Với các góc quay lần lượt quanh các trục X, Y, Z.

21



Phương pháp của đề tài là tiến hành khảo sát các hoạt động chung đơn giản chẳng

hạn như đi bộ và ngồi, và các hoạt động nguy hiểm khi rơi xuống, phân tích kết quả tìm

kiếm để xác định và phân biệt được ngã hay các chuyển động nguy hiểm với các hoạt

động bình thường. Theo dự kiến, độ lớn của gia tốc khi rơi xuống nói chung là lớn hơn

hơn so với những người hoạt động bình thường. Nếu chỉ thiết lập ngưỡng cho cho mỗi

trục gia tốc thì sẽ khơng tin cậy, bởi vì với các hướng khác nhau sự ngã và chuyển động

cũng như chịu lực là khác nhau. Vì thế để xác định gia tốc lớn của sự kiện ngã hay rơi ta

sẽ xem sét gia tốc tuyệt đối của vật nghĩa là sẽ khảo sát đồng thời gia tốc tại các trục và

tính thành gia tốc chung của vật. Bộ vi xử lý phải lấy giá trị ba mẫu gia tốc theo các trục

một cách tuần tự và đủ nhanh để phù hợp với các chỉ tiêu tính tốn. Sau đó so sánh gia tốc

chung hay gia tốc tuyệt đối này với ngưỡng và đánh giá chuyển động.

Hình dưới đây là gia tốc đo được của chuyển động đi lại.



Hình 3.3 Gia tốc của chuyển động đi lại

Ta nhận thấy chuyển động đi lại hàng ngày gia tốc ln thay đổi với biên độ khơng vượt

q 2 g. Và gia tốc thường biến thiên trong khoảng 0 g-2.5 g trong cả q trình chuyển

động sẽ có rất nhiều các đỉnh gia tốc và khơng có giá trị ổn định nào. Về mặt thời gian sự

biến thiên gia tốc cũng diễn ra rất nhanh có thể biến thiên từ 0.4 g đến 2.2 g trong khoảng

0.4 s. Nếu cứ tiếp tục di chuyển thì gia tốc của chuyển động đi lại có tính thay đổi chu kỳ

khá nhanh.



22



Hình 3.4 Gia tốc của người khi ngồi xuống

Quan sát gia tốc trong chuyển động ngồi xuống (hình 3.4) ta thấy rằng gia tốc sẽ có một

đỉnh cao hơn hẳn so với phần còn lại tuy nhiên ở tư thế ngồi xuống bình thường thì gia

tốc cũng khơng vượt q 3 g. Nếu một người đang đi rồi ngồi xuống thì gia tốc sau khi

xác lập đỉnh sẽ ổn định hơn xung quanh mức 1 g. Về mặt thời gian đáp ứng thì sự biến

thiên gia tốc của việc ngồi xuống diễn ra rất nhanh có thể tăng từ mức 1 g lên gần 3 g

trong khoảng 0.2 s khoảng thời gian để xác lập trạng thái gia tốc mới sau việc ngồi xuống

cũng chỉ ở mức nhỏ hơn 1 s.



Hình 3.5 Biểu đồ gia tốc của người khi ngã ở người



23



Căn cứ vào đồ thị gia tốc ta có thể nhận thấy gia tốc của người khi bị ngã đạt giá trị rất

lớn tới xấp xỉ 7 g. Trạng thái xác lập trước và sau khi ngã cũng chỉ khoảng hơn 1 s. Bên

cạnh đỉnh gia tốc còn có một vùng lân cận có gia tốc biến thiên nhưng đều ở mức nhỏ hơn

rất nhiều so với xung ngã. Và khi xác lập việc ngã xong thì gia tốc của người ổn định

quanh mức 1 g.

Từ các phân tích trên ta có thể đưa ra được phương pháp phát hiện chấn động ngã theo

lưu đồ sau:



Hình 3.6 Lưu đồ thuật tốn phát hiện chấn động

Ngưỡng này có thể được thiết lập dựa trên các dữ liệu thực nghiệm.Theo các khảo sát thì

giá trị tăng tốc nhỏ nhất hay gia tốc của ngã nhỏ nhất tính từ ngã 3G ( Với G là gia tốc

trọng trường), nhưng thường dao động cao hơn lên đến vài G. Các hoạt động bình thường

thường khơng vượt q 3 g, nhưng đơi khi có thể trong q trình một số động tác đặc biệt,

ví dụ trong nhảy, chạy hoặc ngồi xuống đột ngột. Do đó có sự trùng lặp một số trong

phạm vi của chỉ tiêu tăng tốc giữa các hoạt động an tồn đặc biệt đó và ngã. Do vậy đây là

phương pháp đơn giản chỉ hiệu quả khi chúng ta dung để xác định các chấn động hay các

dịch chuyển đột ngột, chúng ta cần một cách khác để phân biệt rơi xuống từ hoạt động

bình thường cho một thuật tốn mạnh mẽ hơn.

