Как я создавал FallSena: носимый детектор падений — от первой идеи до полевых испытаний

Падение длится около секунды. Исход решает то, что происходит после, — сколько человек пролежит на полу, прежде чем кто-то узнает. Больше года я проектировал и собирал FallSena — небольшой прибор на поясе, который распознаёт падение и за секунды отправляет сигнал на телефон опекуна. Это полная инженерная история: проблема, требования, корпус, электроника, плата, прошивка, цепочка оповещения и испытания — включая то, что пока работает недостаточно хорошо.

Ключевые характеристики

Микроконтроллер Seeed XIAO ESP32‑C6 — Wi‑Fi, Bluetooth LE Датчик движения MPU‑6050 по I²C, 100 замеров в секунду Плата собственная двухслойная (Rev A), KiCad Корпус из двух частей, Fusion 360 Аккумулятор LiPo 3,7 В, 1000 мА·ч — около 5 дней мониторинга Распознавание 4 последовательные проверки + 10 секунд на отмену Путь тревоги Bluetooth LE → Android‑телефон → сервер → push‑уведомление Прошивка v0.2.0

01 · Зачем я начал: час после падения

Каждый четвёртый человек старше 65 лет падает хотя бы раз в год. Но взяться за проект меня заставили другие цифры: 82% падений случаются, когда человек один, 80% людей старше девяноста не могут встать без помощи, а около 30% упавших лежат на полу час и дольше. Такое «долгое лежание» приводит к обезвоживанию, пролежням, разрушению мышечной ткани, переохлаждению и пневмонии — даже если при падении ничего не сломано. Среди людей, найденных дома беспомощными, умерли 12% тех, кому помогли в течение часа, и 67% тех, к кому помощь пришла через 72 часа и позже.

82%

падений — когда человек один

80%

людей старше 90 не встают без помощи

30%

лежат на полу час и дольше

Среди людей, найденных дома беспомощными: помощь в течение 1 часа умерли 12% помощь через 72+ часа умерли 67%

02 · Почему существующих решений было недостаточно

Прежде чем что-то проектировать, я сравнил то, что уже существует. Тревожная кнопка-кулон работает, только если человек в сознании и может её нажать, — а именно это серьёзное падение и может отнять. Смарт-часы умеют распознавать падения, но датчик у них на запястье, которое весь день в движении. Камеры охватывают одну комнату, обычно требуют ежемесячной подписки и лишают приватности. Мне нужно было устройство, которое работает, даже если человек без сознания, работает вне дома, не требует абонплаты и ничего не записывает.

Кулон Часы Камера FallSena Работает, если человек без сознания ✕ ✓ ✓ ✓ Где датчик — запястье комната пояс Абонплата да нет да нет Работает вне дома ✕ ✓ ✕ ✓ Приватность ✓ ✓ ✕ ✓

03 · Требования

По итогам сравнения я записал короткий список требований и проверял по нему каждое следующее решение:

• распознавать человека, который упал и не поднялся, а не просто удар;
• работать без каких-либо действий владельца, даже если он без сознания;
• одна кнопка — вызвать помощь, другая — отменить ложную тревогу;
• оповещать опекуна за секунды — дома и на улице;
• работать несколько дней на одном заряде;
• никакой камеры, микрофона и подписки.

04 · Почему пояс

Где находится датчик, важно не меньше, чем алгоритм. Запястье постоянно в движении — жесты, набор текста, готовка, — и датчик на нём видит много резких движений, которые ничего не значат. На поясе, у центра масс тела, датчик сохраняет стабильную ориентацию: вертикальную, когда человек стоит или идёт, и горизонтальную, когда он лежит на полу. Именно это делает проверку наклона надёжной. Обратная сторона — прибор нужно носить правильно: по центру и плотно на поясе, а не на боку и не в сумке.

Почему пояс: запястье двигается весь день

По центру пояса — не на боку и не болтаясь

05 · Корпус

Корпус задаёт ограничения для всего, что внутри, поэтому я проектировал его первым. В Fusion 360 я смоделировал две части: основание для платы и аккумулятора и крышку с отверстиями под две кнопки. Логотип FallSena и надписи SOS и CANCEL / ВІДБІЙ выполнены прямо в рельефе крышки, так что отклеиваться нечему.

