基于FPGA的独居老人摔倒检测智能灯

摘要

随着中国社会老龄化地加剧，老年人的安全已经成为社会共同关心的话题，其中摔倒对独居老人的安全构成了极大的威胁，如果摔倒发生后老人长时间没有得到救助，常会导致其失去意识、休克或者死亡等严重后果。
　　本文运用现场可编程门阵列(FPGA)实现视频监控的实时摔倒检测，并结合蜂鸣器和家居照明灯实现摔倒后的声光报警，同时通过通用分组无线业务(GPRS)通信网络通知老人亲属及社区服务站的工作人员，本文主要研究工作如下:
　　运动目标检测算法设计方面，本文论述了三种目前常用的视频运动目标检测算法，并详细分析了各自的实现原理和优缺点，选择了算法简单、检测效果更佳、更易于FPGA硬件实现的帧间差分法作为运动目标检测核心算法。
　　运动目标摔倒判定算法设计方面，首先标定出人体最小外接矩形框;然后结合人体高宽比和有效面积比进行摔倒判定;但是为了能够准确地区分老人是日常健身运动（如压腿、俯卧撑等）还是真正的摔倒，最后本文添加了人体中心变化对摔倒判定结果进行修正，有效降低了误报率。
　　FPGA功能模块设计方面，通过Verilog硬件描述语言(Verilog HDL)配置FPGA内部逻辑功能。首先，通过串行总线(I2C)配置视频图像采集格式，开始采集视频流数据;接着，通过4端口同步动态随机存储器(SDRAM)和异步FIFO进行人体目标的提取;然后，运用摔倒判定算法判定老人是否摔倒;最后，如果检测到摔倒，通过串口通信(UART)驱动GPRS模块给绑定的手机号码发送摔倒短信，同时驱动声光报警模块进行声光报警。
　　经试验表明，本文设计的基于FPGA的独居老人摔倒检测智能灯:视频帧处理速度为24.86fps，摔倒报警响应时间为0.51s，满足实时性要求，能够使老人得到及时救助;摔倒检测准确率达到96％，误报率低，大大降低了伤残率和死亡率。同时，基于FPGA的独居老人摔倒检测智能灯在智能家居领域，将会有广阔的发展前景。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的意义及价值

1．1．1 老龄化社会的到来

1．1．2 视频监控技术的发展

1．2 国内外研究现状

1．2．1 摔倒检测技术的研究现状

1．2．2 基于FPGA的图像处理技术的研究现状

1．3 论文的主要内容

第2章 系统总体设计

2．1 系统设计方案

2．1．1 使用范围及安装布局

2．1．2 系统功能需求

2．1．3 系统组成

2．1．4 系统工作流程

2．2 系统硬件电路设计

2．2．1 视频采集电路

2．2．2 FPGA最小系统电路

2．2．3 声光报警电路

2．2．4 GPRS通信报警电路

2．2．5 电源电路

2．3 本章小结

第3章 系统算法设计

3．1 运动目标检测算法选取

3．1．1 光流法

3．1．2 背景减除法

3．1．3 帧间差分法

3．1．4 运动目标检测算法的选取

3．2 改进的帧间差分法

3．2．1 中值滤波

3．2．2 边缘检测

3．2．3 形态学处理

3．3 摔倒检测算法设计

3．3．1 摔倒姿态特征分析

3．3．2 摔倒检测算法分析

3．3．3 改进的摔倒检测算法

3．4 本章小结

第4章 FPGA功能模块设计

4．1．1 OV7725寄存器介绍

4．1．2 I2C配置仿真结果

4．2 YUV422视频流采集模块

4．2．1 采集YUV422视频流数据

4．2．2 视频流数据采集仿真结果

4．3 中值滤波模块

4．4 SDRAM缓存模块

4．4．1 SDRAM控制模块

4．4．2 SDRAM乒乓读取的实现

4．5 自动摔倒检测模块

4．5．1 目标检测

4．5．2 摔倒判定

4．5．3 摔倒判定仿真结果

4．6 声光报警模块

4．6．1 蜂鸣器报警

4．6．2 LED闪烁报警

4．6．3 声光报警仿真结果

4．7 GPRS通信模块

4．7．1 UART通信协议

4．7．2 发送报警信息

4．8 本章小结

第5章 实验系统组成与测试

5．1 实验系统组成

5．2 实验结果与分析

5．2．1 FPGA资源使用率分析

5．2．2 摔倒检测准确率分析

5．2．3 系统实时性分析

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术成果

致谢