b. Phát hiện ngã dựa vào định hướng

Khi khơng có gia tốc thực tế đối với mặt đất ví dụ như khi người di chuyển thẳng đều thì

gia tốc phát hiện được gia tốc thường của trọng lực với giá trị 1G, hướng vào tâm trái đất.

Giá trị gia tốc trọng trường này là một phần tĩnh trong mọi sự tăng tốc của chuyển động



24



con người. Khi trạng thái cơ thể là đứng n, giá trị phản ánhlà bình thường, và dựa và

đó có thể để suy ra các định hướng tương quan với một đường thẳng đứng tưởng tượng.

Trong một khoảng thời gian hữu hạn, giả sử rằng sự định hướng khơng thay đổi, nếu vận

tốc ban đầu và cuối cùng là như nhau. Nhưng có sự thay đổi gia tốc trong khoảng thời

gian đó thực nghiệm chỉ ra rằng việc quan sát trong khung 1s dữ liệu làm việc tốt cho ước

tính hướng của đối tượng.

Khi một người rơi xuống, họ trải qua một sự thay đổi lớn trong vị trí và hướng từ trước

khi ngã đến sau. Ví dụ đơn giản sẽ là từ đứng thẳng, nằm thẳng sẽ làm thay đổi giá trị

định hướng của hai trục lên đến 90 0. Thay đổi thực tế trong định hướng có thể nhiều hơn

hoặc ít hơn, tùy thuộc vào vị trí ban đầu và cuối cùng của người, nhưng trong bất kỳ

trường hợp nào, thường có một sự thay đổi như vậy, ngoại trừ trường hợp đặc biệt giống

như khi một người lăn khỏi giường.Như vậy để nhận diện ngã ta phải so sánh trạng thái

trước và sau khi ngã để thấy được sự thay đổi về trục tọa độ gắn trên người .

Bắt đầu



N

Thời gian

tác động

sau t>=2s



Y



g>=3G



N



Y



Tính toán

trạng thái 1s

trước tác động



Tính toán

trạng thái 2s

sau tác động



Góc lệch

lớn hơn

tiêu chuẩn



N



Y

Gửi tin nhắn



Kết thúc



Hình 3.7 Lưu đồ thuật tốn



25



Trạng thái ban đầu cảm biến thu nhận tín hiệu gia tốc và ln gửi về vi điều khiển. Khi

phát hiên gia tốc lớn hơn 3 g như ở phương pháp nhận biết chấn động chương trình sẽ xét

tiếp đến biến góc quay. Giả sử tại thời điểm tác động mốc thời gian được chọn là t 0. Tại

đây chương trình sẽ chờ trong vòng 2 s tức là đến thời điểm t 0+2 (s) nếu trong thời gian

đó cảm biến lại ghi nhận được chấn động khác với g có thể nhỏ hơn 3 g. (trường hợp ngã

bị lăn nhiều vòng) thì sẽ chờ đến chấn động cuối. Sau đó sẽ tính tốn dữ liệu về góc của

đối tượng trước chấn động đầu tiên 1 s tức là tại thời điểm t 0-1 (s) để ghi lại giá trị trạng

thái góc trước khi có chấn động. Rồi tiếp tục tính giá trị góc sau khi có chấn động. Nếu sự

sai lệch về góc lớn hơn giá trị định mức thì khẳng định đó là hiện tượng ngã.

Ngay lập tức gửi tin nhắn cảnh báo đến người thân.

c. Phát hiện ngã dựa vào định hướng đầu cuối và định hướng q trình.

Trong phương pháp thứ nhận diện ngã bằng định hướng về cơ bản đã giải quyết

nhận diện được ngã một cách chính xác tuy nhiên hạn chế của nó vẫn xảy ra khi trong

một vài trường hợp ví dụ khi một người bị ngã từ trạng thái nằm lăn xuống giường sau đó

giữ ngun trạng thái như ban đầu thì phương pháp thứ 2 sẽ dẫn đến nhầm lẫn.

