基于手机加速传感器的人体摔倒检测

建筑工程　

Ｃｈｉｎａ　ＳＣｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｖｉｅｗ　

●ｌ　

基于手机加速传感器的人体摔倒检测术　

张明贵”　陈祖胜杨鹏李金兰　

（贵州民族大学应用数学专业贵阳５５００２５）　

［摘要］针对人体摔倒监测范围有限的缺点，本文提出一种基于智能手机加速传感的人体摔倒检测算法。该算法以采集到的加速度为时间序列，求得对应　

的合加速度，通．￣ｓｈｅｎ算子滤波后，求得相应的阈值，当采集的加速度超过阈值后，通过智能手机向急救中心报警，实验结果表明，该算法能够利用现有的技术设备，　

在人体摔倒检测中能取得较好的效果。　

［关键词］加速传感器；智能手机；Ｓｈｅｎ算子；摔倒检测　

中图分类号：ＴＰ３９１．４１；ＴＰ２７４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—９１４Ｘ（２０１４）０２～０３４７—０２　

１．引言　

随着３Ｇ与物联网时代的快速发展，智能手机与人们形影相随。手机的物理　

运动与人体的物理运动相一致，智能手机的加速度可以跟踪感知人体的运动规　

律。　

近年来，对人体的摔倒检测的技术有很多，最常见的是加速度分析，美国的　

Ⅱ等［１段计一种由三轴加速度计和三轴陀螺仪组成的装置佩戴于人体胸部和　

大腿部，并通过实验设置两部位各自的和加速度和角速度阈值，具备较强的时　

效陛，但是其误判主要来源于单时间点对应的传感信息不具备描述人体运动过　

程的完备性。　

本文提出一种基于智能手机加速传感器的人体摔倒检测算法，算法采用　

Ｓｈｅｎ滤波对采集到的加速度做进一步处理，并以合加速度作为判断标准，当合　

加速度超过实验得到的阈值时，通过智能手机向救援中心报警。　

２．Ａｎｄｒｏｉｄ手机坐标系三维数学模型　

如图１所示，在Ａｎｄｒｏｉｄ坐标系统中，坐标原点位于屏幕的左下角，ｘ轴水平　

指向右侧，Ｙ轴垂直指向顶部，Ｚ轴　

指向屏幕前方。在该系统中，屏幕　

后方的坐标具有负的ｚ轴值。　

所有数值都采用ｓＩ标准单位　

（ｍ／ｓ２），测量手机的加速度值，并　

减去重力加速度分量。分别使用向　

量　、　和　来表示智能手机三　

个不同维度的加速度，　

ＩＡｘ｛、Ｊ　Ｊ和Ｉ　｝表示它们的大小，令　

Ａ　为合加速度向量，则有：　

ｒ——　—■—。　———＿　

ｌ　Ｉ＝　４ｌ　＋Ｉ　【　＋ｌ４ｆ　

３．跌倒检测算法设计　

３．１　Ａｎｄｒｏｉ　ｄ坐标系统加速传　

感的数据处理　

由于采集到的加速度容易受　

到噪声干扰，在算法设计过程中，　

利用Ｓｈｅｎ滤波对计算得到的合加　

图３人体摔倒算法流程图　

速度进行优化处理。　

Ｓｈｅｎ滤波是一种低通滤波器，　

（　）＝Ｃ（ｍ：ｌｘ）－ｍ　（　））　

