Nghiên cứu thiết chế tạo hệ thống phát hiện ngã ở người cao tuổi ứng dụng cảm biến gia tốc và truyền tin không dây

  • Số trang: 55 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 224 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 26946 tài liệu

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ NGỌC DUY NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÁT HIỆN NGÃ Ở NGƯỜI CAO TUỔIỨNG DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC VÀ TRUYỀN TIN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội 5-2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ NGỌC DUY NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÁT HIỆN NGÃ Ở NGƯỜI CAO TUỔI ỨNG DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC VÀ TRUYỀN TIN KHÔNG DÂY Ngành: Công nghệ điện tử - viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN ĐỨC TÂN Hà Nội 5-201 MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG CẢNH BÁO NGÃ ................. 5 1.1 Giới thiệu chung ........................................................................................................... 5 1.2 Đối tượng sử dụng ........................................................................................................ 5 1.3 Các vấn đề đặt ra .......................................................................................................... 7 1.4 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 7 1.5 Phạm vi và giới hạn của nghiên cứu ........................................................................... 7 CHƯƠNG II : CÁC CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ LIÊN QUAN............................. 8 2.1 Mô hình sơ đồ khối chức năng hệ thống cảnh báo ngã. ........................................... 8 2.2 Các thiết bị liên quan ................................................................................................... 8 2.2.1 Cảm biến đo gia tốc.............................................................................................. 8 2.2.2 Tổng quan về vi điều khiển Atmega8 ................................................................ 10 2.2.3 Module SIM548 ............................................................................................. 11 2.3 Giao tiếp SPI .............................................................................................................. 13 2.4 Giao tiếp UART .......................................................................................................... 14 CHƯƠNG III MÔ HÌNH HÓA, THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO NGÃ ........ 16 3.1 Phương pháp nhận điện ngã ...................................................................................... 16 3.1.1 Mô hình hóa chuyển động người già ................................................................. 16 3.1.2 Phương pháp nhận dạng ngã .............................................................................. 19 3.2 Thiết kế mạch hệ thống phát hiện và cảnh báo ngã ................................................ 27 3.2.1 Khối nguồn ......................................................................................................... 28 3.2.2 Khối xử lý trung tâm. ......................................................................................... 29 3.2.4 Khối mô đun ADXL và Sim .............................................................................. 30 3.3 Thiết kế chương trình phát hiện ngã ........................................................................ 