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Messtechnik Mit MEMS-Sensoren lassen sich Stürze von Personen erkennen

Dank der MEMS-Technik lässt sich auf kleinem Raum Signalerfassung und Signalverarbeitung einbetten. Für Anwendungen zur Sturzerkennung bieten die MEMS-Sensoren bereits integrierte Algorithmen.

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Mit MEMS-Sensoren lassen sich Stürze von Personen erkennen
Mit MEMS-Sensoren lassen sich Stürze von Personen erkennen
(Bild: Photoshop)

Dank der MEMS- (Micro-Electro-Mechanical-Systems-) Technik werden Sensoren intelligenter und zudem preiswerter. Eine typische Anwendung eines MEMS-Sensors ist die Messung der Beschleunigung oder einfach nur das Feststellen des horizontalen oder vertikalen Zustands. Lag der Einsatz der MEMS-Sensoren bisher vor allem in Smartphones oder der Automobilbranche, so öffnet sich zunehmend der Markt. Mit der Möglichkeit, eine Beschleunigung zu erkennen, lässt sich nicht nur der Sturz eines Smartphones erkennen. Auch der unbeabsichtigte Fall einer Person ist damit erkennbar. Im Erstfall lässt sich diese Information dann weiterleiten.

Gerade bei älteren Menschen ist es wichtig, einen unbeabsichtigten Sturz zu vermeiden. Dabei können die Gründe vielfältig sein: Ein enges Treppenhaus sowie Schwindel oder Ohnmacht. Hier ist ein System sinnvoll, einen gefährlichen Sturz zu erkennen und diesen zu melden. Es gibt ganz verschiedene Methoden, ein System zum Erkennen eines Sturzes zu entwickeln. Sie lassen sich grundsätzlich in zwei Kategorien unterteilen. Dazu gehören zum einen Systeme, welche von der Umgebung abhängig sind, und solche die unabhängig funktionieren. Bei erst genannten sind direkte äußere Einflüsse notwendig, um einen Sturz zu detektieren. So benötigt ein Video- oder Licht-basierendes System einen visuellen Kontakt zu dem Bereich oder der Person, welche überwacht werden soll. Sobald die Signalermittlung von Infrarotsensoren oder Kameras beeinträchtigt oder komplett gestört wird, kann das System seine sonst sehr hohe Genauigkeit nicht mehr nutzen.

Ein umgebungsunabhängiges System wertet die Bewegungsabläufe der Person selbst aus. Sie sind daher auch immer als tragbares Gerät konzipiert. Zur Analyse kommen meist Gyroskope oder Beschleunigungssensoren zum Einsatz. Ein wichtiges Merkmal ist die hohe Ausfallsicherheit.

Funktionsweise eines 3-Achsen-Beschleunigungssensors

Der 3-Achsen-Beschleunigungssensor WSEN-ITDS aus der Gruppe smarter Sensoren von Würth Elektronik.
Der 3-Achsen-Beschleunigungssensor WSEN-ITDS aus der Gruppe smarter Sensoren von Würth Elektronik.
(Bild: Würth Elektronik)

Wie kann ein 3-Achsen-Beschleunigungssensor einen Sturz erkennen? Ein Sturz bedeutet physikalisch ausgedrückt, dass ein kurzer Moment der Schwerelosigkeit auftritt. Mit anderen Worten: Die g-Kraft und damit die Beschleunigung liegt bei Null. Direkt im Anschluss erfolgt eine hohe negative Beschleunigung, verursacht durch das Auftreffen auf dem Boden. Werden daraufhin für eine gewisse Zeit keine Änderungen der Beschleunigungswerte gemessen, kann daraus eine Reglosigkeit abgeleitet werden.

Für die Entwicklung eines Systems zur Sturzerkennung bedeutet das: Die Informationen, die ein MEMS-Sensor erzeugt, müssen richtig interpretiert werden. Eine weitere Herausforderung ist, dass sehr genaue Werte abgeleitet werden müssen und daher störende Einflüsse wie Temperaturschwankungen auszugleichen sind. Insgesamt ein großer Aufwand für Entwickler, bevor sie sich der eigentlichen Auswertungsfunktion widmen können. Einen Algorithmus zur Sturzerkennung zu programmieren. Doch moderne Sensormodule kommen dem Entwickler entgegen.