图１轴加速度计的　

图２　Ｓｈｅｎ算子算法流程图　

Ａｎｄｒｏｉｄ坐标系统　

设原信号为　），　＝０，１，２，…，Ⅳ），Ｓｈｅｎ算子通过一个从前向后的前运算　

和一个从后向前的后运算进行滤波，其前运算为：　

Ｊ％（

Ｉｍ

　）　（　）　（３

－

１

（　）＝ａｍ（　）＋（１一ａ）ｍｌ（　一１）　：１，２，・一，Ⅳ　

１）　

后运算为：　

Ｊ　：　）　（　）　Ⅳ（３－２）　

Ｉ　ｒｎ２（　）＝ａｍａ（　）＋（１一ａ）ｍ２（　—１）　：Ｎ一１，Ｎ一２，・一，１　

这里，０＜ｎ＜１。且ａ为平滑系数。　

在文献［２】中，Ｓｈｅｎ用严谨的数学方法证明了Ｓｈｅｎ算子不仅具有低通滤波　

的功能，并且还能此算子获得等价的一阶导数和二阶导数，如图６所示为Ｓｈｅｎ　

算子流程图［３１，其中，Ｃ１≠０，Ｃ２≠０且都是正常数。　

Ｓｈｅｎ算子不仅可以起到平滑滤波的作用，还可以通过Ｓｈｅｎ算子求一阶　

导数ｍ　（　）＝ｃ（ｍＲ（　）一ｍ￡（　））来找过零点，式中ｃ为正常数，ｍＲ　）、ｍＥ（ｘ）　

为对合加速度原图进行从右到左和从左到右滤波得到的，由此可以得到跌倒时　

的合加速度阈值。　

３．２跌倒检测算法　

为了检测人体摔倒行为的发生，本文提出一种改进的加速度阈值判别式算　

法。算法的输人数据来自于手机加速度传感的输出信号，是一段按时间顺序不　

断产生的加速度时间序列。通过人体跌倒和日常生活正常（Ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｄａｉｌｙ　

０　１ｏ０　２０ｏ　３００　４　０　ｏ　籼０　

（ｂ）经过ｓｈｅｎ滤波的合加速度曲线　

图４正常行走时合加速度的变化曲线　

＾　

』１／　・　

０　｛ｑｅ　，５０　２００　２５０　３Ｏ０　

（ａ）未经过ｓｈｅｎ滤波的合加速度曲线　

（ｂ）经过ｓｈｅｎ滤波的合加速度曲线　

图５人体摔倒时合加速度的变化曲线　

科技博览；３４７　

建筑工程　

Ｉ■　

浅析水利工程建设对我国农田的影响　

李斌程涌　

（渭南市涧峪水库工程建设管理局）　

［摘要］水利是农业的命脉，水事关乎民，水事大于天。新中国成立以来，我国水利建设取得了巨大的成就，江河防洪能力不断提升，农田水利设施不断完善　

农田水利保障能力不断增强，为我国经济社会发展和社会主义现代化建设提供了重要的支撑和保障。农田灌溉呈现“最后一公里”１Ｎ题，基层水利服务体系薄弱　

将会成为农业农村经济社会发展的突出制约因素。农田水利建设滞后影响国家粮食安全；农业用水资源利用率不高，制约现代农业建设。　

［摘要］水利工程建设农田　

中图分类号：ＴＶ５２３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９～９１４Ｘ（２０１４）０２—０３４８—０１　

