Детектор падений на основе трехосного цифрового акселерометра

В статье рассмотрены особен­ности построения таких ин­дивидуальных приборов, как де­текторы падения, выполненных на основе трехосного акселеро­метра ADXL345.

Н. Джиа

Часто людям, получившим травмы в ре­зультате падения, медицинская помощь ока­зывается не сразу, а через определенное (иног­да достаточно длительное) время. Это, прежде всего, относится к пожилым людям, ослаблен­ным тяжелыми заболеваниями и страдающим головокружением, которые получают травмы из-за внезапных падений. Несвоевременное оказание помощи таким пациентам может при­вести к фатальному исходу. Чем быстрее будет оказана помощь, тем выше вероятность предот­вращения негативных последствий, вызван­ных внезапным падением. Кроме пожилых па­циентов это относится к специалистам таких профессий, как кровельщики, художники, монтажники, мойщики окон, альпинисты и т.п. Поэтому создание индивидуальных при­боров, сигнализирующих о падении человека и фиксирующих особенности такого падения, яв­ляется важной задачей. Такие детекторы могут быть созданы на основе новых 3-осных акселе­рометров компании Analog Devices, выполнен­ных с использованием iMEMS-технологии. Они фиксируют данные о положении тела и его ус­корении в процессе падения. Благодаря такому прибору легко определить, было ли падение и есть ли необходимость в оказании срочной ме­дицинской помощи. Детектор падения может содержать навигационную систему, фиксирую­щую координаты нахождения пострадавшего, и передатчик, сигнализирующий о необходи­мости оказания срочной медицинской помощи.

Рекомендуемый к использованию в детек­торах падения трехосный iMEMS-акселерометр ADXL345 имеет цифровой выход, обеспе­чивает измерение ускорения в диапазонах: ±2, ±4, ±8 и ±16 g с разрешением 13 бит. Чувстви­тельность ADXL345 4 Mg/ЕМР, ток потребле­ния не более 130 мкА, последовательный ин­терфейс — I2C, размеры корпуса 3x5x1 мм. Ак­селерометр имеет встроенную FIFO-память на 32 слова. Структурные особенности этого аксе­лерометра и гибкая система прерываний по­зволяют легко алгоритмизировать процесс па­дения человека и произвести фиксацию основ­ных параметров такого падения.

Рис. 1. Функциональная схема акселерометра ADXL345 (а) и схема назначения выводов (б)

На рис. 1 приведена функциональная схе­ма акселерометра ADXL345 (а) и структур­ная схема назначения выводов (б). Акселеро­метр имеет две линии прерывания INT1 и INT2, обеспечивающие формирование вось­ми признаков падения. Каждая линия пре­рывания имеет автономное управление. Ни­же приведены перечень и назначение этих признаков:

• DATA_READY устанавливается на выхо­дах INT1 и INT2, когда ИМС готова к съему данных
• SINGLE_TAP свидетельствует о том, что одно из ускорений превысило заданное (предварительно записанное в регистр THRESH_TAP) значение
• DOUPLE_TAP свидетельствует о том, что ускорения по двум осям превысили задан­ные в регистре THRESH_TAP значения
• ACTIVITY свидетельствует о том, что уско­рение превысило значение, записанное в регистре THRESH_ACT
• INACTIVITY свидетельствует о том, что ус­корение находится в пределах записанного в регистре THRESH_INACT значения
• FREE_FALL свидетельствует о том, что ус­корение, характеризующее падение, мень­ше заданного уровня
• WATERMARK свидетельствует о том, что FIFO-память полностью заполнена и ее не­обходимо очистить
• OVERRUN свидетельствует о том, что но­вые данные сменили ранее записанные в FIFO-памяти, причем последние не были прочитаны.

Рис. 2. Диаграмма работы акселерометра ADXL345 при прерываниях SINGLE_TAP и DOUBLE_TAP

На рис. 2 приведены диаграммы работы ак­селерометра при прерываниях SINGLE_TAP и DOUBLE_TAP.

