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
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
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

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,

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

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. 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
MODUL CPU
MODUL
ADXL 345
SIM 548
5V DC
12V DC
LCD
COMPUTER
SPI


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
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



.
(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

x
= g
y
=0 (3.4)
Khi đó góc định hướng chuyển động là:
g
gx


cos
(3.5)
g
gy


cos
(3.6)

g
gz


cos
(3.7)
Trong đó

là góc giữa véc tơ gia tốc và trục OX

là góc giữa véc tơ gia tốc và trục OY




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]
Ta có ma trận truyền cho biết vị trí của hệ tọa độ sau so với hệ tọa độ trước.