【导读】老人跌倒该不该扶起的话题已经引起了社会广泛的讨论，本方案采用ST eMotion 套件设计了一套通过惯性导航技术，实现老人室内定位；当老人摔倒时，可及时报警并通过心电检测技术检测老人心电是否正常。期望能有助于解决老人跌倒的问题。
方案设计背景
目前，跌倒是我国65 岁以上老年人意外害死亡的首因。遗憾的是，他们跌倒时往往无人敢扶。有专家感慨：十三亿中国人扶不起一个跌倒老人。那么我们能否利用技术及时发现老人跌倒并尽快实施救援呢？利用ST eMotion 平台可以解决这个问题。
ST eMotion平台包括三部分，第一部分STEVAL-MKI109V2 是eMotion 平台的STM32 平台部分，是一个目前常用的STM32F103 的最小应用系统；第二部分STEVAL-MKI124V1 集合了ST 公司的10 个自由度的MEMS 传感器的接插板，分别是3 轴加速度和3 轴地磁传感器LSM303DLHC、3轴陀螺仪为L3GD20、压力传感器LPS331AP；第三部分STEVAL-MKI115V1 是一个蓝牙无线模块。这三部分恰好能完成老人跌倒检测、室内定位，同时利用STM32F103 最小系统将ECG 模拟的心电信号经ADC 采样后通过蓝牙模块与上位机通讯，最终设计实现一个“老人生命伴侣”设备，用来解决上述问题。
方案设计难点
难点1：室内定位
室外通常用GPS 定位。由于室内没有GPS 信号，无法用传统的GPS 定位方法给老人定位，可以利用陀螺仪和加速度传感器的测量数据通过与上位机通讯后，并数据处理进行航位推算，实现室内定位。
难点2：摔倒检测
跌倒方案大多只是利用了加速度传感器，有一定的误报率。而研究表明，辅以陀螺仪与加速度传感器实现的姿态测量可以显著提高跌倒检测的可靠性，ST eMotion 平台正好具有加速度传感器和陀螺仪传感器，互相辅助检测，利用上位机数据处理达到实用效果。
难点3：心电异常及时检测
当老人摔倒后，需要及时检测心率是否正常。利用STM32F103 最小系统将ECG 心电检测模拟信号经ADC 采样，上传至上位机进行处理，并传给专业人士分析。
方案实现目标
当老人摔倒后，系统及时检测并通知老人子女，以及显示老人步行轨迹与具体位置。而且可通过“老人生命伴侣”设备中的心电检测模块及时采集老人心电信息，并通过上位机及时传给专业人士分析，判断是否需要及时送入医院治疗。
方案设计原理
1、eMotion 数据采集
本方案利用matlab 与eMotion套件进行串口通讯（用ST 提供的蓝牙通讯），实时获取三轴加速度传感器、陀螺仪数据。并利用stm32 的ADC 采集ECG 心电检测模块的模拟信号也通过串口与上位机通讯。
2，室内定位工作原理
（1）求实时姿态矩阵
由于传感器是使用者佩戴在身上，那么意味着会有轻微的抖动，并且传感器本身也会引入漂移误差。通过学习惯性导航等知识，考虑在使用数据进行解算前利用卡尔曼滤波的方法，将所需要的数据进行预处理。卡尔曼滤波算法有五个经典公式如下所示：
在姿态解算中需要用角速度来更新姿态矩阵，设计Runge-Kutta 算法，而Runge-Kutta算法是基于以下公式：
姿态矩阵满足如下关系式：Fb = TFa ，其中Fa表示动坐标系（板载坐标系），Fb 表示静坐标系（地理坐标系），T 就是姿态矩阵。对于姿态矩阵的迭代求解，我们使用四元数法，利用四元数可以有效避免欧拉角求解的局限性（反三角函数的多值性和部分输入无解性）。这个四元的一阶微分方程组的求解可以使用Runge-Kutta（龙格库塔）方法求的数值解，在每一个采样点时间时刻求得对应的姿态四元数，而已知到姿态四元数与姿态矩阵的对应关系式，那么求得了姿态四元数就可以知道姿态矩阵：