30 3.3.1 Quá trình phát hiện ngã. ..................................................................................... 30 3.3.2 Quá trình hiển thị ............................................................................................... 31 3.3.3 Quá trình gửi tin nhắn ........................................................................................ 31 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................ 33 4.1 Xây dựng mô hình nhận dạng ngã ........................................................................... 33 4.1.1 Khối modul Sim ................................................................................................. 33 4.1.2 Khối cảm biến và vi xử lý .................................................................................. 33 4.2 Khả năng hoạt động ................................................................................................... 35 KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 40 2 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Diễn giải SPI Serial Peripheral Bus UART Universal asynchronous receiver/transmitter GND Ground LSB Least significant bit SCK Serial Clock MISO Master Input Slave Output MOSI Master Output Slave Input GSM Groupe Spécial Mobile SMS Short Message Service 3 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Sơ đồ khối chức năng ............................................................................................ 8 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến ADXL345............................................................ 9 Hình 2.6 Các khối chức năng của Module SIM548 .......................................................... 12 Hình 2.8 Kết nối mô đun sim và vi điều khiển ................................................................... 13 Hình2.9 Giao tiếp SPI ......................................................................................................... 14 Hình 2.12 Cổng COM 9 chân và 25 chân ......................................................................... 15 Hình 3.1 Hệ tọa độ định hướng .......................................................................................... 17 Hình 3.2 Tư thế ngã. .......................................................................................................... 18 Hình 3.3 Gia tốc của chuyển động đi lại ............................................................................ 20 Hình 3.4 Gia tốc của người khi ngồi xuống ....................................................................... 21 Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán phát hiện chấn động ............................................................... 22 Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán ................................................................................................. 23 Hình 3.9 Quá trình ngã lăn nửa vòng cuối ......................................................................... 25 Hình 3.10 Gia tốc quá trình ngã lăn theo từng trục ............................................................ 25 Hình 3.11 Gia tốc ngã trong trường hợp 2 ......................................................................... 26 Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán phát hiện ngã theo phương pháp định hướng ...................... 27 Hình 3.14 Mạch nguyên lý của hệ thống ............................................................................ 28 Hình 3.15 Giao diện giao tiếp máy tính. ............................................................................ 