Основание и крышка корпуса, Fusion 360

06 · Выбор электроники

Основа — Seeed XIAO ESP32‑C6: крошечный модуль с Wi‑Fi и Bluetooth Low Energy, достаточно маленький для узкой платы. Движение измеряет MPU‑6050 на шине I²C; в нём есть и акселерометр, и гироскоп, но прошивка держит гироскоп выключенным ради экономии энергии. Вокруг них:

• две кнопки — SOS и отмена;
• RGB‑светодиод состояния с резистором 120 Ом на каждый цвет;
• зуммер, который включает транзистор BC337, потому что вывод GPIO не даёт нужного тока;
• монетный вибромотор, чтобы владелец чувствовал обратный отсчёт;
• LiPo‑аккумулятор 3,7 В, 1000 мА·ч, делитель 100k/100k, который вдвое понижает его напряжение для АЦП, и накопительный конденсатор 100 мкФ.

Принципиальную схему я нарисовал в KiCad.

Блок-схема: что с чем связано внутри прибора

07 · Одна длинная узкая плата

Форму платы задал корпус: одна длинная узкая полоса, по кнопке на каждом конце — точно под отверстия в крышке, датчик посередине. Я развёл её в KiCad на двух слоях меди. На шелкографии у каждой детали есть контур и обозначение — SW1, BZ1, Q1, номиналы резисторов — и имя FallSena, поэтому, когда пришли чистые платы, каждая деталь просто вставала туда, где была нарисована.

Двухслойная разводка в KiCad и чистая плата

08 · Серия из 16 приборов

Один прототип доказывает идею, а для полевых испытаний нужна серия. Мне нужно было 16 приборов, поэтому я заказал платы и компоненты на целую партию и собрал их вручную: модуль XIAO, MPU‑6050, транзистор, резисторы, зуммер, светодиод и обе кнопки на каждой плате, аккумулятор — на паре красного и чёрного проводов. Каждая плата проходила проверку перед установкой в корпус, а готовый прибор крепится на мягкий поясной ремень.

Партия плат для 16 приборов

Ручная пайка и проверка

Готовая плата и собранный прибор

FallSena на поясном ремне

09 · Прошивка: как падение выглядит для прибора

Акселерометр опрашивается 100 раз в секунду. У падения характерная форма: на долю секунды тело оказывается в свободном падении, и измеренное ускорение падает намного ниже 1 g; удар даёт резкий всплеск; корпус тела меняет ориентацию; и если человек пострадал, наступает неподвижность. Прошивка ищет именно эту последовательность — четыре проверки по порядку, каждая открывает путь следующей:

1. Невесомость — меньше 0,55 g дольше 10 мс.
2. Удар — больше 3,0 g в течение 700 мс.
3. Наклон — корпус тела поворачивается примерно на 35° от вертикали к горизонтали.
4. Неподвижность — 800 мс без движения.

Если хоть одна проверка не пройдена, ничего не происходит. Если пройдены все четыре, запускается обратный отсчёт на отмену.

Четыре проверки алгоритма (иллюстрация сигнала)

10 · Почему посадка на стул не вызывает тревогу

Самое сложное в распознавании падений — не поймать падение, а игнорировать всё остальное. Больше всего на падение похожи быстрая посадка на стул, падение на кровать, спуск по лестнице, наклон за упавшей вещью и прибор, положенный на стол. Каждое из этих движений не проходит хотя бы одну проверку — почти всегда последнюю, потому что человек продолжает двигаться. А если алгоритм всё же ошибся, есть второй уровень защиты: владелец удерживает зелёную кнопку, и ничего не отправляется.

11 · Отсчёт, отмена и SOS

Когда пройдены все четыре проверки, начинается 10‑секундный отсчёт: вибромотор даёт владельцу его почувствовать, а зуммер — услышать. Удержание зелёной кнопки отменяет тревогу, и уведомление не отправляется. Если никто не отменил — потому что человек пострадал или не может дотянуться до кнопки, — сигнал уходит. Красная кнопка SOS работает независимо: её можно нажать в любой момент, было падение или нет. Опекун видит, что именно произошло — «Прибор FallSena [имя] обнаружил падение» или «[имя] нажал кнопку экстренного вызова», — время, а в приложении — местоположение владельца, заряд и состояние прибора. Неотменённое падение — самая тревожная ситуация: значит, человек не смог ничего нажать.

Что видит опекун

12 · Четыре звена одной цепи

Тревога проходит через четыре звена: прибор; Android‑телефон владельца — по Bluetooth LE; сервер FallSena — через мобильный интернет телефона; и телефон опекуна — в виде push‑уведомления. Если одно звено не работает, сигнал не дойдёт, — поэтому система сообщает об этом громко. Потеряв Bluetooth, прибор мигает синим и пищит, а приложение сообщает о проблеме: тихо отключившийся детектор хуже, чем никакой, ведь владелец уверен, что защищён. Ни прибор, ни приложение не записывают видео и звук.

