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

MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG CẢNH BÁO NGÃ 6
1.1 Giới thiệu chung 6
1.2 Đối tượng sử dụng 6
1.3 Các vấn đề đặt ra 8
1.4 Phương pháp nghiên cứu 8
1.5 Phạm vi và giới hạn của nghiên cứu 8
CHƯƠNG II : CÁC CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ LIÊN QUAN 9
2.1 Mô hình sơ đồ khối chức năng hệ thống cảnh báo ngã 9
2.2 Các thiết bị liên quan 10
2.3 Giao tiếp SPI 14
2.4 Giao tiếp UART 15
CHƯƠNG III MÔ HÌNH HÓA, THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO NGÃ 17
3.1 Phương pháp nhận điện ngã 17
3.2 Thiết kế mạch hệ thống phát hiện và cảnh báo ngã 28
3.3 Thiết kế chương trình phát hiện ngã 31
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 34
KẾT LUẬN 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO 41
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
2
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 9
Hình 2.6 Các khối chức năng của Module SIM548 13
Hình 2.8 Kết nối mô đun sim và vi điều khiển 14
Hình2.9 Giao tiếp SPI 15
Hình 2.12 Cổng COM 9 chân và 25 chân 16
Trong phạm vi đề tài sử dụng hai hệ quy chiếu để khảo sát hiện tượng 17
- 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 17
- 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 định hướng cho cơ thể chuyển
động. Việc định hướng dựa vào thành phần gia tốc trên các trục của hệ tọa độ 17
18
Hình 3.1 Hệ tọa độ định hướng 18
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 gz, 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 18
gz=g và gx= gy=0 (3.4) 18
Khi đó góc định hướng chuyển động là: 18
(3.5) 18
(3.6) 18
(3.7) 18
Trong đó là góc giữa véc tơ gia tốc và trục OX 18
là góc giữa véc tơ gia tốc và trục OY 18
là góc giữa véc tơ gia tốc và trục OZ 18

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 19
Tư thế 19
19
19
19
Đứng thẳng 19
90 19
90 19
0 19
Nằm ngửa 19
0 19
90 19
90 19
Nằm nghiêng trái 19
90 19
180 19
90 19
4
Nằm nghiêng trái 19
90 19
0 19
90 19
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 19
Ví dụ tính toán đơn giản cho trường hợp ngã ngửa ra phía sau: 19
19
Hình 3.2 Tư thế ngã 19
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 19
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] 19
Ta có ma trận truyền cho biết vị trí của hệ tọa độ sau so với hệ tọa độ trước 20
(3.8) và ma trận quay (3.9) 20
Và ma trận chuyển vị thu được : 20
(3.10) 20
Ma trận truyền này cho ta biết độ vị trí và hướng của hệ tọa độ cũ so với hệ tọa độ mới. Trong đó
giá trị dịch chuyển 20
Và góc xác định qua ma trận quay Rx, Ry, Rz 20
(3.11) 20
(3.12) 20
(3.13) 20
Với các góc quay lần lượt quanh các trục X, Y, Z 20
a. Phát hiện tác động đơn giản 20
Hình 3.3 Gia tốc của chuyển động đi lại 21
Hình 3.4 Gia tốc của người khi ngồi xuống 22
Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán phát hiện chấn động 23
Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán 24
Hình 3.9 Quá trình ngã lăn nửa vòng cuối 26
Hình 3.10 Gia tốc quá trình ngã lăn theo từng trục 26
Hình 3.11 Gia tốc ngã trong trường hợp 2 27
Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán phát hiện ngã theo phương pháp định hướng 28
Hình 3.14 Mạch nguyên lý của hệ thống 29
Hình 3.15 Giao diện giao tiếp máy tính 30
Hình 3.16 Giao tiếp SPI của ADXL 31
Hình 4.1 Khối modul Sim 458 34
Hình 4.2 Khối điều khiển trung tâm 35