29 Hình 3.16 Giao tiếp SPI của ADXL ................................................................................... 30 Hình 4.1 Khối modul Sim 458 ........................................................................................... 33 Hình 4.2 Khối điều khiển trung tâm ................................................................................... 34 Hình 4.5 Khi modul nhận dạng nằm ngang với mặt đất gia tốc theo trục Z ...................... 35 Hình 4.6 - Khi modul nằm nghiêng gia tốc theo trục Y ..................................................... 36 4 Hình 4.7 Tín hiệu cảm biến giám sát khi đứng im ............................................................. 37 Hình 4.8 Tín hiệu cảm biến khi ngồi xuống đứng lên nhanh ............................................. 37 5 CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG CẢNH BÁO NGÃ 1.1 Giới thiệu chung Ngày này, các hệ thống xây dựng từ các cảm biến phục vụ cho y tế, chăm sóc sức khỏe đang được phát triển rộng rãi [5-9]. Hệ thống cảnh báo ngã của người già gửi tin nhắn thông báo qua tin nhắn điện thoại, là một sản phẩm thông minh đã được nhiều tổ chức trên thế giới chú ý phát triển. Đặc biệt ở các nước phát triển như Nhật, Mỹ, EU…., sản phẩm sản phẩm thông minh đã trở nên gần gũi với người dân [4, 6, 9]. Các loại máy hỗ trợ người già cũng là một lĩnh vực được đầu tư phát triển, có rất nhiều sản phẩm như vậy trên thị trường , như thiết bị trợ thính thiết bị hỗ trợ giọng nói, các sản phẩm hỗ trợ dân dụng khác… Ở Việt Nam, những năm gần đây, những hệ thống thông minh cũng đã xuất hiện, nhưng sự phát triển của những hệ thống này ở Việt Nam rất đơn giản và ít lựa chọn. Về cơ bản, hệ thống cảnh báo ngã của người già gửi tin nhắn thông báo qua tin nhắn điện thoại gồm hai phần phần phát hiện ngã và phần nhận tín hiệu báo ngã, ứng dụng các các hệ thống hiện đại. Một số thiết bị để phát hiện ngã, đó có thể là một thiết bị cảm biến nhận dạng ngã hay một thiết bị kết nối mạng để trả tiền qua SMS… Hiện tại trên thị trường có rất ít hệ thống cảnh báo loại này. Thông tin vể hệ thống rất ít. Nhưng ngày nay xã hội phát triển các hệ thống như thế này cần được phát triển, để giúp đỡ nhưng người già và tao sự yên tâm hơn cho người thân khi làm việc . 1.2 Đối tượng sử dụng Đối tượng ở đây là người già, sức khỏe cũng như chí nhớ có hạn, sự định hướng và phản xạ giảm dần dẫn đến khả năng té ngã là rất cao. Do điều kiện ngoại cảnh và cơ thể vận động khác nhau nên sự té ngã là khó định hướng và phi tuyến. Một số yếu tố có thể dẫn đến ngã như mất thăng bằng hoặc bị kéo là một nguyên nhân phổ biến của ngã. Mất thăng bằng xảy ra khi đứng không vững trên mặt đất hoặc sàn nhà. Mất lực ma sát xảy ra khi một người trượt trên mặt đất hoặc sàn nhà ẩm ướt và trơn trượt. khi leo trèo trên ghế nhà bếp hoặc cân bằng trên các hộp hoặc sách để tăng chiều cao cũng có nguy cơ ngã rất cao [7]. 6 Hình 1.1 Xu hướng di chuyển của nguời già Ngã có thể xảy ra bởi vì các phản xạ của một người đã thay đổi. Khi con người già, phản xạ chậm lại. Phản xạ là phản ứng tự động với các kích thích trong môi trường. Ví dụ khi còn trẻ người ta có thể nhanh chóng phanh xe khi một đứa trẻ chạy ra đường hoặc nhanh chóng di chuyển ra khỏi con đường khi một cái gì đó vô tình ngã. Lão hóa làm chậm thời gian phản ứng của một người và làm cho nó khó khăn hơn để lấy lại sự cân bằng của một người sau một chuyển động đột ngột hoặc thay đổi trọng lượng cơ thể. Thay đổi trong khối lượng cơ và mỡ trong cơ thể cũng có thể đóng một vai trò trong té ngã. Khi con người già đi, họ bị mất