基于惯性传感器的坐姿和摔倒检测系统设计
发布时间：2021-03-21 13:23
随着人们生活水平的提高,儿童健康成长和老人安全问题越来越受到人们的重视。本文在分析了国内外已有的背部矫姿控制器和老人摔倒识别研究的基础上,设计了一款将检测儿童背部姿态和老人识别摔倒结合于一体的智能姿态检测系统,市场上的基于惯性传感器的姿态矫正装置多为单一传感器的检测装置,检测部位单一、功能单一。本文同时针对坐姿和摔倒检测问题的研究,提高了产品的性价比和测量准确度,具有一定的市场竞争力。本文在研究国内外基于惯性传感器的姿态检测系统基础上,设计开发了一款基于惯性传感器的坐姿和摔倒检测系统,主要的研究工作和成果如下:（1）在分析了国内外研究现状的基础上,确定了系统设计的需求。并根据系统的设计需求进行了系统框架设计和系统软件架构设计。（2）设计了以STM32F072CBU6微处理器的坐姿和摔倒检测系统硬件架构,采用了模块化电路,其中模块电路主要包括最小系统模块、传感器采集模块、开关机模块、语音模块、充电电路模块、ADC电量采集模块、蓝牙模块、马达驱动模块和GPRS无线通信模块,阐述了各个模块的工作原理,完成了电路的制作和调试。（3）进行了人体摔倒实验和其他行为实验,采用了SVM算法对实验数据进...
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
智能背心产品TruPosture[21]
倒检测系统5主要有基于时域分析法的人体摔倒过程识别方法和阈值分析法的人体摔倒行为识别方法[33]。基于时序分析的人体摔倒过程算法可用于人体摔倒预测和摔倒检测，不仅仅是对人体摔倒行为是否发生进行预测，还可用于对人体摔倒的识别[34]。基于阈值分析的方法只能用于摔倒检测。结合本课题研究的内容，需要研究的是检测人体摔倒，基于阈值分析的方法对本课题研究非常适合。国内在穿戴式传感器通常都是集中在一块PCB上，只能检测身体的一个部位。例如，中国科学技术大学佟丽娜在人体摔倒过程识别方法研究中的检测装置，如图1-2。该装置通过绷带绑在人身上检测，存在测量人体部位单一、装置体积较大、不易于人体携带和实验测量时抖动性大，影响实验检测结果等缺点。本系统针对此，硬件平台经过优化。首先，惯性传感器分在两个PCB上，可以测量人体的两个部位，提高识别率准确性；其次，本系统硬件装置加装在矫姿带上，测量时很稳定；最后本系统的硬件装置体积小，易于携带和商业化。图1-2人体摔倒过程识别研究的常用单个传感器检测装置[19]Figure1-2.Detectiondeviceoftonglinainhumanfallingrecognitionresearch1.3课题研究内容和章节安排本课题主要针对的是儿童背部姿态矫正和老年人摔倒识别的研究。本课题通过以STM32F072CBU6作为核心处理器，通过外接惯性传感器、GPRS模块、充电模块、蓝牙等模块搭建起硬件电路。本论文首先研究了各个模块的驱动程序，确定了背部姿态识别方法和基于阈值分析的摔倒识别方法。然后对基于阈值分析的摔倒识别方法和实验进行了研究。根据课题的研究内容，论文的章节安排如下：第一章为绪论部分，主要介绍本课题的研究背景与意义，以及国内外研究现状。第二章为系统总体方案设计，首先确立了系统的设计目的和原?
浙江工业大学硕士学位论文8姿势是否理想，若不理想，需要报警提醒佩戴人，并将此不良姿势存储起来供人查看。其次，对于识别人体摔倒，当发现人体有摔倒时，通过GPRS发短信给特定的人进行报警。所以，控制器的基本流程：惯性传感器不断的检测数据，并将数据发送给MCU进行处理，MCU根据处理之后得到的数据根据背部姿态检测算法和基于阈值的摔倒识别算法去判断当前的背部姿态和是否摔倒，再决定是否执行语音模块、马达模块、GPRS模块等报警动作。另外，若此时设备通过蓝牙连接着手机，手机也可以更加形象的查看人体背部姿势。同时，手机APP也发送参数设置指令给设备，包括角度设置指令、马达振动强度指令、语音模块声音大小指令等。在使用过程中，若硬件设备增加了其他的最新功能或者设备使用过程出现问题，可以通过服务器给GPRS远程更新最新的程序。通过对工作流程的分析可知，设计控制器必须要有以下四个功能：（1）通讯功能，与手机APP上位机和服务器通信功能；（2）存储功能，对参数设置指令、不良姿势记录的存储；（3）数据接收和处理功能，对惯性传感器的数据进行接收，并加以处理去判断背部姿势和识别摔倒；（4）输入输出功能，包括ADC电量检测、IO口的操作、马达和语音模块的驱动。图2-1系统工作框图Figure2-1.Systemworkblockdiagram如图2-1所示，姿态检测系统共分为硬件装置、APP、服务器三部分。姿态硬件装置主要分成两部分，分别为主板和从板。主板存放的装置称为主机，从板存放的装置称为从机。主机测量背部上躯干角度，从机测量背部下躯干位置。主机主要包括语音模块、马达模块、蓝牙模块、充电模块、惯性传感器、GPRS模