Messwerte sind auf Anwendungsfälle ausgerichtet

Das Funktionsblockdiagramm des Sensors.
Das Funktionsblockdiagramm des Sensors.
(Bild: Würth Elektronik)

Der Hersteller Würth Elektronik verfolgt dabei das moderne Prinzip sogenannter smarter Bauelemente. Hier ist ein Teil der verbauten Intelligenz bereits in den Sensorbauteilen eingebettet. Das Sensormodul misst 2,0 mm x 2,0 mm x 0,7 mm und ist in einem LGA-Package verbaut. Damit nutzt der 3-Achsen-Beschleunigungssensor des Typs WSEN-ITDS ein MEMS-basiertes, kapazitives Messprinzip. Dank eines integrierten Temperatursensors gibt der Sensor direkt temperaturkompensierte und kalibrierte Daten aus. Vier Messbereiche stehen zur Auswahl: ±2, ±4, ±8 oder ±16 g. Über Register-Einstellungen können die anwendungsspezifischen Funktionalitäten Freifall-, Aufwach-, Tipp-, Aktivitäts-, Bewegungs- und Orientierungserkennung gewählt werden. Über zwei flexibel belegbare Interrupt-Pins werden die Ergebnisse der integrierten Algorithmen ausgegeben. Diese auf Anwendungsfälle ausgerichtete Aufbereitung und Bereitstellung der Messwerte erleichtert die Applikationsentwicklung.

So ist es auch in der Sturzerkennung. Dank der voreingestellten Funktionen und auswählbarer Parameter lässt sich eine Anwendung zur Sturzerkennung eher konfigurieren als entwickeln. Der große Vorteil: Durch die eingebauten Funktionen ist es nicht erforderlich, die Beschleunigungsdaten kontinuierlich durch den Mikrocontroller vom Sensor abzurufen, um komplexe Berechnungen durchzuführen.

Drei Funktionen erkennen die Art eines Sturzes

Der 3-Achsen-Beschleunigungssensor WSEN-ITDS verfügt über zwei programmierbare Interrupt-Pins INT_0 und INT_1. Die Interrupt-Pins können einzeln aktiviert oder deaktiviert werden. Die intern generierten Interrupt-Signale in Abhängigkeit von den Registereinstellungen werden nach außen auf diese beiden Pins geleitet. Wie im Bild 2 bereits rot hervorgehoben, sind es die drei Funktionen: Free Fall, Wake up und Stationary/Motion, die bei der Erkennung eines Sturzes verwendet werden. Die Kombination dieser Sensorfunktionen gibt zuverlässig Auskunft darüber, ob eine Person fällt und ob sie sich danach bewegen kann oder nicht. Die Interrupt-Signale aus diesen Ereignissen werden an die Pins INT_0 und INT_1 geleitet. Hier kann dann das Überwachungssystem ansetzen, das den Alarm auslöst.

Während des Freifall-Ereignisses geht der Sensorbeschleunigungswert aller drei Achsen gegen null. Im Register des Sensormoduls müssen zwei anwendungsspezifische Werte definiert werden, bei deren Eintreten der Interrupt zur Meldung eines Sturzes erzeugt wird: der Schwellenwert, ab wann von einem freien Fall ausgegangen wird und die Dauer des freien Falls. Damit die Sensordaten auf die Frage hin „Sturz oder kein Sturz“ interpretiert werden können, muss das Aufwecken des Sensors definiert werden, wiederum durch Definition eines Schwellenwerts geänderter Beschleunigung und einer Mindestzeitdauer dieses Impulses. Um den Schwerkraftvektor und sehr niederfrequente Störungen während der Erkennung des Aufwachereignisses auszuschließen, sollte der integrierte Hochpassfilter aktiviert sein.