农田水利建设的意义和内涵　

随着工业化和城镇化的不断发展，农业现代化的同步推进，我国水利面临　

的形势更加严峻，迫切要求增强防灾减灾能力，强化水资源节约保护工作，扭转　

农业主要靠天吃饭的局面。　

加强农田水利建设，是确保国家粮食安全、促进农业稳定发展、农民持续增　

收的迫切需要；是统筹城乡发展、建设社会主义新农村的迫切需要；也是转变发　

一　

展方式、扩大内需，推动经济社会可持续发展的现实需要。国家要从战略和全局　

的高度，充分认识农田水利基本建设的重要性和紧迫性，把农田水利基本建设　

作为经济结构战略性调整的基础工程来抓。它是保障和改善民生的重大举措，　

是发展现代农业的重要方面。　

农田水利建设是指为发展农业生产服务的水利事业。基本任务是通过水利　

工程技术措施，改变不利于农业生产发展的自然条件，为农业高产高效服务　农　

田水利建设就是通过兴修为农田服务的水利设施，包括灌溉、排水、除涝和防治　

盐、渍灾害等，建设旱涝保收、高产稳定的基本农田。农田水利建设的基本任务，　

是通过兴修各种农田水利工程设施和采取其他各种措施，调节和改良农田水分　

状况和地区水利条件，使之满足农业生产发展的需要，促进农业的稳产高产。采　

取蓄水、引水、跨流域调水等措施调节水资源的时空分布，为充分利用水、土资　

源和发展农业创造良好条件；采取灌溉、排水等措施调节农田水分状况，满足农　

作物需水要求，改良低产土壤，提高农业生产水平。　

二　水利工程建设对农田的影响　

２　１解决了灌溉的问题，消除了旱情带来的灾害　

农业生产主要追求粮食产量，以种植水稻、小麦、油菜为主，但是这些作物　

如果在没有水或者在水资源比较缺乏的隋况下会极大地影响其它们的产量，比　

如遇到大旱之年，农作物连命都保不住，那还来的产量，可以说是颗粒无收，这　

样农民白白辛苦了一年的劳作将毁于一旦，收入更无从提起，农民本来就是以　

种庄稼为主，如今庄稼没了，这会给农民的经济带来巨大的损失，因此坚强农田　

水利工程建设可以满足粮食作物的生长需要，解决了灌溉问题，消除了灾情的　

灾害，给农民也带来了可观的收益。　

２　２改良农田水质　

近年来，水污染带来的水环境恶化、水质破坏问题日益严重，给水产养殖带　

来了负面影响，死鱼、死虾、死蟹等现象时有发生。由于水产养殖业发展较决，对　

Ｌｉｖｉｎｇ，ＡＤＬ）［４］行为的区别来判断跌倒是否产生。　

人体在跌倒的时候大部分是前后跌倒或者侧向跌倒，但是无论是哪种方式　

水源水质的标准要求更加严格。一旦水源污染、水质破坏，会影响到水产养殖业　

的发展，也会影响到农民的利益。目前因水质不能保证所引发的矛盾相对增加，　

这也是农民时刻关注的问题，因此坚强水利工程建设可以改良农田水质，对于　

水产养殖业的发展起到了不可估量的作用。　

２　３节约了农田用水，减少了农田灌溉用水损失　

在大涝之年农田通水不缺少的情况下，可以利用水利工程建设将多余的水　

积攒起来，以便　后庄稼需要水时可以随时放水灌溉。另外，蔬菜、瓜果、苗木、　

花实施节水灌溉是促进农业结构调整的必要保障．加大农业节水力度、减少灌　

溉用水损失，有利于解决农业面的污染，有利于转变农业生产方式，有利于提高　

农业生产力，是一项革命性措施，必须摆在农村水利建设的突出位置．要加大节　

水设施与节水技术的推广力度，扶持节水灌溉典型，完善防渗渠系配套，合理发　

展喷、滴灌工程，重点发展浅湿灌溉技术，有条件的地方对主干渠道逐步实现衬　

砌化，这都大大减少了水资源的不必要的浪费，起到了节约农田用水的目的。　

２　４排除了农田大涝灾害　

随着农业结构调整的不断深人，对农田灌溉、排涝、降渍水平提出了越来越　

高的要求，要加强对灌、排、降技术标准的研究。今后农田水利基本建设要适应　

农业结构调整的需要，切实提高供水保证率和农田排涝能力的标准，更好地为　

农业生产提供高标准的灌排服务，避免了大涝灾害对农作物带来的损失。同时，　

要加强农业产业结构的规划研究，以利于农田水利配套设施发挥更好的作用。　

２．５减少农田水土流失　

大涝天气会引起农田水土流失，影响了农村的生态环境。这给水土资源带　

来了很大的影响，地里的肥料也被谁给冲走了，上层好的土层也被谁给冲跑了，　

农作物的产量，这是可以兴修渠道，引水人海，不仅减少了农田水土流失，还节　

约了水资源。　

结束语：水利是农业的命脉，农田水利工程须从项目的论证、设计、建设、监　

理、管理等环节抓起，做好质量全程监控工作。应注重开发人力资源，加强资金　

投入，推行专项资金项目预算审签制度，加强政府引导、服务、监督，进行科学管　

理等，只有这样才能使水利建设真正为农田服务为农民服务。　

参考文献　

［１】任兰义．地方小水电工程质量监督工作的思考［Ｊ】．广东科技，２００７，１．　

［２］王勇．浅谈工程质量监督新模式［Ｊ】．科协论坛，２００８，１０．　

用合加速度检测人体摔倒不能取得满意的结果，结合摔倒时方向角的变化来判　

断人体摔倒是本文下一步将研究的重点，对于远程医疗服务的发展有着重大的　

意义　

的跌倒，都会引起合加速度４　在短时间内发生大幅度的变化，本文算法流程　

如图４所示，首先根据采集到的的加速度计算得到合加速度，再判断合加速度　

是否超过ＡＤＬ，如果超过正常范围。继续采集ｌｓ数据，判断合加速度是否超　

２　

参考文献　

…１　Ｌｉ　Ｑｉａｎｇ，Ｓｔａｎｋｏｖｉｃ　Ｊ　Ａ，Ｈａｎｓｏｎ　Ｍ　Ａ，ｅｔ　ａ１．Ａｃｃｕｒａｔｅ，Ｆａｓｔ　Ｆａｌｌ　

Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｕｓｉｎｇ　Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ　ａｎｄ　Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ－Ｄｅｒｉｖｅｄ　Ｐｏｓｔｕｒｅ　Ｉｎｆｏｒ－　