Phương pháp nhận diện ngã dựa vào định hướng đầu cuối và định hướng q trình với ý

tưởng kết hợp phương pháp thứ hai và xét thêm sự thay đổi định hướng trong qua trình

xảy ra chấn động.

Giả sử tại thời điểm t0 ta nhận diện được một chấn động với gia tốc lớn hơn 3G. Bước đầu

tiên cần lưu lại giá trị gia tốc trước thời điểm chấn động 1s như phương pháp 2.

Xét trường hợp 1: Trong q trình ngã bị lăn quanh một vòng với giả thiết là lăn quanh

trục Z và lăn đều với sự gia tăng gia tốc khơng đáng kể.



Hình 3.8 Q trình ngã bị lăn nửa vòng đầu tiên



26



Hình 3.9 Q trình ngã lăn nửa vòng cuối

Ta nhận thấy trong q trình ngã lăn các trục X và Y sẽ quay một vòng quanh trục Z trong

mặt phẳng XOY. Tại thời điểm bắt đầu và thời điểm kết thúc giá trị gia tốc khơng thay

đổi nhưng trong khoảng thời gian lăn gia tốc đã thay đổi những lượng đủ lớn để khảo sát.

Khảo sát gia tốc theo từng trục:



Hình 3.10 Gia tốc q trình ngã lăn theo từng trục

Như vậy ý tưởng phát hiện được những trường hợp ngã lăn như thế này là xét đến sự thay

đổi gia tốc của các trục trong q trình. Với trường hợp này sai lệch gia gia tốc của trục X

và trục Y có thể lên tới 2 g.



27



Xét trường hợp : Khi ngã bị lăn một góc rồi trở lại trạng thái ban đầu.

Khảo sát gia tốc theo từng trục:



Hình 3.11 Gia tốc ngã trong trường hợp 2

Trong trường hợp này gia tốc trục Z và gia tốc chung khơng đổi sự thay đổi diễn ra ở gia

tốc trục Y và trục X tuy nhiên sự sai khác khơng lớn như trường hợp 1.

Như vậy xét cả hai trường hợp phải tìm được một mức thay đổi gia tốc thích hợp cho trục

X và trục Y để có thể xác định chính xác được việc ngã. Ta có thể xác định được gia tốc

này thơng qua thực nghiệm.

Một cách khác khơng quan tâm đến sai lệch về giá trị gia tốc trên các trục mà quan tâm

đến góc của gia tốc chung đối với các trục. Trong q trình lăn thì góc của gia tốc chung (

nếu coi việc bị lăn là chuyển động đều thì gia tốc chung chính là gia tốc trọng trường mà

ta ghi nhận được) sẽ khơng thay đổi về góc tuyệt đối nhưng thay đối góc so với các trục

tương đối. Sử dụng các cơng thức (3.4), (3.5), (3.6) ta xác định được góc của véc tơ gia

tốc trọng trường tại các thời điểm. Khi đó khảo sát các góc quay của trục X và trục Y để

đưa ra kết luận. Phân biệt với hoạt động đứng lên ngồi xuống thơng thường thì ít làm thay

đổi góc quay của các trục X, Y mà về cơ bản làm thay đổi độ lớn gia tốc theo trục Z.



28

Bắt đầu



N

Thời gian

tác động

sau t>=2s



Y



g>=3G



N



Y



Tính toán

trạng thái 1s

trước tác động



Tính toán

trạng thái 2s

sau tác động



N

Góc lệch

lớn hơn

tiêu chuẩn



Gia tóc thành

phần thay đổi

lớn hơn tiêu

chuẩn



N



Y



Y

Gửi tin nhắn



Kết thúc



Hình 3.12 Lưu đồ thuật tốn phát hiện ngã theo phương pháp định hướng

3.2 Thiết kế mạch hệ thống phát hiện và cảnh báo ngã

Từ mơ hình sơ đồ khối hệ thống

MODUL

ADXL 345



SIM 548



COMPUTER



SPI



UART



UART



MODUL CPU



UART



5V DC

12V DC



Hình 3.13 Sơ đồ khối hệ thống



LCD



29



Tiến hành lựa chọn linh kiện và thiết kế hệ thống theo sơ đồ mạch in như sau



Hình 3.14 Mạch ngun lý của hệ thống



3.2.1 Khối nguồn

Đặc trưng u cầu của nguồn hệ thống cần ba mức điện áp chính là 3 V để cấp cho khối

ADXL345, khối nguồn 5 V cho vi điều khiển, khối nguồn 12 V cho giao tiếp RS 232.

