使用 MEMS 传感器的跌倒检测系统

晚年仍独立生活的老年人往往会有一个担忧：如果出现突发情况，我还能打电话求助吗？ 穿戴式家庭紧急呼叫系统能让您更加安心。该系统的一个重要组成部分是跌倒检测。通过加入合适的传感器可以轻松将该功能集成到相应的设备中。 

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）运动传感器无处不在，从智能手机到汽车安全系统都能看到它的身影，在不同的设备中的功能也有所差异。MEMS 产生的信号必须经过解析才能够被电路使用。
 
跌倒检测系统的工作原理

家庭紧急呼叫系统中的跌倒检测传感器能够自动检测人跌倒并静止不动。背景：为方便讨论，假设紧急呼叫者不能手动触发紧急呼叫开关，必须自动发出紧急呼叫。三轴加速度传感器如何检测跌倒？ 在物理术语中，跌倒意味着短暂失重，即测量到大约 0 g 的加速度，然后出现较高的负加速度（急剧减速）。如果在一段时间内没有测量到加速度有变化，那么意味着穿戴着传感器的人静止不动。

要开发跌倒检测系统，必须正确解析MEMS 所产生的脉冲。另一个挑战是必须获得非常准确的值。因此，必须补偿诸如温度波动之类的干扰所带来的影响。总之，在开发跌倒检测算法功能之前，必须付出大量努力。幸运的是，如今的传感器模块对开发人员非常友好。
 
预设功能

伍尔特电子遵循“智能”元器件这一最新理念，在传感器中集成了部分“智能”功能。3 轴加速度传感器 WSEN-ITDS 的尺寸仅为 2.0 × 2.0 × 0.7 mm，LGA 封装，采用了基于电容测量原理的 MEMS技术。它集成了温度传感器，输出的数据都是经过补偿和校准的。它有四种测量范围可供选择：±2 g、±4 g、±8 g 和 ±16 g。可以通过寄存器设置选择自由落体、唤醒、活动、运动和方向检测等特定功能。特定功能的状态可以通过两个可编程中断引脚获知。这种面向应用的测量值处理和输出能够大幅简化应用开发过程。

跌倒检测也是这种情况。由于内置了预设功能和可选参数，开发人员可以轻松实现跌倒检测功能。该传感器的一大优势是内置功能可以最大程度减少不间断但不必要的传感器加速度数据传输，以及对这些数据进行复杂的运算。
 
优势

3 轴加速度传感器 WSEN-ITDS 有两个可编程中断引脚 INT_0 和 INT_1。这两个引脚可以单独激活或停用。来自传感器功能的中断信号会传输到这两个引脚。

图1：传感器功能框图 
（图片来源：伍尔特电子）

如图中红色部分所示（图 1），跌倒检测需要三个功能：“自由落体”、“唤醒”和“静止/运动”。通过结合使用这些传感器功能就可以确定佩戴者是否跌倒和之后是否可以移动等可靠信息。传感器将这些事件产生的中断信号送到引脚 INT_0 和 INT_1，以通知监控系统发出警报。
 
设置阈值

在自由落体时，所有三个轴的加速度值都会趋近于零。在传感器模块的寄存器中，必须定义针对特定应用的两个值，在这两个值同时发生时生成报告跌倒的中断：自由落体时的阈值，以及自由落体的持续时间。为了使用传感器数据来解析跌倒事件，还必须定义传感器唤醒条件，通过设置加速度改变的阈值和该脉冲的最短持续时间。为了在侦测出现唤醒事件时排除重力矢量和极低频噪声的影响，应使用高通滤波器输出。

集成的“静止/运动”算法功能会通知警报系统传感器佩戴者在跌倒后是否保持不动或仍然能够行动。静止功能结合了两个检测事件：“睡眠”和“唤醒”，以记录静止事件。传感器没有单独的睡眠中断信号。它是通过监控睡眠和唤醒中断信号来实现的。用户可以根据应用来定义唤醒阈值和持续时间等参数。如果 X 轴、Y 轴和 Z 轴输出的加速度值小于唤醒阈值并且输出值在指定的持续时间保持在此范围内时，将生成睡眠中断信号。如果来自任一轴的数据值高于定义的唤醒阈值，并且数据在此范围内保持一段时间，则会生成唤醒中断信号。图 2 展示的是控制跌倒检测应用的中断的生成过程。

图 2：通过唤醒和睡眠阈值进行无运动检测
（图片来源：伍尔特电子）

这四个阶段如下：

1. 在跌倒之前，来自三个轴的加速度值的矢量总和接近 1 g。通过同时监测跌倒前后加速度的方向，可以获得跌倒事件的更多信息。

2. 在自由落体条件下，失重总是发生在跌倒开始时。通过定义适当的自由落体持续时间和阈值，可以通过中断信号 FF_IA 检测到跌倒。在自由落体过程中，加速度趋向于 0 g，但在自由落体之后，人会撞击到地面，出现较高的加速度峰值。

3. 跌倒后，佩戴者会立即尝试移动。如果跌倒太严重，可能在跌倒后无法立即移动。此事件的持续时间可以通过静止检测功能进行配置。

4. 如果人在一定时间后（在静止功能中配置）因失去知觉而无法移动，则生成中断信号SLEEP_STATE_IA 和 SLEEP_CHANGE_IA。通过比较跌倒前后传感器加速度的方向指示跌倒检测系统产生警报。如果人在一定时间内移动，则生成唤醒信号 WU_IA，而不生成SLEEP_STATE_IA 和SLEEP_CHANGE_IA 中断信号。在这种情况下，跌倒检测系统不会生成自动警报。
 
结论

如本文所述，伍尔特电子 WSEN-ITDS 等传感器模块能够大幅减少开发人员的工作量，开发跌倒检测系统的电子设备和软件也变得更加轻松。节能传感器模块会在出现定义的加速事件时自行唤醒，对电池供电系统的能耗和使用寿命也有积极影响。

图3：传感器模块 WSEN-ITDS
（图片来源：伍尔特电子）