Ниже покажем, как должен работать аксе­лерометр в детекторе падений. На рис. 3 приведены графики изменения ускорений для случаев, когда человек поднимается (а) или спускается (б) по ступенькам лестницы и когда садится (в) или встает со стула (г). Такой при­бор, как детектор падений, крепится на поясе пациента, причем оси прибора ориентируются следующим образом: ось Y – вертикально и уравновешивается ускорением g, а оси Х и Z – горизонтально и расположены под углом 90°. Горизонтальные оси уравновешены друг отно­сительно друга.

Рис. 3. Графики изменения ускорений для случаев, когда человек поднимается (а) или спускается (б) по ступенькам лестницы и когда садится (в) или встает (г) со стула

Пожилые люди передвигаются относитель­но медленно с небольшими изменениями уско­рений по трем осям. Самое большое ускорение по оси Y достигает 3g в случае, когда они са­дятся. Если же эти люди падают, ускорения, фиксируемые в детекторе падения, изменяют­ся в более широком диапазоне. Изменения ус­корений по трем осям в процессе падения чело­века приведены на рис. 4. Ключевые отличи­тельные признаки падения отмечены на рис. 4 красным цветом. Все этапы падения человека фиксируются детектором. Их описание приве­дено ниже:

• Начало падения. На этом этапе чело­век находится как бы в состоянии свободно­го падения. Ускорение по оси Y уменьшает­ся до 0, тогда как в нормальном состоянии это ускорение составляет не менее 1g. Та­ким образом, резкое уменьшение ускорения соответствует о падении человека и на ли­нии прерывания ADXL345 появится при­знак FREE_FALL.

После этапа свободного падения происхо­дит удар тела человека о землю или другой объект. Кривая в окне 2 (рис. 4) свидетельствует об ударе. На линии прерывания появляется признак ACTIVITY, что также свидетельству­ет о падении.

• После падения и удара человек некоторое время находится в неподвижном состоянии. Поэтому признак ACTIVITY на линии преры­вания сменяется признаком INACTIVITY, что тоже свидетельствует о произвольном паде­нии.
• После падения тело человека существен­но меняет ориентацию в пространстве вдоль осей Y, X, Z, что также фиксируется акселеро­метром.

Как показано на рис. 4, статическое ускоре­ние изменялось от -g по оси Y до 3g по оси Z, причем значения ускорений по трем осям пре­высили допустимые пределы (в нашем слу­чае 0.7g).

Рис. 4. Графики изменения ускорений в процессе падения человека

Все рассмотренные стадии падения легко алгоритмизируются. Встроенный в детектор микроконтроллер производит необходимые вычисления в соответствии с алгоритмом, приведенным на рис. 5, и в случае фиксации паде­ния формирует сигнал тревоги.

Рис. 5. Алгоритм вычисления параметров падения человека

Отметим, что детектор определяет длитель­ность каждого этапа падения, что позволяет вычислить примерную высоту, с которой про­изошло это падение. Если падение произошло с высоты более 0.45 м, вырабатывается сигнал тревоги. Кроме того, в микроконтроллере вы­числяется направление падения: назад или вперед, вправо или влево. В качестве микро­контроллера в детекторе падения может быть использована ИМС ADuC7026, которая легко сопрягается с акселерометром ADXL345, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Базовая структура детектора падения

ВЫВОДЫ

1. Для пожилых людей, страдающих голо­вокружением, а также специалистов таких профессий, как кровельщики, монтажники, художники и пр. рекомендуется пользоваться индивидуальными детекторами падения, поз­воляющими зафиксировать параметры паде­ния и сигнализировать о необходимости сроч­ной медицинской помощи.
2. Детектор падения может быть выполнен на основе трехосного акселерометра ADXL345 и микроконтроллера ADuC