基于Android平台的老人跌倒检测软件

时间:2022-08-26 03:34:17

基于Android平台的老人跌倒检测软件

摘要:21世纪的中国将是一个不可逆转的老龄社会,随着社会的飞速发展,人口老龄化的趋势逐年增加。伴随而来老年人这一群体的明显弱点也逐渐体现出来——易跌倒,正因为这个弱点,使得许多老年人不敢出行。因此,在手机上开发一项检测老年人跌倒的软件系统是必要的。本文研究和探讨了在不同情况下发生跌倒时,利用加速度传感器,在30秒内判断出是否发生跌倒,并且在发生跌倒后,软件将会调用SMS的相关函数将发送短信息给该老人的监护人。

关键词:加速度传感器;跌倒检测;SMS

中图分类号:TP274

随着我国经济的发展及生活、医疗水平的提高,人们的寿命逐渐提高,老年人在人口中所占比例也逐渐上升。2000年我国60岁以上和65岁以上的人口占总人口的比例分别为10.31%和7.17%。2010年根据第六次人口普查数据显示,我国60岁以上人口约为1.78亿,占总人口的13.26%,其中,65岁以上人口约占8.87%,分别较2000年的数据上升2.93和1.91个百分点,中国已经步入老龄化社会[1],而且有快速发展的趋势。预计到本世纪中叶,60岁以上老年人将超过4亿,约占总人口的25%[2]。

随着老龄化的发展,老年人的健康问题已经成为当前突出的问题。由于老年人的认知水平、平衡协调能力、视力、听力均有不同程度的下将,以及脑血管病、骨质疏松等慢性疾病的增多,老年人发生跌倒事件的机会大大增多,形成明显的群体特征—易跌倒,所产生的后果更加严重。跌倒所致外伤在老年人外伤中所占比例很大,大部分为软组织损伤,骨折占5%,其中约25%的髋部骨折老年人在6个月内死亡,另有5%为较严重的软组织外伤,如关节积血、脱位等[3]。此外,跌倒还可引发中风等疾病的发生。跌倒后的恐惧心理可以降低老年人的活动能力,使其活动范围受限,生活质量下降,故对老年人的身心健康造成极大的影响。统计显示,在65岁以上的老年人群中,每年有约30%至少跌倒一次,且在85岁以上的老年人中,40%的跌倒事件可以导致死亡[4]。据WHO统计,2002年全球有近40万人死于跌倒,其中60岁以上者占50%以上,70岁以上者占40%[5]。目前,我国每年至少有2000万人发生一次或多次跌倒,由此造成的直接医疗费用约50亿元,与之相关的后续费用高达160-800亿元[6],给家庭及社会造成了巨大的压力。

老年人跌倒是生理、心理、社会、环境因素共同作用的结果,目前关于老年人跌倒危险性尚无明确有效的检测方法及评估方法,因此,早期发现并获得相应的治疗,是降低伤残率和死亡率的关键[7]。随着我国老龄化的发展及受独生子女政策的影响,“空巢老人”逐渐增多,而社区医疗发展不到位,很难及时发现老年人跌倒等意外伤害,更不能使老年人在跌倒的第一时间内得到有效的救治,因此发展远程跌倒监测系统具有极为重要的意义。

随着计算机技术及通信技术的发展,通过便携式电子装置对人体跌倒进行检测成为可能。目前,国外已有关于老年人远程跌倒监测系统,如:A.Blake borough[8]设计的基于房间内地板振动检测的跌倒检测器。A.Six smith等[9]研制的基于红外信号和图像信息的检测器。但是由于受成本、便携性及应用范围的局限性的影响而使其应用推广受到限制。国内尚无关于跌倒远程监测的产品,但关于跌倒监测算法和系统设计的研究较多,如:赵祥欣等[10]以三维加速度传感器为基础,采用了三维加速度传感器MMA726O、处理器MSP430F149及通讯模块的结构组合方案,搭建了三维加速度监测系统,提出了以SVM或SMA为特征量,以人体活动、静息状态及姿态为辅助判据的算法,取得了90%以上的识别准确率。谢开明等[11]设计的基于GPRS的跌倒检测报警系统,在SMV阈值算法基础上辅以倾角检测,提高了算法的有效性,能更有效的区分日常生活及跌倒。