Путь сигнала тревоги от прибора до опекуна

Связь есть и связь потеряна: прибор предупреждает владельца

13 · От коробки до работающей системы

Электроника — только половина прибора безопасности; вторая половина — настроить его так, чтобы он действительно работал. Для полевых испытаний я составил порядок настройки, через который проходит каждый прибор:

1. зарядить, пока светодиод не замигает зелёным;
2. установить приложение FallSena на телефон владельца и связать с ним прибор — приложение проводит по шагам;
3. установить приложение на телефон опекуна и добавить опекуна в приложении владельца;
4. закрепить прибор по центру пояса — плотно, но удобно;
5. отправить тестовую тревогу и убедиться, что она дошла до опекуна;
6. записать серийный номер и у кого находится прибор.

Прежде чем отдать прибор, я проверяю и базовые вещи: Android‑телефон с мобильным интернетом, который всегда рядом с владельцем, кто отвечает за зарядку, назначенный опекун — и информированное согласие владельца на мониторинг. Любое «нет» нужно решить заранее, иначе прибор создаст проблемы опекуну и ложное чувство защищённости владельцу.

14 · Питание и индикатор

Автономность — это безопасность: прибор, который нужно заряжать дважды в день, в момент падения окажется на зарядке, а не на поясе. Прошивка «спит» между замерами, полностью просыпается, только когда этого требует движение, и не включает гироскоп, постоянно экономя 3,3 мА, — это около пяти дней мониторинга на одном заряде. Перед разрядкой прибор предупреждает поэтапно:

Индикатор Что означает ● Мигает зелёным заряд 40–100% — мониторинг включён ● Мигает жёлтым меньше 40% — скоро зарядить ● Мигает красным меньше 20% — зарядить сейчас ● Красный + писк меньше 10% — прибор выключается ● Синий + писк потеряна связь с телефоном

15 · Как я испытывал прибор

Испытания отвечали на два вопроса: ловит ли прибор падения и молчит ли всё остальное время? Я провёл более 70 смоделированных падений пяти типов — вперёд, назад, вбок, сползание по стене и падение со стула — и записал больше 50 часов обычной активности: сидение, лежание, лестницы, подъём предметов, неровная поверхность, посадка в машину. Три серии стендовых тестов: падения корпуса, разряд батареи до нуля и дальность Bluetooth. Пороги я настраивал на своих записях и на SisFall — открытом научном датасете: 38 участников, включая пожилых, датчик на поясе, 15 типов падений и 19 видов повседневной активности.

70+

смоделированных падений 5 типов

50+ ч

обычной активности

3

серии стендовых тестов

38

участников SisFall

16 · Результаты — и ошибки

В этих испытаниях FallSena распознал 97% падений и правильно проигнорировал 98% обычной активности. Самый слабый случай — медленное оседание: человек сползает по стене или постепенно оседает без фазы невесомости и со слабым ударом, поэтому первые две проверки могут не сработать. Это я решаю барометрическим датчиком высоты, который видит изменение высоты напрямую.

Не менее важно честно сказать, чего система не поймает: падения, когда прибор выключен, заряжается или не надет; падения, когда телефон разряжен, вне зоны связи или без мобильного интернета; медицинские события, которые не являются падением, — их покрывает кнопка SOS, только пока человек может её нажать. Приложение пока только для Android, и FallSena — не медицинское изделие: он не вызывает скорую, а оповещает человека, который решает, что делать.

97%

смоделированных падений распознано

98%

обычных движений — без ложной тревоги

16

приборов в полевых испытаниях

17 · Что дальше

Все эти результаты получены на смоделированных падениях, в основном молодых добровольцев, а настоящие падения ослабленных пожилых людей другие. Измерить эту разницу — задача следующего этапа: полевые испытания с 16 приборами, в том числе в реабилитационных центрах Украины, где опекуны фиксируют каждое падение — пойманное или пропущенное — и каждую ложную тревогу. Параллельно я планирую контролируемые тесты падений для точной настройки порогов, измерение времени доставки тревоги, режим глубокого сна с пробуждением по движению, барометрический датчик и приложение для iOS. FallSena не заменяет присмотр — но может сделать час после падения намного короче.

Дмитрий Осыка
автор FallSena   

Не пропустите интересное!

Підписывайтесь на наши каналы и читайте анонсы хай-тек новостей, тестов и обзоров в удобном формате!

Мы в Facebook Мы в Instagram Мы в Telegram