基于毫米波雷达的非接触式壁挂老年人跌倒监测系统设计
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在不使用摄像头、不要求老人佩戴设备的前提下,用一台固定安装在卫生间高处的壁挂节点,识别跌倒与长时间滞留,先在本地声光报警,再把可处理的事件推送到家属手机上。
章节导览
① 雷达判定时延
15秒
默认灵敏度 10 传感器固有延迟
② 本地动作时延
≤300ms
从雷达帧到达 ESP32 起算 不含雷达自身判定
③ 远程送达时延
≤2秒
局域网环境 公网仅报实测值
① 为雷达固件固有延迟,本系统无法优化;②③ 为本系统指标,分别计时,不相加 。
系统构成
层级 组成 职责
感知层 60 GHz 毫米波雷达、HC-SR501 PIR、MQ-2、MQ-4、SU-03T 语音 人体存在与跌倒主判定、活动辅助、环境超限、语音交互
本地判定层 STM32F103C8T6 状态机、确认窗口、声光报警、取消按键
联网层 ESP32-S3 TinyFrame 解析、Wi-Fi、MQTT、断网缓存与补传
云端 Node.js + TypeScript + SQLite 事件去重入库、REST API、WebSocket 推送
家属端 Vue 实时报警、历史记录、设备与传感器状态
设计原则:本地报警不依赖网络。 断网时仍能本地声光报警,网络恢复后补传事件。
判定与报警时效
跌倒候选确认窗口 5 秒 :并行判断 PIR 无活动、雷达高度持续低于阈值(默认 0.65 m)、硬线冗余。
30 秒取消窗口 :本地声光报警不因取消窗口而延迟 ;超时未取消则事件置为 confirmed 并上报。
久滞判定(两级升级) :观察窗 5 分钟仅记录(L1)→ 满 15 分钟且活动量持续偏低触发 L2 预警(提示音 + 语音询问)→ 发问后 60 秒无应答触发 L3 紧急。
已知误报源 :洗澡超过 15 分钟时水流会使 PIR 不触发活动,可能被误判为低活动量。这是本方案已知限制,不宣称零误报 。
实验与指标口径
全部指标按「实测值 + 单侧 95% 置信下限 + 是否达到期望目标 」三项并列报告,不把三者混成一个数字 。
为什么用单侧置信下限
灵敏度是单侧阈值主张 ——只关心「够不够高」,不关心上限。样本量是 6–8 名志愿者,可产生的跌倒正样本约 30–40 次,因此采用 Clopper-Pearson 单侧 95% 置信下限。
全检出情形 单侧 95% 置信下限 能否支持「≥90%」
30 / 30 90.5 % 勉强(擦线,无余量)
40 / 40 92.8 % 能,且留有余量
150 / 150(特异度) 98.0 % 能
20 / 20(语音) 86.1 % 撑不起 90%
只要出现 1 次漏检,下界就会跌破刚过线的位置。所以实验规模取上限:8 人 × 5 次 = 40 次正样本 。
六个实验组
组 内容 样本与产出
A 覆盖范围标定 挂高 2.2 / 2.6 / 3.0 m 三档,0.5 m 地面网格,每点站立 60 s 每档一张覆盖热力图 + 盲区位置
B 跌倒检测 受控跌倒,前向与侧向各占一定比例;灵敏度按 S=3/10/30 三档各测一轮 8 人 × 5 次 = 40 次正样本 ;输出灵敏度与特异度
C 久滞检测 卫生间 15 分钟阈值下的检出率与误报率 检出率、误报率、洗澡场景单独统计
D 语音交互 语音呼救与语音取消的识别率 20 次命令词测试
E 断网补传 断网期间本地报警可用性、恢复后补传完整性 事件不丢、不重、时间戳可对
F 稳定性 长时间运行下的掉线与自恢复 连续运行日志
结果记录字段
字段 说明
实验编号A / B / C / D / E / F
被试编号S01–S08(不记录姓名)
真值时刻两人独立标注「动作完成时刻」,分歧由第三人裁定
系统上报时刻ESP32 侧 1 ms 计时 + 后端入库时刻
是否检出是 / 否(漏检用于计算灵敏度)
备注遮挡、干扰源、异常情况
数据状态
实验尚未开展,表中各项为设计口径,不是实测结果。
实测值、置信下限与是否达标三列将随实验推进逐项填入;在此之前不放任何数字 。
三条口径纪律
受控跌倒与非受控事件分开统计 :实验期间偶发的真实磕碰单独列为观察记录,不计入灵敏度分母 ;
标称值不作结论 :厂商给出的识别率只作参照,本系统只报自测值;
不出医疗结论 :不写诊断、不写生命体征判断、不写「临床级」。
家属端界面
家属端只与后端交互,不直连设备、不持有 Broker 凭据。三个核心界面:
界面设计示意,系统尚在开发中。左侧为实时报警,中间为历史记录,右侧为设备与传感器状态。
三个界面各自解决什么
界面 核心信息 设计取舍
实时报警 事件横幅、时间轴、传感器状态、两个操作按钮 时间轴把「雷达判定 / 本地报警 / 后端入库」三个时刻并列,让家属理解延迟构成
历史记录 按日期分组的事件列表,含级别与状态标签 L1/L2/L3 用颜色区分;「已取消」与「已确认」并列显示 ,取消率是可观测指标而非缺陷
设备状态 在线状态、链路诊断、传感器读数、固件版本 链路状态必须暴露给前端 ——否则「雷达正常但本地报警哑掉」这类故障完全隐形;读数不换算 ppm,只显示相对值
课题信息
免责声明
本系统为教学演示作品,不构成医疗器械,不提供诊断或治疗建议。检测结果受安装位置、遮挡与场景限制。
本系统仅适用于卫生间这类小区域单人场景,不宣称整屋覆盖 ;客厅等其他场景的适配已明确延后,不在本课题成果范围内。
参考文献
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以上 17 条与开题报告正文 §六 一致,未作增删。
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这一页只写方案本身。选型、供电、主题与部署各自的推导过程单独成篇,按下面顺序读,能看清每条约束是怎么定下来的。
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