本文拟提出一种基于Android平台的老年人跌倒检测远程报警系统,在便携性的基础上,在老年人跌倒的第一时间发出讯息通知其监护人。

1 跌倒检测的相关技术分析

1.1 跌倒检测分析

当失去平衡而跌倒时,一般人的身体会发生向一个方向倾倒的状态,从而不自主的失去平衡。发生跌倒时,身体会在瞬间向移动方向倾倒,从而身体重心会产生一个较大的加速度值,以产生的加速度值来判断老人是否跌倒。

1.2 坐标分析

原始的坐标系是二维的笛卡尔坐标系,而三维笛卡尔坐标系是在二维的基础上根据右手定则增加第三维坐标(Z轴)而形成的。若定义一个原点的位置(0,0,0)则坐标系中任意一点A的位置都可以用(x,y,z)来表示。如图1所示。

同时A点还可以用向量来表示,若A的向量为r,用i,j,k分别表示与x,y,z轴正方向平行的单位向量则r可以表示为:r=xi+yj+kz

1.3 Android加速度传感器的工作原理

Android手机内的加速度传感器能够检测出移动设备在三维空间中的加速度,传回对应的三个方向的参数数值,就能判断物体的加速度及运动方式[9]。三个坐标轴方向分别是:x轴正方向为平行于屏幕由屏幕的左边指向右边,y轴正方向为平行屏幕由屏幕的下方指向上方,z轴正方向为垂直屏幕指向屏幕外。如图2所示。

需要特别注意的是要区分传感器坐标系中的加速度(即手机设备本身实际的加速度),而不是从加速度传感器中读取的加速度参数值。这两者的区别在于是否将重力加速度计算其中,计算物体实际加速度需要考虑重力作用,但是加速度传感器传回的数值中只能反映设备本身外力所产生的加速度。

2 跌倒检测相关算法

2.1 跌倒的阈值判断

人在无意识的条件下由站立或平坐姿势向躺倒姿势的转变,即为跌倒。在这一姿态转变过程中,重力将是影响作用者一运动的主要因素。在跌倒过程中,人的加速度、速度和位移均发生了变化,通过传感器传回的数值可以对使用者的状态进行建模,以此来对使用者的身体姿态进行分析。如图3所示:

通过对姿态的分析能够判断能够排除剧烈运动或一些其他正常活动带来的误报情况,以提高检测的准确率。

2.2 跌倒算法实现

由于跌倒事件具有随机性,故跌倒方向无法预知,所以不宜采用某一轴向的加速度数据区判断跌倒事件的发生。跌倒算法采用了SMV阈值的跌倒检测方法[12],该方法的优点在于忽略了加速度的空间方向,将空间加速度进行矢量和运算,将矢量和与阈值相比来初步判断是否跌倒。矢量和的计算如下公式所示,其中x,y,z分别为X,Y,Z三轴的方向加速度。

该软件算法实现的流程人图4所示。

当传感器的三个数值剧增并且达到阈值,那么就可以初步判断发生跌倒,进而进一步判断是否发生跌倒,即在接来下的持续的几个时间间隔内,传感器传回的数值是否几乎不变并且趋向于零,若为零则可以进入下一步判断(此处判断用来排除剧烈或一些正常活动),下一步则是排除大部分无法预期的活动而产生的误报,因此在这里设置了一个确认框用来确认是否发送急救短信,若点是或者等待30秒无确认则可基本确定老人摔倒了,这时软件将会发送一个短信给老人的监护人,监护人收到短信后经电话确认老人是否摔倒。