khối lượng cơ bắp bởi vì họ đã trở nên ít hoạt động hơn theo thời gian. Mất khối lượng cơ, đặc biệt là ở chân, làm giảm sức mạnh của một người làm cho người ta không thể trèo lên được một chiếc ghế mà không cần sự trợ giúp. Ngoài ra, khi có tuổi, họ mất mỡ cơ thể đã đệm và bảo vệ khu vực xương, chẳng hạn như hông. Mất đệm này cũng ảnh hưởng đến lòng bàn chân, rối loạn khả năng của người đó để cân bằng. Sự mất dần sức mạnh cơ bắp, mà là phổ biến ở người lớn tuổi, nhưng không thể tránh khỏi, đóng một vai trò quan trọng trong sự té ngã. Thay đổi thị lực cũng làm tăng nguy cơ té ngã. Giảm tầm nhìn có thể được điều chỉnh bằng kính. Tuy nhiên, thường các kính hai tròng hoặc có ba tròng khi để khi người già có thể nhìn các đối tượng khác nhau tuy nhiên nhìn thay đổi qua các tròng cũng làm mất thăng bằng do thay đổi quá lớn. Điều này làm cho dễ dàng để mất thăng bằng và ngã. Đối với nhiều người lớn tuổi khác, thay đổi thị lực không thể được sửa chữa hoàn toàn, ngay cả khi có sự can thiệp hiện đại. Với sự xuất hiện của hệ thống cảnh báo ngã tạo ra sự phát triển cho dịch vụ cộng đồng hỗ trợ người lớn tuổi khi họ gặp khó khăn . Những lợi ích mà hệ thống đem lại : - Phát hiện ngã ở người lớn tuổi. - Gửi được tin nhắn cho người thân . Từ nhu cầu thực tiễn và lợi ích của xã hội hệ thống cảnh báo ngã của người già gửi tin nhắn thông báo qua tin nhắn điện thoại, và chuông là rất cần thiết trong một xã hội phát triển. 7 Nên trong đề tài này, nhiệm vụ chính là khảo sát được các tư thế, dáng điệu ngã từ đó ứng dụng cảm biến gia tốc để nhận biết sau đó thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống cảnh báo ngã của người già gửi tin nhắn thông báo qua tin nhắn điện thoại. 1.3 Các vấn đề đặt ra Trên thị trường cũng có hệ thống được phát triển một cách hoàn chỉnh bởi các công ty có kinh nghiệm trong việc chế tạo những sản phẩm dạng này. với một đề tài tốt nghiệp , việc thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống các vấn đề cần giải quyết là: - Trước tiên, đó là công nghệ dùng để nhận dạng ngã, cụ thể trong đề tài là nhận dạng ngã ở người già. - Trong việc thiết kế và chế tạo các xung tín hiệu phải tương thích để hệ thống hoạt động được. - Việc xây dựng thuật toán điều khiển và phương pháp điều khiển đồng bộ cho hệ thống. - Hệ thống phải tuyệt đối an toàn , có độ tin cây cao 1.4 Phương pháp nghiên cứu Hệ thống cảnh báo ngã là một sản phẩm của cơ điện tử, nên trong qua trình làm đề tài đã áp dụng phương pháp nghiên cứu sau : - Nghiên cứu mô hình của các hệ thống có một phần tính năng tương tự. - Áp dụng phương pháp luận thiết kế hệ thống: + Thiết kế tuần tự và đồng thời . + Mô hình hóa phần điện + Chế tạo mẫu các chi tiết chưa đảm bảo hoạt động như mong muốn, hoặc chưa được thiết kế trong các hệ thống thật trước đó, chế tạo mẫu mạch điện. Sau cùng, chế tạo thật mô hình hệ thống. 1.5 Phạm vi và giới hạn của nghiên cứu Hệ thống báo ngã cho người già có nhiều tính năng. tuy nhiên trong phạm vi một đề tài có những giới hạn về thời gian nên hoàn thành đề tài chỉ có thể chế tạo hệ thống báo ngã có một số tính năng sau: - Phát hiện ngã - Gửi tin nhắn và chuông cho người thân. 8 CHƯƠNG II : CÁC CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ LIÊN QUAN 2.1 Mô hình sơ đồ khối chức năng hệ thống cảnh báo ngã. Hệ thống cảnh báo ngã thực hiện nhiệm vụ phát hiện hiện tượng ngã và gửi tin nhắn cảnh báo đến người định trước. Như vậy về cơ bản sẽ có hai mô đun chính là phát hiện ngã và cảnh báo ngã. Ngày nay để đảm bảo hoạt động chính xác của các phần tử thì các thiết bị kiểm