簡(jiǎn)介

　　跌倒導(dǎo)致致命的傷害已成為老年人不可忽視的巨大挑戰(zhàn)。在過(guò)去的幾年中，在跌倒檢測(cè)領(lǐng)域提出了不同類(lèi)型的方法，可以解釋并分為三種類(lèi)型：基于可穿戴設(shè)備、基于環(huán)境傳感器和基于視覺(jué)。首先，可穿戴設(shè)備通常利用嵌入式傳感器來(lái)檢測(cè)身體的運(yùn)動(dòng)和位置，例如加速度計(jì)、磁力計(jì)和陀螺儀 。并且基于可穿戴設(shè)備的方法成本很低，而且對(duì)于老年人來(lái)說(shuō)安裝和操作并不復(fù)雜。其次，基于環(huán)境的方法總是使用壓力傳感器來(lái)檢測(cè)和跟蹤身體。該解決方案還具有成本效益且易于部署。然而，感知人體以外的物體的可能性對(duì)這種方法的檢測(cè)精度提出了顯著挑戰(zhàn)。最后但同樣重要的是，基于視覺(jué)的解決方案充分利用部署的攝像頭來(lái)監(jiān)控范圍內(nèi)的所有物體，包括人體 。與上述兩種方式相比，對(duì)人們?nèi)粘Ｉ畹母蓴_較少，但觀(guān)測(cè)空間有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在的監(jiān)控。

　　在本項(xiàng)目中，提出了一種基于 Arduino、Windows 10 和 Microsoft Azure 的實(shí)時(shí)跌倒檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。三維加速度計(jì)的原始數(shù)據(jù)由 Arduino 和 ADXL345 提供。Windows 10 設(shè)備利用這些信息通過(guò)有效的數(shù)據(jù)融合和跌倒檢測(cè)算法來(lái)獲取對(duì)象的方向。微軟 Azure 服務(wù)和移動(dòng)/PC 應(yīng)用程序也旨在實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的數(shù)據(jù)處理、分析、存儲(chǔ)和獲取，只要它們可以訪(fǎng)問(wèn) Internet，就可以隨時(shí)隨地從任何地方訪(fǎng)問(wèn)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：

　　基于姿勢(shì)識(shí)別的跌倒檢測(cè)原理

　　在這個(gè)項(xiàng)目中，跌倒檢測(cè)算法是根據(jù)Bharadwaj Sreenivasan 的 Fall-detection-in-Android設(shè)計(jì)的。算法中有兩個(gè)模塊，姿勢(shì)識(shí)別和跌倒檢測(cè)。首先，我們從加速度計(jì)中讀取 x、y 和 z 值。然后我們計(jì)算 x、y 和 z 的 L2 范數(shù)。這由姿勢(shì)識(shí)別和跌倒檢測(cè)模塊使用。

　　在姿勢(shì)識(shí)別模塊中，用戶(hù)姿勢(shì)分為三種基本姿勢(shì)：坐姿、站立姿勢(shì)和行走姿勢(shì)?！皔”的值被應(yīng)用一個(gè)閾值來(lái)找出方向。使用 L2 范數(shù)與重力引起的平均加速度 （9.8） 的變化率，我們將數(shù)據(jù)分類(lèi)為行走或狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

　　跌倒檢測(cè)模塊在信號(hào)中搜索特定模式。圖 2 表示跌倒事件期間 L2 范數(shù)的典型模式：

　　如果連續(xù)最小值和最大值之間的差值大于 2g，則輸出判定為下降。跌倒事件的最終決定是基于姿勢(shì)識(shí)別和跌倒決策模塊的輸出。當(dāng)檢測(cè)到跌倒時(shí)，姿勢(shì)識(shí)別模塊的決定會(huì)告訴我們這是否是誤報(bào)。如果狀態(tài)仍在行走，則可以丟棄跌倒事件決策。表 1 總結(jié)了最終決定：