具体实现见matlab程序。
（2）坐标系转换
利用上述得到的姿态矩阵从eMotion套件读取板载坐标系下的三轴加速度数据acc=[ax,ay,az]'，通过公式求的地理坐标系下的三轴加速度数据Acc=T*acc,即
Acc=[Ax,Ay,Az]，实现了加速度坐标系转换。
（3）位移的递推求解
在上面已经获得了姿态矩阵，已知Acc=T*acc ，即我们可以通过姿态矩阵把加速度数据有板载坐标系转化到地理坐标系，从而可以得到相应地理坐标系的加速度值，已知运动的初始状态，每个时刻的加速度值，那么就可以计算得到板载平面运动的位移轨迹。已知起点，已经建立的坐标系，那么就可以利用积分公式求得的位移信息，v = ∫adt ，s = ∫vdt 确定在坐标系中的位置从而达到定位的目的。
3、摔倒检测原理
（1）检测方案
利用意法半导体公司提供的集成了三轴加速度传感器、三轴陀螺仪等传感器eMotion模块，利用利用串口通讯将模块中传感器数据传送至上位机处理，并及时判断是否摔倒。如图所示。
（2）检测设计过程
老人摔倒时，由于摔倒方向不确定性。在X、Y、Z三个方向均可能有一个很大的加速度突变。使用单独某一轴的加速度其特征不明显。因此，采用合加速度口。作为特征量进行分析,其中， Ax ， Ay ， Az 为定位设计时已求出的地理坐标系下的加速度数据，但是光有大加速度突变不一定就是摔倒。可以利用定位设计时陀螺仪测得的俯仰角，横滚角图2 来辅助判断，老人是否摔倒。利用eMotion 套件设计的“老人生命伴侣”设备，在检测到老人摔倒后，系统及时警报，并利用室内定位功能获取老人地理位置信息。
4、心电检测图2
（1）心电检测在本方案的重要用途
用途一：
当老人平时在家（身边有亲人，电脑设备），身体感觉有不适时，可以利用ECG 模块与上位机直接进行串口通信，实时检测心电信息，并传送给专业人士分析远程诊断。
用途二：
当老人在大型室内活动时（身边没有亲人，电脑设备），利用eMotion套件检测到老人摔倒以及获取了地理信息后，及时通过eMotion套件采集心电模拟信息，通过套件上蓝牙设备与上位机通讯，获取心电数据，并及时显示和传送给专业人士分析。
（2）心电检测原理
1、测量时三个电极的位置根据医生的指导确定，一般参考电极的位置为右脚脚踝处或腰总段中侧，另外两个测量电极选择要测量的相应位置。
2、心电模块供电要和DC-DC隔离电源或电池供电。图3
3、使用隔离电源供电时，TXD,RXD数据线也要和光耦隔离。
4、使用的计算机要求良好接地。
系统设计流程图
方案前景展望
摔倒检测、心电检测结合室内定位，真正做到了老人的生命伴侣。目前市场有摔倒检测的产品，价格高昂的心电检测产品，但是，几乎看不到便携式的惯性导航产品。将三者结合的产品市场上更是从未出现过。我们设计的老人的生命伴侣，只用了eMotion 套件和心电检测模块，体积小，功耗小，成本低。装置具有技术的先进性、社会的需求性、ST eMotion 平台的适合性，可为技术提高生命质量的典范。随着人们生活水平不断提高，只要技术成熟，产品化后，就会有非常大的市场需求。
目前实现的功能都是基于PC/WINDOWS 平台的。随着移动互联技术的发展，把这些功能移植到嵌入式设备上是完全可能的。我们在最初的方案中设计了通过android 智能手机实现数据远传的功能，但由于时间和知识的不足，这个功能没有实现。作为技术展望，将该装置通过蓝牙与手机通信，在手机上运行一个应用程序，该程序接收数据后经过GPRS 通道传输到服务器，可以实现任意地方的摔倒检测、心电检测和定位。