soát và giám sát luôn đi kèm trong các sản phẩm [2]. Từ việc đặt vấn đề trên, chúng ta thực hiện mô hình hóa các khối chức năng như hình vẽ. MODUL ADXL 345 SIM 548 COMPUTER SPI UART UART MODUL CPU UART LCD 5V DC 12V DC Hình 2.1 Sơ đồ khối chức năng Trong đó modul ADXL345 chịu trách nhiệm đo gia tốc của đối tượng và gửi giá trị về vi điều khiển thông qua chuẩn truyền thông SPI. Mô đun Sim 548 có chức năng gửi tin nhắn đến thuê bao của người thân và giao tiếp UART với mô đun điều khiển trung tâm. Màn hình LCD hiển thị giá trị tức thời của gia tốc chuyển động. Vi điều khiển Atmega 8 giao tiếp với máy tính thông qua giao diện Visual Basic với truyền thông nối tiếp không đồng bộ RS232 giúp lưu trữ thông tin và quan sát hiện tượng một cách trực quan. 2.2 Các thiết bị liên quan 2.2.1 Cảm biến đo gia tốc Hiện nay, các cảm biến gia tốc đa số đều được chế tạo theo công nghệ MEMS, nhờ vậy kích thước, khối lượng và giá thành các loại cảm biến này trở nên rẻ hơn nhiều so với các 9 công nghệ chế tạo cũ [2]. Trong phạm vi đề tài thiết bị dùng để phát hiện ngã là cảm biến gia tốc ADXL345. Hình 2.2 Cảm biến ADXL345 ADXL345 là một cảm biến nhỏ, mỏng có các tính năng sau: + Đo gia tốc 3-trục với độ phân giải cao (13-bit) trong dải đo ±16g. + Đầu ra số được xử lý và có thể đọc dữ liệu thông qua các chuẩn giao tiếp là I2C hoặc là SPI (3 hoặc 4 dây) đều được hỗ trợ trong các dòng vi xử lý phổ thông. + Độ phân giải cao (3,9mg / LSB) cho phép đo lường thay đổi độ nghiêng ít hơn 1,0°. + Cảm biến cho phép chỉnh được tầm đo +/-2g, +/-4g, +/-8g. Sơ đồ nguyên lý của cảm biến ADXL345 được mô tả trong hình sau. Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến ADXL345 10 Gia tốc trọng trường tại một địa điểm là không đổi. Khi cảm biến quay 1 góc nào đó, hệ trục toạ độ gắn với cảm biến cũng quay theo, và do đó, hình chiếu của gia tốc trọng trường lên các trục toạ độ đó sẽ thay đổi. Từ các giá trị đó, ta xác định được góc nghiêng hiện tại của cảm biến, cũng như góc mà cảm biến đã quay đi so với vị trí trước. Ví dụ sau thời gian T mà đọc được cảm biến đã quay 1 góc bao nhiêu độ, ta suy ra được vận tốc. Nếu tích phân vận tốc này ta sẽ có quỹ đạo chuyển động của cảm biến. Giá trị đọc về của các cảm biến gia tốc thường được tính theo đơn vị "g", g tức là gia tốc trọng trường. Do đó kết quả tính toán góc nghiêng, sau khi chia cho nhau sẽ mất đi thành phần "g". Giá trị đọc về từ cảm biến là hình chiếu của g trên 3 trục X, Y, Z. Ứng dụng của cảm biến: + Phát hiện chuyển động shock, rơi hoặc dao động, rung lắc. + Đo đạc góc nghiêng. 2.2.2 Tổng quan về vi điều khiển Atmega8 Atmega8 thuộc họ AVR được sản xuất bởi Cty ATMEL với tính năng mạnh mẽ với một số tính năng cơ bản sau: + Có 130 lệnh mạnh xử lý hầu hết trong một chu kỳ xung nhịp. + Có 8Kbyte bộ nhớ flash có thể xóa lập trình được và có thể chịu được 10000 lần ghi xóa. + Có 32 thanh ghi đa năng 8 bit, 512 byte bộ nhớ EEPROM tích hợp trên chíp, có 1 kbyte SRAM nội. + Có hai bộ định thời/đếm 8 bit và một bộ định thời/đếm 16 bit với bộ chia tần lập trình được. + Có ba kênh điều xung, 6 kênh lối vào chuyển đổi ADC với độ phân giải 10 bit. Atmega8 có 28 chân, trong đó có 23 cổng vào ra. Hình dưới đây mô tả nguyên lý cấu tạo của vi điều khiển Atmega. 