南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 何培男 李月華 杜金朋 袁 泓 李春楊 王樂為

針對(duì)現(xiàn)有的可穿戴老年防摔設(shè)備售價(jià)昂貴、氣囊展開速度較慢、實(shí)用性欠缺等缺點(diǎn)，提出了一種基于硝酸銨和疊氮化鈉等化學(xué)原料產(chǎn)生充氣氣體的方式，利用閾值法檢測(cè)判斷佩戴者是否跌倒，同時(shí)設(shè)計(jì)出配套的防摔氣囊系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于這種化學(xué)方法充氣的新型老年防摔氣囊系統(tǒng)氣囊具有展開速度快、成本低、檢測(cè)成功率高、安全可靠等特點(diǎn)，給老年人跌傷問題提供一個(gè)較為完善的解決方案。

隨著世界人口老齡化問題的不斷加劇，社會(huì)在老年人看護(hù)方面需要投入更多的人力和財(cái)力。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，全世界每年有60多萬人直接死于跌傷。同時(shí)，資料顯示國(guó)內(nèi)在二十世紀(jì)末就正式進(jìn)入了老齡化社會(huì)，我國(guó)的老年人口數(shù)居世界之首。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年約有百分之三十到百分之四十的老年人發(fā)生過跌倒，而跌倒可能會(huì)導(dǎo)致老年人發(fā)生軟組織或骨質(zhì)受到損傷，甚至出現(xiàn)中風(fēng)、腦溢血等嚴(yán)重后果，影響老年人的身心健康，增加家庭和社會(huì)負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)有的老年人體防摔裝置可以大致分為兩大類：倫敦帝國(guó)理工學(xué)院研發(fā)的新型防護(hù)材料類和法國(guó)Helite公司研發(fā)的充氣式腰帶類。通過研究比較，發(fā)現(xiàn)已有產(chǎn)品普遍存在售價(jià)昂貴、氣囊展開速度較慢、實(shí)用性欠缺等不足。本文參考汽車安全氣囊的工作原理，提出一種基于化學(xué)合成氣體的方式進(jìn)行充氣的新型老年人防摔氣囊系統(tǒng)。

1 整體設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，本文采用STM32單片機(jī)作為控制芯片，同時(shí)通過六軸陀螺儀MPU6050模塊來檢測(cè)加速度和角速度的值，最后利用點(diǎn)火裝置和氣體發(fā)生裝置在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使氣囊膨脹。一旦檢測(cè)到跌倒事件發(fā)生，裝置上的微處理器立即發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)，并使得氣體發(fā)生裝置開始后續(xù)化學(xué)反應(yīng)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

本文采用的是基于MPU6050加速度傳感器的老年人跌倒檢測(cè)算法。該系統(tǒng)主要基于人體的跌倒與運(yùn)動(dòng)時(shí)的姿態(tài)特性，利用傾斜角度和總合成加速度作為失重與準(zhǔn)備撞擊地面姿態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。此算法可以減少需要占用的主控芯片資源，保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

本文的老年防摔氣囊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。本系統(tǒng)總成本約在五百元以內(nèi)，遠(yuǎn)小于市面上已有的幾千元同類產(chǎn)品，可以快速推動(dòng)該類保護(hù)裝置的普及范圍，具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

圖2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意

2 跌倒檢測(cè)算法

老年人的跌倒過程可以大致分為失重和準(zhǔn)備撞擊地面共兩個(gè)不同的階段。本文通過老年人身體運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度變化和傾斜角度變化這兩個(gè)特征，建立與閾值比較的跌倒判斷模型。首先，分別設(shè)定兩個(gè)階段中老年人的特征值。如果在某個(gè)時(shí)間段里連續(xù)而且順序地檢測(cè)到了失重和準(zhǔn)備撞擊兩個(gè)階段的狀態(tài)值，則可以判斷該名佩戴者發(fā)生跌倒，本文通過模擬實(shí)驗(yàn)得到了人體摔倒時(shí)的總合成加速度變化數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 跌倒時(shí)總合成加速度變化

當(dāng)老年人在開始摔倒的狀態(tài)下，身體的總合成加速度會(huì)有一個(gè)明顯減小的失重過程。通過多次試驗(yàn)的比較發(fā)現(xiàn)，可以設(shè)定一個(gè)總合成加速度的閾值，根據(jù)老年人在佩戴氣囊時(shí)的總合成加速度是否小于閾值加速度來判斷該名老年人是否處于預(yù)設(shè)的失重狀態(tài)。

3 防摔氣囊設(shè)計(jì)