过正常范围比例的　，若符合摔倒行为，则进行报警，否则取消报警。　

４．实验结果及分析　

为了验证本文设计的人体摔倒检测算法的有效性，做了两种动作的实验，　

种是正常行走，一种是行走短时间后快速摔倒，每种动作Ｎ２５次。从方便实用　

的角度考虑，试验时将手机放在实验者腰部或者裤包里，得到的实验结果如下：　

从正常行走合加速度的变化曲线图可以看出，正常行走时合加速度不会超　

一

ｍａｒｉｏｎ／／Ｐｒｏｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　６ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｏｎ　Ｗｅａｒａｂｌｅ　ａｎｄ　

Ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ　Ｂｏｄｙ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｂｅｒｋｅｌｅｙ，ＵＳＡ，２００９：１３８—１４３．　

［２］Ｓｈｅｎ　Ｊ，Ｃａａａｎ　Ｓ．Ａｎ　Ｏｐｔｉｍａｌ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｏｐｅｒａｔｏｒ　ｆｏｒ　Ｓｔｅｐ　Ｅｄｇｅ　

Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［Ｊｌ，ＣＶＧＩＰ：Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｓ　ａｎｄ　ｉｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，１９９２，５４（２）：　

ｌ１２－１３３．　

过９．８ｍ／ｓ　，且只在９．５ｍ／ｓ　左右波动　

根据以上图像可以看出，人体摔倒时加速度超过了９．８ｍ／　，通过实验训　

练结果，摔倒时合加速度最大能达到２３．５ｍ／ｓ２。　

［３冯夫健，张乾，林鑫，ｅｔ３］　ａ１．基于数字图像处理的奶瓶牛奶液面定位方　

法［Ｊ】．微计算机信息，２０１２，２８（１０）：４１１　４１２，４６５．　

４　ＷＥＬＣＨ　Ｇ，ＢＩＳＨＯＰ　Ｇ．Ａｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｋａｌｍａｎ　ｆｉｌｔｅｒ　

［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１１—０９—０６】．ｈｔｔｐ：／／ｋｊｅｒ１．ｄｋ／ｂｉｂ／ｋｊ／２００１％２０Ａｎ％　

２ＯＩｎｔｒ０ｄｕｃｔｉｏｎ％２０ｔｏ％２０ｔｈｅ％２０Ｋａｌｍａｎ％２０Ｆｉｌｔｅｒ．ｐｄｆ．　

所有实验结果说明，当合加速度值超过阈值１　１．５ｍ／ｓ　时，人体处于摔倒　

状态（包括向前摔倒、向后摔倒和侧向摔倒），系统就会自动报警，本文提出的跌　

倒检测算法能在０。２ｓ内检测出人体摔倒，因此具有较强的时效性和更高的正确　

率。　

５。小结　

本文基于智能手机三轴加速传感的基础上，提出用合加速度作为判断人体　

作者简介　

张明贵（１９８６一

处理、模式识别。　

基金项目　

），男，贵州织金人，硕士研究生，主要研究方向：图像　

摔倒的标准，采用ｓｈｅｎ滤波对合加速度数据进行平滑处理，并求出跌倒时阈值，　

设计出人体摔倒的检测算法，实验证明了本文方法的可行性和准确性。然而，仅　

国家自然科学基金［６１２６３０３４】；贵阳市科技计划项目（筑科合同［２０１２２０１】　

１－３４号）；贵州省教育厅培育项目（黔教科２０１００２１号）；２０１３年贵州民族大学科　

研基金资助项目“基于手机加速传感器对人体姿态的检测”；贵州省“信息处理　

与模式识别”研究生教育创新基地建设项目。　

３４８　ｌ科技博览