　　先決條件

　　在這個(gè)項(xiàng)目中，對(duì)于A(yíng)rduino設(shè)備，藍(lán)牙通信是通過(guò)HC-06實(shí)現(xiàn)的，HC-06是一個(gè)便宜的小封裝模塊。對(duì)于 Windows 10 設(shè)備，如果您使用 Surface Pro 和 Lumia 1520，則不需要藍(lán)牙模塊。但是，如果您使用 Raspberry Pi 或 MBM 作為 Windows 10 IoT 設(shè)備，則需要藍(lán)牙加密狗。

　　注意：如果您尚未安裝 Windows 10 和 Visual Studio 2015，則需要 2-3 小時(shí)才能完成先決條件。

　　需要什么

　　部分：

　　1. Arduino Uno和標(biāo)準(zhǔn) A/B USB 電纜

　　2. HC-06藍(lán)牙模塊

　　3. ADXL345加速度計(jì)模塊

　　4. 公母公母跳線(xiàn)

　　5.迷你面包板

　　6. Lumia 1520或其他 Windows Phone 10 兼容設(shè)備

　　7. ORICO藍(lán)牙模塊

　　項(xiàng)目說(shuō)明

　　第 1 步：將加速度計(jì)模塊 ADXL345 連接到 Arduino

　　ADXL345 是一款小型、薄型、低功耗、3 軸 MEMS 加速度計(jì)，具有高達(dá) +-16 g 的高分辨率（13 位）測(cè)量。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)采用 16 位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過(guò) SPI（3 線(xiàn)或 4 線(xiàn)）或 I2C 數(shù)字接口訪(fǎng)問(wèn)。

　　ADXL345 支持 SPI 和 I2C，我們將在此項(xiàng)目中討論 I2C。I2C 是 2 線(xiàn)串行連接，因此我們需要將 SDA（數(shù)據(jù)）和 SCL（時(shí)鐘）線(xiàn)連接到 Arduino UNO 進(jìn)行通信。在 Arduino UNO 上，SDA 在模擬引腳 4 上，SCL 在模擬引腳 5 上。確保 VCC 和傳感器上的 CS 引腳都連接到 3.3v。我們將 CS 連接到 3.3V 以告訴傳感器我們將使用它作為 I2C 設(shè)備，而不是 SPI 設(shè)備。

　　第 2 步：連接藍(lán)牙模塊

　　在這個(gè)項(xiàng)目中，我們使用 HC-06 作為藍(lán)牙模塊 - 它比 SparkFun 的 BlueSMiRF Silver 模塊便宜得多。此外，HC-05 上面有“完整”固件，許多 AT 命令，并且可以是主模塊和從模塊。另一方面，HC-06 固件只能是從設(shè)備，具有非常有限的 AT 命令。下表顯示了所有 HC-06 固件命令及其響應(yīng)：

　　首先，將藍(lán)牙模塊插入面包板以使連接更容易。要為模塊供電，請(qǐng)從 Arduino 的 5V 電源軌跳線(xiàn)到模塊的 Vcc 引腳。并從模塊的 GND 引腳運(yùn)行公公跳線(xiàn)到 Arduino 上的任何 GND 引腳。要建立串行通信，請(qǐng)將藍(lán)牙模塊的 TX 引腳的公公跳線(xiàn)連接到 Arduino 的 RX 引腳（數(shù)字引腳 0），并將另一個(gè)從模塊的 RX 引腳連接到 Arduino 的 TX 引腳（數(shù)字引腳 1）。

　　注意：當(dāng)您將藍(lán)牙的 TX 和 RX 引腳連接到 Arduino 時(shí)，您將無(wú)法將草圖從 Arduino IDE 上傳到 Arduino。當(dāng)您需要上傳草圖時(shí)斷開(kāi)它們并在成功上傳草圖后重新連接它們。在下面的草圖中，顯示使用了 HC-05。實(shí)際上，如上所述，HC-05 和 HC-06 都可以。

　　藍(lán)牙和加速度計(jì)連接后，實(shí)物如下圖：

　　第 3 步：將藍(lán)牙模塊與 Windows 10 設(shè)備配對(duì)