3 辅助模块的设计

SMS是通过手机发送和接受有限长度的文本信息的功能(即短消息服务),其实现方式可以分为点到点的短消息业务和广播短消息业务。本文中是点对点的消息业务,它可以将一条短信息从一个实体发送到指定的目的地址。具体实现如图5:

使用者事先在软件中存入监护人的手机号及短信内容(我跌倒了),软件运行后经过跌倒算法判断出老人摔倒时,调用SmsManager类的SmsManager的sendTextMessage方法讲短信发送给其监护人。

4 论文总结与展望

4.1 论文工作总结

本文针对老年人易跌倒和跌倒过后可能产生严重后果的这一现实问题,提出了一种适用于老年人跌倒检测的远程实时报警系统的实现方法。文中对系统中所用到的Android加速度传感器以及加速度的采集原理作了系统的理论和实验研究。同时对软件的总体设计模块进行了一个详细的阐述,对用户终端的研究与设计理念进行了说明。最后系统阐述了基于Android平台的跌倒检测远程报警系统的软硬件实现原理和方法。本文主要的研究总结如下:

(1)采用手机自带的传感器,轻巧便捷,可随身携带。

(2)使用SMS来实现老人跌倒后的后续业务。

(3)采用SMV阈值算法来计算加速度,以降低误报率,提高准确率。

(4)设置的跌倒确认(30秒确认发送短信)可以有效减少误报。

4.2 研究展望

在本论文的研究过程中,发现了很多值得探讨和进一步研究的问题。

(1)老人摔倒而产生的加速度的阈值较难确定,若阈值设置的较小则会出现较多误报情况,而阈值设置较高则会多出一些漏报情况。

(2)可以进一步对老年人跌掉的严重情况进行研究,针对老年人跌掉的加速度的变换,可以对老年人跌掉的严重情况进行预测。

(3)在本文研究的基础上,可以通过Android的传感器来测量老人的体温、心率、呼吸、等更多的生理指标来判断是否发生跌倒,以此来减少误报率。

参考文献:

[1]潘金洪,帅友良,孙唐水,等.中国老年人口失能率及失能规模分析[J].南京人口管理干部学院学报,2012,28(4):3-6.

[2]戴苏燕.对老年人社区护理的几点思考[J].工企医刊,2008,21(6):47-48.

[3] Czerwinski E,Biatoszewski D,Borowy P,et al.Epidemiology,clinical significance, costs and fall prevention in elderly people.Ortop Traumatol Rehabil,2008,10(5):419-428.

[4]刘丽华.与老年人跌倒相关的临床因素[J].国外医学·老年医学分册,1994,15(3):141.

[5]Peden M,McGee K,Sharma G.The injury chart book: a graphical overview of the global burden of injuries[M].Geneva:WHO,2002.

[6]李林涛,王声涌.老年跌倒的疾病负担与危险因素[J].中华流行病学杂志,2001,22(4):262-264.

[7]张玉,陈蔚.老年跌倒研究概况与发展[J].中国老年杂志,2009,29(9):929.931.

[8] A.Blakeborough and M.S.Williams."Measurement of floor vibrations using a heel drop test",Proceedings of the Institution of Civil Engineers,Structures & Buildings 156,November 2003Issue SB4[C],Pages 367-371.

[9] A.Sixsmith and N.Johnson,"Smart sensor to detect the falls of the elderly," [C]IEEE Pervasive Computing,vol.3,no.2,pp.42-47,April-June 2004.

[10]赵祥欣.基于三维加速度传感器的跌倒监测研究[D].杭州:浙江大学,2008.

[11]谢开明.基于 GPRS 的跌倒检测报警系统的设计与实现[D].重庆:重庆大学,2010.

[12]曹军.基于SMS的远程控制系统在汽车防盗中的应用.合肥:合肥工业大学,2008.

作者简介:倪逸扬(1991-),浙江丽水人,杭州电子科技大学10级计算机。

上一篇:CAD系统绘图帮助功能的可复用设计 下一篇:基于CSS视觉分块的Web碎片信息抽取算法