11 Hình 2.4 Cấu tạo của vi điều khiển Atmega 2.2.3 Module SIM548 Đây là module GSM/GPRS và GPS của hãng SIMCOM Hình 2.5 Module SIM548 Module SIM548 có thể hoạt động với các tần số sau GSM 850MHz, 900 MHz, DCS 1800MHz và PCS 1900MHz và cũng hỗ trợ kỹ thuật GPS định vị vị trí bằng vệ tinh. Với 12 kích thước nhỏ 55mm 34mm x 3.0 mm, module này có thể sử dụng cho các ứng dụng như điện thoại thông minh, PDA, thiết bị định vị toàn cầu GPS. Chúng ta có thể giao tiếp với module thông qua chuẩn đế 60 chân dành riêng cho module SIM548. Thông qua đế chuẩn 60 chân này, chúng ta có thể sử dụng module với các mục đích khác nhau. Hình 2.6 Các khối chức năng của Module SIM548 Có các cách để cho phép ứng dụng GSM hoạt động như sau: Sử dụng chân PWMRKEY. Sử dụng chân CHG_IN. Sử dụng ngắt của một thời gian thực. Sử dụng chân PWMRKEY để bật ứng dụng GSM: Truyền tin SMS qua GSM có thể mô tả như hình dưới: 13 Hình 2.8 Kết nối mô đun sim và vi điều khiển 2.3 Giao tiếp SPI SPI (Serial Peripheral Bus) là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do hãng Motorola đề xuất. Đây là kiểu truyền thông theo chíp chủ - chíp tớ, trong đó có 1 chíp chủ điều phối quá trình tuyền thông và các chíp tớ được điều khiển bởi chíp chủ vì thế truyền thông chỉ xảy ra giữa Chíp chủ và Chíp tớ. SPI là một cách truyền song công (full duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời. SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có 4 đường giao tiếp trong chuẩn này đó là SCK (Xung nhịp), MISO (Chíp chủ nhận, chíp tớ truyền), MOSI (Chíp chủ truyền, chíp tớ nhận) và SS (chọn chip tớ). Hình sau thể hiện một kết SPI giữa một chíp chủ và 3 chíp Chíp tớ thông qua 4 đường. 14 Hình2.9 Giao tiếp SPI + SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên cần 1 đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit dữ liệu đến hoặc đi. Đây là điểm khác biệt với truyền thông không đồng bộ mà chúng ta đã biết trong chuẩn UART. Sự tồn tại của chân SCK giúp quá trình tuyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền của SPI có thể đạt rất cao. Xung nhịp chỉ được tạo ra bởi chíp chủ. + MISO: nếu là chíp Chủ thì đây là đường Input còn nếu là chíp Chíp tớ thì MISO ại là Output. MISO của Chíp chủ và các Chíp tớs được nối trực tiếp với nhau.. + MOSI: nếu là chíp chủ thì đây là đường lối ra còn nếu là chíp tớ thì MOSI là lối vào. MOSI của chíp chủ và các chíp tớ được nối trực tiếp với nhau. + SS: SS là đường chọn chíp tớ cần giap tiếp, trên các chíp tớ đường SS sẽ ở mức cao khi không làm việc. Nếu chíp chủ kéo đường SS của một chíp tớ nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa chíp chủ và chíp tớ đó. Chỉ có 1 đường SS trên mỗi chíp tớ nhưng có thể có nhiều đường điều khiển SS trên chíp chủ, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng. 2.4 Giao tiếp UART Cổng COM hay cổng nối tiếp (COM Port, Serial Port) là cổng giao tiếp cơ bản trên PC, cả máy tính để bàn và Laptop. Giao tiếp thông qua cổng COM là giao tiếp theo chuẩn nối tiếp RS232. Hình dưới thể hiện 2 dạng của cổng COM và bảng 1 tóm tắt chức năng các chân của cổng này. 15 Hình 2.12 Cổng COM 9 chân và 25 chân Đáng chú ý nhất trong các chân của cổng COM là 3 chân 0V SG (tín hiệu đất), chân phát dữ liệu TxD và chân nhận dữ liệu RxD. Đây là 3 chân cơ bản phục vụ truyền thông theo chuẩn RS232 và tương thích với UART trên AVR. Các chân còn lại cũng có thể được sử dụng nếu người dùng có 1 ích kiến thức về tổ chức thanh ghi của PC. Tuy nhiên, trong đa số trường hợp giao tiếp qua cổng COM thì chỉ 3 chân trên được sử dụng. Như đã trình bày trong bài AVR5-UART, chuẩn RS232 và UART nhìn chung là như nhau về mặt khung truyền, tốc độ baud…nhưng khác nhau về mức điện áp và cực. Hình 2.13 So sánh UART và RS232. Hình sau mô tả cách dùng IC Max232 để kết nối giữa UART trên AVR và cổng COM của PC. Hình 2.14 Kết nối AVR với PC thông qua Max232. 