　　藍(lán)牙模塊運(yùn)行 SPP（藍(lán)牙串行協(xié)議）協(xié)議。所以任何支持 SPP 的設(shè)備都可以連接到它。在 Windows 10 設(shè)備上，這看起來(lái)像一個(gè)虛擬 COM 端口。在連接之前，請(qǐng)確保模塊已通電并準(zhǔn)備好配對(duì)。模塊上的紅色 LED 指示狀態(tài)：閃爍表示“準(zhǔn)備配對(duì)”，常亮表示“配對(duì)”。

　　在 Windows 10 for PC 上，只需導(dǎo)航到設(shè)置-》設(shè)備-》藍(lán)牙，打開(kāi)藍(lán)牙，然后屏幕上將顯示“HC-06”模塊。點(diǎn)擊以配對(duì)設(shè)備，然后輸入設(shè)備的配對(duì)碼。請(qǐng)記住，默認(rèn)配對(duì)碼是 1234，默認(rèn)串口速度是 9600 波特。然后，藍(lán)牙頁(yè)面顯示如下：

　　對(duì)于 Windows 10 for Mobile，導(dǎo)航到設(shè)置-》設(shè)備-》藍(lán)牙，然后執(zhí)行上一節(jié)中描述的相同步驟。配對(duì)設(shè)備頁(yè)面如下所示：

　　對(duì)于 Windows 10 IoT Core 設(shè)備，例如 Raspberry Pi 2、MBM 和 Dragon Board 410c，配對(duì)過(guò)程有很大不同。首先，對(duì)于沒(méi)有板載藍(lán)牙模塊的樹(shù)莓派 2 和 MBM，我們應(yīng)該購(gòu)買(mǎi)藍(lán)牙 USB 加密狗并插入。只需參考硬件兼容性列表并選擇經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的藍(lán)牙 USB 加密狗。

　　在這個(gè)項(xiàng)目中，我們選擇了 ORICO BTA-403 模塊。

　　如果您在 Dragon Board 410c 上嘗試此項(xiàng)目，那么您不需要藍(lán)牙加密狗，因?yàn)?Dragon Board 410c 具有板載藍(lán)牙模塊。

　　將 ORICO BTA-403 藍(lán)牙 USB 加密狗插入樹(shù)莓派 2 的 USB 接口，如下所示。

　　插入 ORICO BTA-403 藍(lán)牙 USB 加密狗后，它將在 Windows 10 IoT Core 設(shè)備的默認(rèn)應(yīng)用程序屏幕上顯示消息。

　　在這里，我們應(yīng)該使用 SSH 連接到 Windows IoT Core 并運(yùn)行命令行工具來(lái)配置設(shè)備。

　　注意：請(qǐng)記住應(yīng)在主菜單上選擇 BR 模式。默認(rèn)配對(duì)碼為 1234。

　　配對(duì)成功后，設(shè)備的藍(lán)牙頁(yè)面顯示如下：

　　第 4 步：創(chuàng)建 Azure 存儲(chǔ)帳戶(hù)

　　在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將需要 Azure 存儲(chǔ)表來(lái)存儲(chǔ)來(lái)自 Windows 10 IoT Core 設(shè)備的數(shù)據(jù)。因此，我們可以按如下方式創(chuàng)建它。

　?。?） 在 Azure 管理門(mén)戶(hù) 中，單擊左側(cè)的“STORAGE”圖標(biāo)以查看您現(xiàn)有的存儲(chǔ)帳戶(hù)（如果有），然后單擊“+NEW”按鈕在左下角。

　?。?） 在“新建”面板中，選擇“數(shù)據(jù)服務(wù)”| “存儲(chǔ)” | “快速創(chuàng)建”。填寫(xiě)“URL、位置/關(guān)聯(lián)組和復(fù)制”字段，然后單擊“創(chuàng)建存儲(chǔ)帳戶(hù)”按鈕。

　　（3） 等待新存儲(chǔ)帳戶(hù)的狀態(tài)顯示為“在線(xiàn)”。

　　（4） 選擇新創(chuàng)建的Storage account，然后點(diǎn)擊頁(yè)面底部的MANAGE ACCESS KEYS。復(fù)制存儲(chǔ)帳戶(hù)名稱(chēng)和訪(fǎng)問(wèn)密鑰之一。

