MEMS感測器逐漸應用在人身之跌落感測上。透過在人體穿戴重力感測器，在人體失重跌落時，感測器可進行偵測並發出警報，有助於獨居老人之居家安全監控。而隨著加速度計與微控制器之整合，此類應用可望日益普及。
對身體健康的人來說，正常走路似乎是再自然也不過的事。不過事實上，許多老人、病人或特定人士一旦不經意跌倒，極可能會造成非常嚴重的後果。在某些情況下，最初的傷害如果不馬上治療，會造成更嚴重的創傷。另一方面，一個人會意外跌倒，多半是因為自我照顧和自我保護的能力下降，因而衰弱或頭暈所導致的。由於老人往往較為脆弱，如果不能得到及時的援助，這些意外將會變得更加嚴重。
統計顯示，大多數嚴重後果不是跌倒直接造成的，而是由於援助和治療的延誤。如果救援人員可以及時收到警報，跌倒後的重傷害便可大幅減少。而除了高齡者之外，如果新問世的技術能夠協助判定平衡便立即發出警報，也會對許多可能發生跌落的活動和狀況有幫助，特別是對位於高處的工作者如登山者、建築工人、洗窗工、油漆匠與房屋裝修工等有所助益。
鑑於上述這種警告跌落的需求，已有部分元件針對各類型的跌落檢測和預測之相關裝置進行發展，並成為一個熱門話題。近年來，微機電系統(MEMS)加速度感測器的技術進步，使人們可以用三軸整合微機電系統加速度計來設計跌落偵測器。
該技術是基於將感測器穿戴在身上，藉由追蹤加速度在三個正交方向的變化，以檢測運動和個人身體位置變化的原理。這類感測器在收集各式數據以後，透過演算法持續的分析，以確定人體平衡與否。而如果穿戴感測器的人員跌落，裝置即可使用全球衛星定位系統(GPS)和無線發射器確定位置，並發出警報以獲得援助。但前提是檢測跌落的核心要素是一種有效、可靠的檢測原理和演算法，以判斷緊急跌落的情況是否發生。
而以人身跌落偵測原理的研究為基礎，本文提出了一種新的解決方案(圖1)以檢測跌落的情況。此類解決方案使用新一代低重力加速度、三軸數位微機電系統加速計，其性能特點可符合這個應用的需求。
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| 圖1 整合了加速度計與微型轉換器之解決方案 |
狀態改變帶來加速度變化
跌落偵測原理的主要研究，其重點是人類正在跌落時發生的加速度變化。圖2顯示了加速度在(a)步行下樓、(b)步行上樓、(c)坐下來和(d)站起來時的變化。跌落探測器安裝在人身的腰帶上。從圖中的四條曲線分別可以看出垂直加速度(Y軸)在靜止時為-1g，橫向加速度(Z軸)與向前加速度(X軸)在靜止時是0g，而向量和的幅度在靜止時為1g。
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| 圖2 針對不同的移動類型，加速度計的反應。 |
由於老人的移動相對緩慢，在行走的動作上加速變化不會很明顯。最顯著的加速在坐下的瞬間Y軸(與向量和)有超過3g的峰值。在跌落的過程中，加速度是完全不一樣的。圖3顯示了在一個意外的跌落下加速度的變化。通過比較圖2與圖3，可看出在跌落事件時有四個差異很大的特性，以作為跌落偵測的標準。其標示如虛線框並依序解釋如下：
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| 圖3 在跌落的過程中加速度的變化 |
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在開始跌落時會發生失重現象。這在自由落體的過程將變得更加明顯，且加速度的向量和將趨向0g，而這個條件的持續時間將取決於自由落體的高度。即使在一般跌落下的失重狀態，並不像在自由落體時那麼明顯，其加速度的向量和仍然遠低於1g(在正常情況下通常是1g)。因此，檢測跌落狀態的第一個標準確定可由加速度計中測量出來。 |
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在失重後，人體會衝撞地面或其他物體，加速度曲線顯示這是一個大的震動。當然加速度計亦可偵測出這個震動。因此，檢測跌落狀態的第二個標準是在緊接在失重後發生的訊號。 |