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于视频的人体姿态检测方法及其应用综述[J]. 连仁明,刘颖,于萍,刘畅. 电脑编程技巧与维护. 2019(09)
[2]基于MPU6050的轮式机器人姿态检测系统设计[J]. 李士琳,王春光. 南方农机. 2019(17)
[3]中国儿童坐姿三维几何人体模型数据库的研发[J]. 曹立波,陶武康,谭力凡,游雅利,吴俊. 汽车安全与节能学报. 2019(01)
[4]基于三轴加速度传感器的老年人摔倒检测算法的设计与实现[J]. 汤引生,谢楠,何建强. 微型电脑应用. 2019(02)
[5]智能手机在老人跌倒检测中的应用[J]. 吴典聪. 数字通信世界. 2019(01)
[6]一种儿童坐姿监测系统的设计[J]. 陆锋. 山西大同大学学报(自然科学版). 2018(05)
[7]支持向量机模型与应用综述[J]. 刘方园,王水花,张煜东. 计算机系统应用. 2018(04)
[8]中国人口老龄化的现状及建议[J]. 黄明安,陈钰. 经济研究导刊. 2018(10)
[9]基于深度图像的嵌入式人体坐姿检测系统的实现[J]. 曾星,罗武胜,孙备,鲁琴,刘涛诚. 计算机测量与控制. 2017(09)
[10]我国失能老人长期照护现状及对策[J]. 王梅梅,张先庚,王红艳,曹俊,刘爽. 全科护理. 2015(31)
博士论文
[1]基于力学量信息获取系统的人体摔倒过程识别方法研究[D]. 佟丽娜.中国科学技术大学 2011
[2]一种实时的跌倒姿态检测和心率监护系统的研究[D]. 文耀锋.浙江大学 2008
硕士论文
[1]基于三维人体姿态估计的老人跌倒检测[D]. 孙俊逸.郑州大学 2019
[2]基于姿态分析的摔倒检测研究与实现[D]. 高苗.上海师范大学 2019
[3]基于多信息融合的老人跌倒检测系统[D]. 严远忠.中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院) 2018
[4]儿童智能坐姿矫正器体验性设计研究[D]. 唐文力.长春工业大学 2018
[5]基于MPU6050的老年人摔倒检测系统设计[D]. 杨梦雨.重庆大学 2017
[6]基于STM32的新型家用报警器的研究与实现[D]. 李涛.燕山大学 2016
[7]基于惯性传感器的智能手环手势识别系统[D]. 王善德.吉林大学 2016
[8]基于FSR和陀螺仪的人体姿态检测及行走趋势分析[D]. 刘楚红.沈阳工业大学 2015
[9]基于MEMS陀螺仪姿态检测系统研制[D]. 吴冬冬.浙江理工大学 2014
[10]人的坐姿检测方法及行为劝导研究[D]. 郑泽铭.浙江大学 2013
本文编号：3092936
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
智能背心产品TruPosture[21]
倒检测系统5主要有基于时域分析法的人体摔倒过程识别方法和阈值分析法的人体摔倒行为识别方法[33]。基于时序分析的人体摔倒过程算法可用于人体摔倒预测和摔倒检测，不仅仅是对人体摔倒行为是否发生进行预测，还可用于对人体摔倒的识别[34]。基于阈值分析的方法只能用于摔倒检测。结合本课题研究的内容，需要研究的是检测人体摔倒，基于阈值分析的方法对本课题研究非常适合。国内在穿戴式传感器通常都是集中在一块PCB上，只能检测身体的一个部位。例如，中国科学技术大学佟丽娜在人体摔倒过程识别方法研究中的检测装置，如图1-2。该装置通过绷带绑在人身上检测，存在测量人体部位单一、装置体积较大、不易于人体携带和实验测量时抖动性大，影响实验检测结果等缺点。本系统针对此，硬件平台经过优化。首先，惯性传感器分在两个PCB上，可以测量人体的两个部位，提高识别率准确性；其次，本系统硬件装置加装在矫姿带上，测量时很稳定；最后本系统的硬件装置体积小，易于携带和商业化。图1-2人体摔倒过程识别研究的常用单个传感器检测装置[19]Figure1-2.Detectiondeviceoftonglinainhumanfallingrecognitionresearch1.3课题研究内容和章节安排本课题主要针对的是儿童背部姿态矫正和老年人摔倒识别的研究。本课题通过以STM32F072CBU6作为核心处理器，通过外接惯性传感器、GPRS模块、充电模块、蓝牙等模块搭建起硬件电路。本论文首先研究了各个模块的驱动程序，确定了背部姿态识别方法和基于阈值分析的摔倒识别方法。然后对基于阈值分析的摔倒识别方法和实验进行了研究。根据课题的研究内容，论文的章节安排如下：第一章为绪论部分，主要介绍本课题的研究背景与意义，以及国内外研究现状。第二章为系统总体方案设计，首先确立了系统的设计目的和原?