　　第 5 步：創(chuàng)建 Azure 存儲(chǔ)表

　　我們使用 Azure 存儲(chǔ)資源管理器來(lái)創(chuàng)建 Azure 存儲(chǔ)表。

　?。?） 進(jìn)入添加賬戶(hù)，填寫(xiě)賬戶(hù)名和訪(fǎng)問(wèn)密鑰。建立帳戶(hù)后，您可以訪(fǎng)問(wèn)顯示 Blob 容器、隊(duì)列和表的存儲(chǔ)。

　?。?） 選擇表并單擊新建按鈕，創(chuàng)建一個(gè)名為“Accelerometer Table”的新表，如下所示：

　　第 6 步：軟件

　　首先，現(xiàn)在我們已經(jīng)為 Arduino 連接好了所有東西，從（在本文下方提供）使用“ADXL345_HC06.ino”項(xiàng)目并將其加載到您 PC 上的 Arduino IDE 中。務(wù)必拔掉 HC-06 模塊的 TX/RX 跳線(xiàn)，然后上傳草圖。將 TX/RX 跳線(xiàn)重新連接到 Arduino 的數(shù)字 0 和數(shù)字 1 引腳。插上電源，應(yīng)用程序?qū)⒃?Arduino Uno 上運(yùn)行。

　　其次，從github下載“GenericBluetoothSerialUWApp”項(xiàng)目。使用帶有 Update 1 的 Visual Studio 2015 加載“GenericBluetoothSerialUWApp”。這個(gè)應(yīng)用程序是在我們的 MVP David Jones 的Generic Serial Bluetooth with Win 10 IoT-Core RPI2的幫助下設(shè)計(jì)的。如果您希望此 UWP 應(yīng)用在 PC 上運(yùn)行，請(qǐng)選擇帶有本地設(shè)備調(diào)試的 x86 或 x64。如果您希望此 UWP 應(yīng)用在 Windows 10 移動(dòng)版上運(yùn)行，請(qǐng)選擇帶有設(shè)備調(diào)試的 ARM。如果您希望此 UWP 應(yīng)用在 Windows 10 IoT 設(shè)備（例如 Raspberry Pi 2）上運(yùn)行，請(qǐng)確保將“遠(yuǎn)程調(diào)試”點(diǎn)設(shè)置為您的設(shè)備。

　　接下來(lái)，在解決方案資源管理器中打開(kāi) MainPage.xaml.cs 并找到“dataTransferTick”。添加您在第 4 節(jié)中保存的存儲(chǔ)帳戶(hù)名稱(chēng)和訪(fǎng)問(wèn)密鑰。

　　將 HC-06 與 Windows 10 設(shè)備配對(duì)后，在 Visual Studio 中按 F5 以啟動(dòng)通用 Windows 平臺(tái)應(yīng)用。

　　雙擊“HC-06”符號(hào)，您將在應(yīng)用程序的最頂部找到 Id 和 Name 顯示，如下所示。

　　很快，您可以看到 HC-06 上的 LED 狀態(tài)將從閃爍變?yōu)榉€(wěn)定。并且藍(lán)牙模塊的通信通道一旦建立，“Start Rev”按鈕就會(huì)被啟用。

　　單擊 Start Recv 以啟用數(shù)據(jù)接收。然后您將看到啟用了 Stop Recv、Process Data 和 Upload Data 按鈕。只需單擊處理數(shù)據(jù)按鈕即可運(yùn)行跌倒檢測(cè)算法。您將在 Recvd TextBlock 上看到數(shù)據(jù)以及攜帶設(shè)備的人的狀態(tài)。

　　您仍然可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)將顯示在 Visual Studio 的調(diào)試窗口中，如下所示：

　　然后，單擊“上傳”按鈕將數(shù)據(jù)上傳到 Azure。數(shù)據(jù)將每 3 秒傳輸一次。如果要更改時(shí)間間隔，可以修改“AzureButton_Click”中的代碼如下。

