基于智能手机的人体跌倒检测系统

比较均匀平缓。这是因为跌倒过程中人体会和低势物体产生碰撞，短时间内会产生较大的SVM 数据值，体现在数据曲线上则有突变的增量点;而慢跑每次动作基本一致，随时间产生的数据曲线点增量也基本一样，数据曲线近似一条直线。

　　应用智能手机作为跌倒检测系统，易于对数据进行公式化处理，本文中采用数据拟合的方法对合角度曲线数据公式化处理。前面分析中得知，两种运动过程合角度曲线变化趋势有很大不同，且慢跑运动合角度变化曲线近似一条直线，因此使用直线拟合模型可以突出两种曲线与各自拟合曲线相似度的不同。这里使用计算简单的最小二乘法线性拟合，拟合直线表达式为

　　ｙ＝ａｘ＋ｂ （４）

　　式中：a，b———拟合直线的斜率和截距。图6和图7分别为跌倒和慢跑两种运动的合角度变化曲线及使用Matlab线性拟合变化曲线。

　　为了反映出两种曲线与各自线性拟合曲线的相似度，这里我们定义一个无量纲量W，也是本文算法的跌倒判断特征量，其计算过程如下式

　　其中，i=1，2，3，…，500，（处理10s内数据样本点），Ci为合角度数据样本点，Ni为合角度线性拟合数据样本点。特征量W 反映的是合角度曲线与其拟合曲线之间的相似度，W 值越小相似度越高。

　　由前面的分析得知，跌倒合角度曲线有拐点，慢跑合角度曲线变化平缓，而使用的拟合曲线为一条直线，故跌倒时得到的W 值较大，而慢跑时得到的W 值会较小。表1所示为一组实验结果的特征值，观察特征值数据可知容易通过设置一个阈值WT来区分这两种运动过程，本文通过对跌倒过程和慢跑等较高强度运动过程中W 值的分析取WT =25。

　　2 系统实现

　　2.1 系统应用程序

　　Android是一个开源移动操作系统，它有一个强大的基于java框架的软件开发工具包（SDK），还有SQLite数据库管理系统，本文在Android智能手机平台开发实现了跌倒检测应用程序。跌倒应用程序由4大部分组成：

　　（1）FallDetectionService:Android后台服务应用进程，它长时间运行在手机应用程序进程的主线程内，不会干扰其他组件或用户界面。

　　（2）FallAlertActivity：与用户交互的Activity组件，该Activity可以被创建、启动、恢复、暂停和销毁，它是应用程序的可见部分。

　　（3）SensorManager："SensorManager"允许应用程序使用手机传感器，使用它来读取手机加速度传感器和陀螺仪的读数。

　　（4）UserLocationManager：使用UserLocationManager可以允许应用程序使用GPS获取定位数据，紧急情况下可以确定用户地理位置。

　　2.2 系统检测流程

　　本系统跌倒检测算法是基于人体运动加速度和角速度信号设计的，通过分析人体主要运动过程与跌倒过程的SVMA和SVMW数据，以及对SVMW数据的进一步处理来区分日常生活活动与跌倒。图8为跌倒检测算法流程图：①后台服务监测SVMA数值的变化，如果SVMA大于SVMAT ，进入下一步;②等待SVMA数值恢复到正常范围内，再设置延时10s，等待用户稳定，进入下一步;③角速度数据分析，如果SVMW大于SVMWT ，进入下一步;④对SVMW数据公式化处理得到特征值W，如果W 大于WT ，确认发生跌倒，触发报警处理。

　　2.3 系统主要内容

　　系统集成了智能手机的传感功能和信号处理技术，它的主要功能是检测意外情况下跌倒，然后与用户的紧急联系人通过电话和SMS信息进行联系。该应用程序还可以获得用户的地理位置，此外它有一个一键紧急救助按钮和紧急警报取消机制，可防止假警报。

　　当系统检测到一个跌倒，会弹出通知窗口并且有声音警报，用户可以在一个可设置的特定时间范围内取消警报请求。如果没有发生真正的跌倒，用户可以在报警等待时间范围内简单取消请求。如果是一个真正的跌倒，则用户的救助联系人将会立即收到SMS报警信息。

　　图9为应用程序屏幕截图，主界面有7个主要按钮，"ON/OFF"滑动开关按钮，来控制开始后台跌倒检测服务和停止服务;"紧急联系电话"按钮，可以添加3个紧急救助联系人号码;"紧急联系信息"按钮，用来编辑发送的紧急信息内容;"报警等待时间"按钮，用来设置检测到跌倒发生与发送报警信息之间的等待时间;"一键快速求救"按钮，直接触发跌倒报警事件，当用户发生跌倒而手机未检测到时的手动求救按钮; "设置"按钮用来设置开启GPS服务、设置传感器工作模式以及报警方式、声音选择等;"退出"按钮，则是完全退出应用程序。

　　3 实验与结果分析

　　3.1 实验装置及设计

跌倒检测算法测试手机为LGP970，其配置有Android2.3操作系统、德州仪器1GHz的CPU、主屏尺寸4.0英寸。日常生活主要活动动