Der integrierte Stationary/Motion-Algorithmus ist die Funktion, mit der die Alarmfunktion darüber informiert wird, ob der Träger des Sensors nach dem Sturz reglos liegen bleibt oder noch handlungsfähig ist. Die Stationary-Funktion kombiniert die beiden Erkennungsereignisse „Schlafen“ und „Aufwachen“, um ein Reglosigkeitsereignis zu registrieren. Es gibt kein separates Ruhe-Interrupt-Signal. Es wird durch die Überwachung der Sleep- und Wake-up-Interrupt-Signale realisiert. Die Parameter Weckschwelle und Dauer können je nach Benutzeranwendung definiert werden. Wenn eine festgelegte Anzahl der Ausgangsbeschleunigungswerte von der X-, Y- und Z-Achse kleiner als der Aufwachschwellenwert ist und die Ausgangswerte für eine bestimmte Dauer in diesem Bereich bleiben, wird das Interrupt-Signal Schlafmodus erzeugt. Wenn ein einzelner Datenwert von einer der Achsen höher ist als der definierte Wake-up-Schwellenwert und die Daten für eine bestimmte Dauer in diesem Bereich bleiben, wird das Interrupt-Signal „Wake up“ erzeugt.

Wie sich eine Applikation zur Sturzerkennung steuern lässt

Über die Wake-up- und Sleep-Schwellenwerte des Sensors lässt sich erkennen, ob die gestürzte Person bewegungslos ist.
Über die Wake-up- und Sleep-Schwellenwerte des Sensors lässt sich erkennen, ob die gestürzte Person bewegungslos ist.
(Bild: Würth Elektronik)

Das Bild zeigt, wie die Interrupts erzeugt werden, um eine Applikation für eine Sturzerkennung zu steuern. Das sind im Einzelnen: 1. Vor dem Fall wird die Vektorsumme der Beschleunigungswerte aus allen drei Achsen nahe bei 1 g liegen. Indem auch die Orientierung der Sensorbeschleunigung vor und nach dem Sturz überwacht wird, können zusätzliche Informationen über das menschliche Sturzereignis gewonnen werden. 2. Im Zustand des freien Falls tritt das Phänomen der Schwerelosigkeit immer zu Beginn eines Sturzes auf. Bei geeigneter Freifalldauer und Schwellwerten kann der Sturz einer Person über das Interrupt-Signal FF_IA erkannt werden. Während des freien Falls tendiert die Beschleunigung gegen das 0-g-Niveau, aber direkt nach dem freien Fall tritt eine starke Beschleunigungsspitze auf, die durch den Aufprall der auf den Boden fallenden Person entsteht. 3. Unmittelbar nach dem Sturz wird die Person versuchen, sich zu bewegen. Wenn der Sturz zu schwer war, ist die Person unter Umständen nicht in der Lage, sich unmittelbar nach dem Sturz zu bewegen. Die Dauer dieses Ereignisses kann konfiguriert werden mit der Funktion Stationary-Erkennung. 4. Wenn die Person nach einer bestimmten Zeit (die in der Stationary-Funktion konfiguriert wurde) nicht in der Lage ist, sich zu bewegen, weil sie bewusstlos ist, werden das Interrupt-Signal SLEEP_STATE_IA und SLEEP_CHANGE_IA erzeugt. Durch den Vergleich der Ausrichtung der Sensorbeschleunigung vor und nach dem Sturz kann das Sturzerkennungssystem angewiesen werden, einen Alarm zu erzeugen. Wenn sich die Person innerhalb einer bestimmten Zeit bewegt hat, wird das Wake-up-Signal WU_IA anstelle des Interrupt-Signals SLEEP_STATE_IA und SLEEP_CHANGE_IA erzeugt. In diesem Fall erzeugt das Sturzerkennungssystem keinen automatischen Alarm.

Fazit: Wie die Ausführungen gezeigt haben, nimmt ein Sensormodul wie das WSEN-ITDS den Entwicklern bereits eine Reihe von Aufgaben ab. Die Elektronik aus Hardware aber auch Software für ein System zur Sturzerkennung lässt sich dadurch deutlich schlanker gestalten. Das stromsparende Sensormodul, das sich selbst bei definierten Beschleunigungsereignissen aufweckt, wirkt sich zudem positiv auf Energieverbrauch und Lebensdauer eines batteriebetriebenen Systems aus.

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