　　私人無(wú)效 AzureButton_Click（對(duì)象發(fā)送者，RoutedEventArgs e）{

　　timerDataTransfer = ThreadPoolTimer.CreatePeriodicTimer（dataTransferTick， TimeSpan.FromMilliseconds（Convert.ToInt32（ 3000 ）））;

　　}

　　很快，可以看到AccelerometerTable中的數(shù)據(jù)如下

　　第三，從github下載“FallDetectionClient”。使用帶有 Update 1 的 Visual Studio 2015 加載此項(xiàng)目。此應(yīng)用程序是使用 Windows Universal Temple 構(gòu)建的，因此您可以在 Windows 10 PC/Mobile 以及 Windows 10 IoT Core 設(shè)備上運(yùn)行它。接下來(lái)，在解決方案資源管理器中打開(kāi) StorageSensor.cs 并找到“_accountName”和“_key”。添加您在第 4 節(jié)中保存的存儲(chǔ)帳戶(hù)名稱(chēng)和訪(fǎng)問(wèn)密鑰。

　　現(xiàn)在您應(yīng)該可以在 Visual Studio 中按 F5：應(yīng)用程序?qū)⒉渴鸩?dòng)，您應(yīng)該會(huì)在設(shè)備輸出中看到這一點(diǎn)。

　　ADXL345_HC06.ino：

#include ?
#include ?

#define Register_ID 0
#define Register_2D 0x2D
#define Register_X0 0x32
#define Register_X1 0x33
#define Register_Y0 0x34
#define Register_Y1 0x35
#define Register_Z0 0x36
#define Register_Z1 0x37

int ADXAddress = 0xA7 >> 1;?
int reading = 0;
int val = 0;
int X0, X1, X_out;
int Y0, Y1, Y_out;
int Z1, Z0, Z_out;
double Xg, Yg, Zg;

void setup()
{
? Serial.begin(9600);
? Wire.begin();?
? delay(100);
? Wire.beginTransmission(ADXAddress);
? Wire.write(Register_2D);
? Wire.write(8);
? Wire.endTransmission();
}

void loop() {
? double tempx = 0;
? char strx[5];
? double tempy = 0;
? char stry[5];
? double tempz = 0;
? char strz[5];
??
? String gy;

? Wire.beginTransmission(ADXAddress);
? Wire.write(Register_X0);
? Wire.write(Register_X1);
? Wire.endTransmission();
? Wire.requestFrom(ADXAddress, 2);
? if (Wire.available() <= 2);
? {
? ? X0 = Wire.read();
? ? X1 = Wire.read();
? ? X1 = X1 << 8;
? ? X_out = X0 + X1;
? }

? Wire.beginTransmission(ADXAddress);
? Wire.write(Register_Y0);
? Wire.write(Register_Y1);
? Wire.endTransmission();
? Wire.requestFrom(ADXAddress, 2);
? if (Wire.available() <= 2);
? {
? ? Y0 = Wire.read();
? ? Y1 = Wire.read();
? ? Y1 = Y1 << 8;
? ? Y_out = Y0 + Y1;
? }

? Wire.beginTransmission(ADXAddress);
? Wire.write(Register_Z0);
? Wire.write(Register_Z1);
? Wire.endTransmission();
? Wire.requestFrom(ADXAddress, 2);
? if (Wire.available() <= 2);
? {
? ? Z0 = Wire.read();
? ? Z1 = Wire.read();
? ? Z1 = Z1 << 8;
? ? Z_out = Z0 + Z1;
? }

? Xg = X_out / 256.00;?
? Yg = Y_out / 256.00;
? Zg = Z_out / 256.00;
?
? if(Xg>0)
? {
? ? gy = String("")+ "x=+"+Xg;
? }
? else
? {
? ? gy = String("")+ "x="+Xg;
? }
??
? if(Yg>0)
? {
? ? gy += String("")+ "y=+"+Yg;
? }
? else
? {
? ? gy += String("")+ "y="+Yg;
? }
??
? if(Zg>0)
? {
? ? gy += String("")+ "z=+"+Zg+",";
? }
? else
? {
? ? gy += String("")+ "z="+Zg+",";
? }?
??
? Serial.print(gy);

}