3.1 氣囊組成及氣體產(chǎn)生

防摔氣囊主要由飾蓋、捆綁線、點(diǎn)火裝置、氣體發(fā)生裝置及氣袋組成。氣體發(fā)生器則裝有硝酸銨NH4NO3和疊氮化鈉Na N3等化學(xué)物質(zhì)。當(dāng)檢測(cè)到老人摔倒時(shí)，點(diǎn)火裝置啟動(dòng)該化學(xué)產(chǎn)氣反應(yīng)，這些化學(xué)物質(zhì)會(huì)迅速發(fā)生預(yù)設(shè)的化學(xué)分解反應(yīng)，迅速產(chǎn)生大量的氣體給防摔氣囊充氣。在反應(yīng)中Na N3被迅速分解，產(chǎn)生少量的固體鈉和大量的氮?dú)?，而硝酸銨則稍慢一點(diǎn)分解成大量的水蒸氣和部分N2O氣體，所產(chǎn)生的氣體對(duì)人體無毒且對(duì)環(huán)境無害。此時(shí)四個(gè)防摔氣囊的壓力約為120Pa到360Pa之間。為了使佩戴者摔倒時(shí)收到的沖擊力最小，單個(gè)氣囊設(shè)計(jì)成弧形半球狀并分為上下兩瓣。同時(shí)為了摔倒時(shí)氣囊間不會(huì)散開令佩戴者在空隙中收到碰撞，本文產(chǎn)品設(shè)計(jì)有捆綁束縛線，對(duì)氣囊展后進(jìn)行限位，最大程度的保護(hù)老年人。

氣體發(fā)生的化學(xué)方程式：

為了使氣囊在峰值壓力下保持良好的抗壓能力，選用尼龍66、420布料，同時(shí)設(shè)計(jì)有泄氣孔，無涂覆層。飾蓋采用貼合人體的彈性布料。氣囊結(jié)構(gòu)如圖4所示。氣囊主體設(shè)置有泄氣孔，保證在氣體產(chǎn)生后可以及時(shí)排出，防止?jié)q袋造成二次損傷。

圖4 氣囊結(jié)構(gòu)剖面

3.2 氣囊的工作原理

在老年人摔倒倒地前，防摔氣囊的控制系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到佩戴者身體的姿態(tài)變化，當(dāng)加速度同時(shí)超過設(shè)定值時(shí)，主控芯片立即發(fā)送點(diǎn)火信號(hào)，接通裝在元件內(nèi)的電爆管電路，通過電爆管點(diǎn)燃點(diǎn)火介質(zhì)，電子火花引燃藥粉使得氣體發(fā)生劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的無毒氣體，在15ms的時(shí)間內(nèi)向四個(gè)防摔氣囊充氣，使得防摔氣囊急劇的膨脹，沖破腰帶的外飾后膨脹鼓向人體和地面的間隙，使老年人的腰部和臀部在摔倒觸碰地面前接觸到充滿氣體的防摔氣囊上，緩沖正常跌倒對(duì)身體的傷害，隨后通過泄氣孔將氣囊中的高壓氣體放出。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖5所示。對(duì)于跌倒信息的采集，本文選用市面上常見的MPU6050六軸陀螺儀加速度計(jì)，該模塊可以實(shí)時(shí)輸出檢測(cè)到并量化后的三軸的角速度和三軸的加速度，同時(shí)，方便系統(tǒng)對(duì)于老年佩戴者當(dāng)前的身體狀態(tài)進(jìn)行判斷。對(duì)于該系統(tǒng)的電源部分，本文采用了TP4056，該芯片可以通過輸出線性的電壓，對(duì)系統(tǒng)中的2000mAh的18650鋰電池進(jìn)行短時(shí)間大電流的連續(xù)充電，避免電池提早老化延長(zhǎng)使用壽命。同時(shí)通過STM32單片機(jī)自帶的ADC對(duì)鋰電池進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到的電壓低于一定值時(shí)則直接開啟低功耗模式或關(guān)機(jī)。

圖5 硬件架構(gòu)圖

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

模擬跌倒檢測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如表1所示，對(duì)常見的人體姿態(tài)及跌倒的方式情況作模擬實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，該系統(tǒng)檢測(cè)成功率為98%。總共200次的模擬實(shí)驗(yàn)中，檢測(cè)失敗的次數(shù)僅為4次，屬于實(shí)驗(yàn)過程中遇到的隨機(jī)誤差。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文通過閾值法檢測(cè)的成功率較高。

表1 模擬跌倒檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文所述的新型防摔氣囊與市面上現(xiàn)有的智能防摔服產(chǎn)品進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總共100次的模擬實(shí)驗(yàn)中，兩產(chǎn)品摔倒檢測(cè)成功率均較高，但新型氣囊采用的化學(xué)方法充氣，速度明顯比現(xiàn)有產(chǎn)品的充氣方式迅速。比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的新型防摔氣囊系統(tǒng)充氣速度較現(xiàn)有產(chǎn)品更為迅速。

本文針對(duì)老年人意外跌倒導(dǎo)致的跌傷問題，基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)，通過配置MPU6050加速度計(jì)，很好地將硬件設(shè)備和軟件算法相結(jié)合，同時(shí)針對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的防摔產(chǎn)品的不足提出了結(jié)合汽車安全氣囊化學(xué)充氣的方式，增強(qiáng)了氣囊展開的及時(shí)性。該裝置經(jīng)過不斷的設(shè)計(jì)改進(jìn)，能夠一定程度上地解決現(xiàn)有社會(huì)中的老年人意外跌倒導(dǎo)致身體受傷的問題。同時(shí)，具有氣囊展開迅速、成本低廉、安全可靠等特點(diǎn)，具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。