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

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

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

- 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

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.

- 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 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

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

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
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)

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.

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.