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一般來說，人體在跌落和衝撞後不會立刻爬起來，而是在短期內(或許陷入更長的無意識狀態)仍然處於靜止。在加速度曲線上會表現出一段區間的平坦線形，並加以檢測。 |
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跌落後，身體的位置將與跌落前方向不同，因此三軸的靜態加速度與跌落的初始狀態不同。假設跌落偵測器是別在身體的腰帶上，以提供加速度的整個歷程，包括初始狀態，即可讀取所有三個軸的加速度數據，並將這些取樣的數據與初始狀態進行比較。在圖3中，很明顯，身體倒向了一邊，因為靜態加速度已經從Y軸為-1g變成Z軸為+1g。因此，檢測跌落狀態的另一項標準是，是否取樣數據與初始狀態數據的差距超過設定的臨界值，例如0.7g。 |
這些條件的組合形成完整的跌落檢測演算法，當這個演算法執行時，會導致系統在跌落事件發生時，發出一個特定的警報。當然，中斷的時間間隔必須在合理範圍內。通常情況下，除非有人從一個非常高的建築頂部墜落，否則失重和衝撞時間間隔不會很長。同樣，衝撞和靜止之間的時間間隔也不會很長。以下文提供一個實際的例子可獲得一套合理的值。而有關中斷檢測臨界值和時間參數可視需要靈活設定。
如果跌落導致嚴重的後果如昏迷，人體將持續靜止一段更長的時間，而這一狀況仍然可以被偵測到，所以若無動作狀態在跌落發生後，在定義的一段長時間週期內持續被偵測到，就要再發出下一個嚴重警報。
典型電路連接加速度計與微控制器
而從元件設計來看，加速度計和微控制器(MCU)之間的電路連接是非常簡單的。在本文中，測試平台採用加速度計和以ARM7為內核的微控制器完成。其他類型微控制器或處理器也可用類似圖4的電路連接來控制加速度計。
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| 圖4 加速度計與微控制器之間的典型接法 |
圖5是一個演算法流程圖，而每個中斷臨界值及相關的時間參數的演算法如下所述。在初始化後，系統會等待失重。這裡重力設置為0.75g，時間定為30毫秒。而在失重生效後，系統開始等待衝撞，在此處設定為2g，且是直流耦合模式。
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| 圖5 演算法流程圖 |
系統將失重衝撞的時間間隔設定為200毫秒。如果這兩個中斷之間的時間間隔大於200毫秒，狀態是無效的，200毫秒計數器是以微控制器的計時器來實作。在衝撞生效後，系統開始等待靜止，即在衝撞之後一動也不動。重力設定為0.1875g，時間設定為2秒。此處是設定在交流耦合模式下動作。
從墜落到受到撞擊後，系統設定應在衝撞生效後3.5秒內生效，否則，結果是無效的。3.5秒計數器是以微控制器的計時器來實作。而如果穩定狀態和初始狀態的加速度值，其差距超過0.7g的門檻，則表示有一個有效的跌落狀態被偵測到，系統會發出跌落警告。
而在偵測到一個跌落狀態後，重力必須被不間斷的進行監測，以確定在跌落狀態後，是否還有一個長時間、一動也不動的狀態。此處設定為0.5g，系統工作在交流耦合模式。換句話說，如果當事人的身體依然一動也不動，在10秒鐘時，系統會發出一個嚴重警報。一旦當事人的身體動了，則將會產生另一種訊號以為通知。
該演算法還可以偵測人體是否以自由落體的狀態從高處跌下。在此考慮兩個中斷是否在間隔短於100毫秒之內連續發出，如果失重不斷生效，在300毫秒時會發出一個嚴重的自由落體警告。該演算法是用C語言開發，並在微控制器上執行。 前文顯示，這種跌落的狀態可以被這個基於加速度計的解決方案有效地檢測到。不過，前文所述只是一個簡單的實驗，還須要建立一個更全面、有效和長期的實驗以檢驗這個解決方案的可靠度。
(本文作者任職於亞德諾)