脚的使用和分配进行了专门的部署,如图5所示。

程序调试和烧入需要两个端口,但完成调试和烧写操作后,这两个端口可以作为标准的I/O使用,故在设计中将其中一个I/O(Pin1)作为按键的输入,实现了端口的复用。

CDMA组件与MCU的通讯要求通过7信号RS232接口,而MC9S08QG8的SCI模块仅有TXD和RXD两个信号,在设计中采用标准I/O通过软件模拟的方式实现其它所需信号,包括DTR、CTS、RFR。

EEPROM和液晶驱动组件的存取采用I2C接口,本设计中将使用MC9S08QG8的I2C模块进行硬件控制,通过地址选择实现不同组件间的切换。

软件设计

软件设计是系统各项功能具体实现的关键。在跌倒探测器的软件设计中,由实线系统功能引发的处理内容较多,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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