Với khối nguồn 12V là lớn nhất sẽ làm nguồn cấp rồi hạ áp cho các khối nguồn

khác. Do u cầu của mơ đun Sim548 khi gửi tin nhắn sẽ cần dòng xấp xỉ 2Ampe nên

khối nguồn 12 V được chọn là một adaptor của hãng Rishe có đầu ra 12V và dòng lớn

nhất 3 A.

Khối nguồn 5V cung cấp cho vi điều khiển được hạ áp từ khối nguồn 12V bằng IC

L7805CV. Do IC L7805 chỉ cho dòng lớn nhất 1A nên để cấp nguồn cho mơ đun Sim548

sẽ dung IC LM2576T đây là nguồn xung có khả năng cho dung lớn nhất qua 2A nên phù

hợp với nhu cầu năng lượng của mơ đun Sim.



30



Khối nguồn 3V dùng để cấp cho khối ADXL sẽ được hạ áp từ khối nguồn 5V

dùng đi ốt zennor để ổn định áp ở mức 3V.

3.2.2 Khối xử lý trung tâm.

Được ni bởi nguồn 5V kết nối với các thiết bị ngoại vi qua các cổng kết nối.

Khối giao tiếp UART sẽ được kết nối với LCD, máy tính, Sim 458 qua hai chân truyền

nhận. Có thể lựa chọn bằng tay được trong các trường hợp muốn kết nối riêng từng mơ

đun. Khối xử lí được cấp dao động từ thạch anh ngồi với tần số 8MHz đủ để lấy mẫu và

xử lý tín hiệu.

3.2.3 Khối hiển thị

Sử dụng LCD 16x2 để hiển thị giá trị tức thời của gia tốc. Giao tiếp với vi điều

khiển qua giao tiếp UART. Giao diện trên máy tính sử dụng phần mềm Visual Basic để

thu thập và hiển thị giá trị



Hình 3.15 Giao diện giao tiếp máy tính.

Giao diện có khả năng hiển thị giá trị gia tốc tức thời và vẽ đồ thị gia tốc theo thời gian do

đó ta có thể quan sát được tín hiệu gia tốc trước và sau để tìm những đặc trưng của gia tốc



31



phục vụ cho việc nhận biết ngã. Tuy nhiên hạn chế là tốc độ truyền thấp vì thế khả năng

hiển thị khơng đáp ứng và cập nhật được giá trị tức thời của gia tốc.



3.2.4 Khối mơ đun ADXL và Sim

Khối ADXL345 dùng để đo gia tốc. Khối này có khả năng giao tiếp với vi điều

khiển qua hai chuẩn giao tiếp là I2C và SPI ở đây sử dụng giao tiếp SPI bốn dây. Đây là

chuẩn giao tiếp cho tốc độ truyền nhanh và đơn giản.



Hình 3.16 Giao tiếp SPI của ADXL

Mơ đun Sim ghép nối với vi điều khiển qua chuẩn giao tiếp UART. Trong đó vi

điều khiển gửi các lệnh gửi tin nhắn và mơ đun Sim nhận tín hiệu và gửi tin nhắn đên th

bao định trước.

3.3 Thiết kế chương trình phát hiện ngã

3.3.1 Q trình phát hiện ngã.

Trong chương trình ln ln qt các giá trị trả về của cảm biến. Bằng các lệnh thiết lập

giao tiếp SPI trong đó vi xử lý đống vai trò là Mater còn mơ đun Adxl đóng vai trò là

Chíp tớ. Các giá trị trong các thanh ghi chứa gia tốc. Thanh ghi 50-51 chứa gia tốc theo

trục x. Thanh ghi 52-53 chứa gia tốc theo trục Y và thanh ghi 54-55 chứa gia tốc theo trục

Z.

Các thanh ghi 8 bít gia tốc trả về dưới dạng 10 bit được ghép từ 2 thanh.

Sau khi quy đổi từ giá trị LSB sang giá trị gia tốc chương trình sẽ ln tính những giá trị

sau:

Giá trị gia tốc di chuyển tổng cộng:

(3.14)

Giá trị các góc của gia tốc so với trục tọa độ cố định

(3.15)