16 CHƯƠNG III MÔ HÌNH HÓA, THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO NGÃ 3.1 Phương pháp nhận điện ngã 3.1.1 Mô hình hóa chuyển động người già Một số yếu tố quan trọng có thể dẫn đến ngã là mất thăng bằng. Mất thăng bằng hoặc bị kéo là một nguyên nhân phổ biến của ngã. Mất thăng bằng xảy ra khi đứng không vững trên mặt đất hoặc sàn nhà. Mất lực ma sát xảy ra khi một người trượt trên mặt đất hoặc sàn nhà ẩm ướt và trơn trượt. Khi leo trèo trên ghế nhà bếp hoặc cân bằng trên các hộp hoặc sách để tăng chiều cao cũng có nguy cơ ngã rất cao. Chuyển động của người rất phức tạp là phối hợp của nhiều chuyển động của các bộ phận trong đề tài chỉ sử dụng cảm biến gia tốc tại một điểm nên ta có thể coi chuyển động của người với gia tốc của nó như chuyển động của chất điểm có định hướng [3]. Xét khái niệm trọng tâm trong trọng trường trái đất ta gọi C là trọng tâm của người, tọa độ của C được tính như sau: Xc  Yc  Zc   Pi.Xi P  Pi.Yi P  Pi.Zi P (3.1) (3.2) (3.3) Trong đó Pi là trọng lượng của khối I P là trọng lượng cơ thể Xi, Yi,Zi vi trí tạo độ trong tâm khối i Việc tính được vị trí trọng tâm giúp ta xác định được vùng đặt cảm biến sao cho hiệu quả nhất là lân cận vùng trọng tâm. Trong phạm vi đề tài sử dụng hai hệ quy chiếu để khảo sát hiện tượng. Hệ quy chiếu đầu tiên là hệ cố định được gắn trục Z với trọng trường trái đất chiều dương hướng xuống dưới. Đây cũng là hệ tọa độ được định hướng sẵn trong cảm biến ADXL345 Một hệ quy chiếu vuông góc khác gắn với cơ thể có trục Z luôn chỉ theo phương từ chân lên đầu người, trục X luôn hướng theo tiếp tuyến của quỹ đạo chuyển động và trục y hướng vuông góc với trục X và hướng vào tâm chuyển động. Hệ tọa độ này có tác dụng 17 định hướng cho cơ thể chuyển động. Việc định hướng dựa vào thành phần gia tốc trên các trục của hệ tọa độ Hình 3.1 Hệ tọa độ định hướng Việc đinh hướng giữa hai trục tọa độ cho ta biết tư thế của người chuyển động. Giả sử người chuyển động thẳng đứng trục cơ thể thẳng với trục Z, và gia tốc theo các trục là g z, gx, gy. Khi cơ thể chuyển động đi thẳng đều bỏ qua nhiễu và những cử động nhỏ thì có thể coi gia tốc theo trục Z bằng gia tốc trọng trường gz=g và gx= gy=0 (3.4) Khi đó góc định hướng chuyển động là: cos   cos   gy g cos   Trong đó gx g gz g (3.5) (3.6) (3.7)  là góc giữa véc tơ gia tốc và trục OX  là góc giữa véc tơ gia tốc và trục OY  là góc giữa véc tơ gia tốc và trục OZ Từ tính toán trên ta sử dụng ba góc  ,  ,  để định hướng cơ thể người. Cụ thể khi người đứng thẳng góc  =900 , góc  =900 , góc  =00. 18 Bảng 3.1 Các tư thế đơn giản của người khi được định hướng theo gia tốc trọng trường Tư thế    Đứng thẳng Nằm ngửa Nằm nghiêng trái Nằm nghiêng trái 90 0 90 90 90 90 180 0 0 90 90 90 Như vậy dựa và tương quan giá trị đo được của gia tốc trọng trường trên các trục tọa độ sẽ cho ta biết dáng điệu của người. Từ đó làm cơ sở cho việc đánh giá ngã. Ví dụ tính toán đơn giản cho trường hợp ngã ngửa ra phía sau: Hình 3.2 Tư thế ngã. Việc ngã ngửa đặc biệt nguy hiểm đến sức khỏe nhưng cũng là tư thế dễ khảo sát nên ta tính toán cho trường hợp này. Giả sử ban đầu cơ thể định hướng như hình vẽ sau khi ngã xuống ta cần khảo sát sự thay đổi vị trí và thuận tiện nhất là dung ma trận quay. Để thuận tiện tính toán ta coi trọng tâm cách mặt đất 1 m. Từ mô hình ta suy ra được ma trận tịnh tiến T=[-1;0;-1] nghĩa là sau khi ngã trục X tịnh tiến -1 m, trục Y tịnh tiến 0 và trục Z tính tiến -1 m. Và ma trận quay là Ry=[-90] Ta có ma trận truyền cho biết vị trí của hệ tọa độ sau so với hệ tọa độ trước.
- Xem thêm -