Hình 4.5 Khi modul nhận dạng nằm ngang với mặt đất gia tốc theo trục Z 36
5
Hình 4.6 - Khi modul nằm nghiêng gia tốc theo trục Y 37
Hình 4.7 Tín hiệu cảm biến giám sát khi đứng im 38
Hình 4.8 Tín hiệu cảm biến khi ngồi xuống đứng lên nhanh 38
6
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].
7
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 tṛ trong té ngă.
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 .
8
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.
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:
9
- Phát hiện ngã
- Gửi tin nhắn và chuông cho người thân.
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 CPU
MODUL
ADXL 345
SIM 548
5V DC
12V DC
LCD
COMPUTER
SPI
UART
UART
UART
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
10
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
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.
11
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến ADXL345
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.
12
Hình dưới đây mô tả nguyên lý cấu tạo của vi điều khiển Atmega.
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
13
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:
14
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.
15
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.
16
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.
17
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:
P
XiPi
Xc
∑
=
.
(3.1)
P
YiPi
Yc
∑
=
.
(3.2)

P
ZiPi
Zc
∑
=
.
(3.3)
Trong đó P
i
là trọng lượng của khối I
P là trọng lượng cơ thể
X

i
, Y
i
,Z
i
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
18
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
,
g
x
, g
y.
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
g

z
=g và g
x
= g
y
=0 (3.4)
Khi đó góc định hướng chuyển động là:
g
gx
=
α
cos
(3.5)
g
gy
=
β
cos
(3.6)

g
gz
=
γ
cos
(3.7)
Trong đó
α
là góc giữa véc tơ gia tốc và trục OX
β

là góc giữa véc tơ gia tốc và trục OY
γ
là góc giữa véc tơ gia tốc và trục OZ
Từ tính toán trên ta sử dụng ba góc
α
,
β
,
γ
để định hướng cơ thể người. Cụ thể khi người
đứng thẳng góc
α
=90
0
, góc
β
=90
0
, góc
γ
=0
0
.
19
Bảng 3.1 Các tư thế đơn giản của người khi được định hướng theo gia tốc trọng trường
Tư thế
α
β
γ
Đứng thẳng 90 90 0

Nằm ngửa 0 90 90
Nằm nghiêng trái 90 180 90
Nằm nghiêng trái 90 0 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]
20
Ta có ma trận truyền cho biết vị trí của hệ tọa độ sau so với hệ tọa độ trước.












−
−
=

1000
1100
0010
1001
1M
(3.8) và ma trận quay












−
=
1000
0101
0010
0100
Ry
(3.9)
Và ma trận chuyển vị thu được :













−−
−
==
1000
1001
0010
1100
.1 RyM
M
Đn
Ngã
(3.10)
Ma trận truyền này cho ta biết độ vị trí và hướng của hệ tọa độ cũ so với hệ tọa độ mới.
Trong đó giá trị dịch chuyển
Và góc xác định qua ma trận quay R
x
, R
y,
R
z.
(3.11)

(3.12)
(3.13)
Với các góc quay lần lượt quanh các trục X, Y, Z.
3.1.2 Phương pháp nhận dạng ngã
a. Phát hiện tác động đơn giản
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 không 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 toán. 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 luôn thay đổi với biên độ không vượt
quá 2 g. Và gia tốc thường biến thiên trong khoảng 0 g-2.5 g trong cả quá trình chuyển
động sẽ có rất nhiều các đỉnh gia tốc và không 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 không vượt quá 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 toán 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 không vượt quá 3 g, nhưng đôi khi có thể trong quá 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 toàn 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 toán mạnh mẽ hơn.
b. Phát hiện ngã dựa vào định hướng
Khi không 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
g>=3G
Thời gian
tác động
sau t>=2s
Tính toán
trạng thái 1s
trước tác động
Tính toán
trạng thái 2s
sau tác động
Góc lệch
lớn hơn
tiêu chuẩn
Gửi tin nhắn
Kết thúc
N

Y
Y N
N
Y
Hình 3.7 Lưu đồ thuật tốn
25
Trạng thái ban đầu cảm biến thu nhận tín hiệu gia tốc và luôn 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 toán 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 quá 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 nguyên 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 quá 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 t
0
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 quá trình ngã bị lăn quanh một vòng với giả thiết là lăn quanh
trục Z và lăn đều với sự gia tăng gia tốc không đáng kể.
Hình 3.8 Quá trình ngã bị lăn nửa vòng đầu tiên