浙江工业大学硕士学位论文8姿势是否理想，若不理想，需要报警提醒佩戴人，并将此不良姿势存储起来供人查看。其次，对于识别人体摔倒，当发现人体有摔倒时，通过GPRS发短信给特定的人进行报警。所以，控制器的基本流程：惯性传感器不断的检测数据，并将数据发送给MCU进行处理，MCU根据处理之后得到的数据根据背部姿态检测算法和基于阈值的摔倒识别算法去判断当前的背部姿态和是否摔倒，再决定是否执行语音模块、马达模块、GPRS模块等报警动作。另外，若此时设备通过蓝牙连接着手机，手机也可以更加形象的查看人体背部姿势。同时，手机APP也发送参数设置指令给设备，包括角度设置指令、马达振动强度指令、语音模块声音大小指令等。在使用过程中，若硬件设备增加了其他的最新功能或者设备使用过程出现问题，可以通过服务器给GPRS远程更新最新的程序。通过对工作流程的分析可知，设计控制器必须要有以下四个功能：（1）通讯功能，与手机APP上位机和服务器通信功能；（2）存储功能，对参数设置指令、不良姿势记录的存储；（3）数据接收和处理功能，对惯性传感器的数据进行接收，并加以处理去判断背部姿势和识别摔倒；（4）输入输出功能，包括ADC电量检测、IO口的操作、马达和语音模块的驱动。图2-1系统工作框图Figure2-1.Systemworkblockdiagram如图2-1所示，姿态检测系统共分为硬件装置、APP、服务器三部分。姿态硬件装置主要分成两部分，分别为主板和从板。主板存放的装置称为主机，从板存放的装置称为从机。主机测量背部上躯干角度，从机测量背部下躯干位置。主机主要包括语音模块、马达模块、蓝牙模块、充电模块、惯性传感器、GPRS模
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于视频的人体姿态检测方法及其应用综述[J]. 连仁明,刘颖,于萍,刘畅. 电脑编程技巧与维护. 2019(09)
[2]基于MPU6050的轮式机器人姿态检测系统设计[J]. 李士琳,王春光. 南方农机. 2019(17)
[3]中国儿童坐姿三维几何人体模型数据库的研发[J]. 曹立波,陶武康,谭力凡,游雅利,吴俊. 汽车安全与节能学报. 2019(01)
[4]基于三轴加速度传感器的老年人摔倒检测算法的设计与实现[J]. 汤引生,谢楠,何建强. 微型电脑应用. 2019(02)
[5]智能手机在老人跌倒检测中的应用[J]. 吴典聪. 数字通信世界. 2019(01)
[6]一种儿童坐姿监测系统的设计[J]. 陆锋. 山西大同大学学报(自然科学版). 2018(05)
[7]支持向量机模型与应用综述[J]. 刘方园,王水花,张煜东. 计算机系统应用. 2018(04)
[8]中国人口老龄化的现状及建议[J]. 黄明安,陈钰. 经济研究导刊. 2018(10)
[9]基于深度图像的嵌入式人体坐姿检测系统的实现[J]. 曾星,罗武胜,孙备,鲁琴,刘涛诚. 计算机测量与控制. 2017(09)
[10]我国失能老人长期照护现状及对策[J]. 王梅梅,张先庚,王红艳,曹俊,刘爽. 全科护理. 2015(31)
博士论文
[1]基于力学量信息获取系统的人体摔倒过程识别方法研究[D]. 佟丽娜.中国科学技术大学 2011
[2]一种实时的跌倒姿态检测和心率监护系统的研究[D]. 文耀锋.浙江大学 2008
硕士论文
[1]基于三维人体姿态估计的老人跌倒检测[D]. 孙俊逸.郑州大学 2019
[2]基于姿态分析的摔倒检测研究与实现[D]. 高苗.上海师范大学 2019
[3]基于多信息融合的老人跌倒检测系统[D]. 严远忠.中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院) 2018
[4]儿童智能坐姿矫正器体验性设计研究[D]. 唐文力.长春工业大学 2018
[5]基于MPU6050的老年人摔倒检测系统设计[D]. 杨梦雨.重庆大学 2017
[6]基于STM32的新型家用报警器的研究与实现[D]. 李涛.燕山大学 2016
[7]基于惯性传感器的智能手环手势识别系统[D]. 王善德.吉林大学 2016
[8]基于FSR和陀螺仪的人体姿态检测及行走趋势分析[D]. 刘楚红.沈阳工业大学 2015
[9]基于MEMS陀螺仪姿态检测系统研制[D]. 吴冬冬.浙江理工大学 2014
[10]人的坐姿检测方法及行为劝导研究[D]. 郑泽铭.浙江大学 2013
本文编号：3092936
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