基于STM32抗挤压气囊式头盔设计

胡雪睿，贾 烨

（1.西南大学，重庆 400715；2.重庆文理学院，重庆 402160）

1 研究背景

近年来，随着工业化进程的发展、自然环境的恶化，自然灾害频发，如地震、塌方、山体滑坡等。据中国地震台网统计，我国地震活动有4大特点：（1）地震多，我国大陆年平均发生24次5级以上地震，4次6级以上地震，0.6次7级以上地震；（2）强度大，21世纪以来全球共发生23次8级以上地震，绝大多数发生在海洋里，仅有的3次大陆8级以上地震均发生在我国大陆地区及附近；（3）分布广，我国有30个省份发生过6级以上地震，19个省份发生过7级以上地震，12个省份发生过8级以上地震；（4）震源浅，我国大陆的地震94%以上都是浅源地震，易对地表的建筑物造成较为严重的破坏。数量及危害程度都较大，但救援人员的服装较为简单，缺少功能性防护，本身的安全难以得到保障[1]。

2 挤压伤害分析

2.1 挤压伤害现状分析

救援群体受到的挤压伤多由房屋坍塌、工程塌方、山体滑坡、塌陷等引起。脑损伤是事故中常见的损伤。据国外统计资料显示，脑撞击伤的发生率高达54%，是导致死亡和致残的主要原因。脑是人体非常重要的器官，缺氧4 min后即可导致脑细胞死亡。由于挤压伤害造成的死亡率较高，因此预防和保护是关键，而颅脑损伤是导致人员死亡的主要原因。

2.2 头部损伤准则

头部损伤采用1971年美国政府定义的头部损伤准则（Head Injury Criterion，HIC），计算公式作为头部伤害界限的评测标准如公式（1）所示，一直沿用至今。

韦恩州立大学在大量志愿者、动物和尸体实验的基础上，获得了第一条人头部撞击耐受曲线，这就是著名的韦恩州立大学耐受曲线。

式中：t1，t2—碰撞过程中所选择的两个时刻，加速度的大小用重力加速度（g）的倍数表达，时间单位为s。

根据文献进一步分析整理得出了头部易受伤部位、造成伤害的原因、受伤后果及常见受伤情况，以此来进行感应装置的分布设计及压力的配置。过去，大多数研究者用冲击力来评价颅骨骨折的情况，并得出了大量的结论。然而，近年来的研究指出，颅骨骨折不仅与冲击力有关，还与接触部位的大小和个体骨密度的差异有关[2-4]。

3 抗挤压防护气囊服感应装置的设计

3.1 防护系统组成

为了在受到超过阀值压力挤压后可以及时防护，防护系统需要实时采集到易受伤部位的受压情况，考虑实际将压力检测分为6个独立电路。考虑到便携性，6个检测电路与决策模块之间采用无线数据传输，由决策模块判断是否达到压力承受阀值，然后发送信号到控制气囊模块弹出预置好的防护气囊。

首先由压力检测模块检测到压力信号，并将压力信号通过无线传输的方式传输到决策模块，接着决策模块根据预先设置好的阀值压力来判断是否激活气囊防护模块，若受到超过阀值压力的信号，则立刻将信号传输到气囊防护模块，最后防护模块立刻激活气囊，完成工作流程。

3.2 硬件组成

3.2.1 压力检测模块

市场上已经存在许多种敏感度高的传感器系统，这些传感器使用功能性纳米材料或者微米/纳米结构，将外界应力的变化转换成电信号的变化。按照其工作原理可以分为3类：压阻式压力传感器、压电式压力传感器和电容式压力传感器。在这3种中，压阻式压力传感器工作原理比较简单，是普遍使用的一种压力传感器。

3.2.2 决策模块

目前常用的是意法半导体公司的STM32单片机。该芯片是基于ARM的Cortex-M3系列的消费级电子产品价格低，易于编程。此芯片具有如下优势：最高工作频率可达72 MHz，除新增的功能强化型外设接口外，STM32互连系列还提供与其他STM32微控制器相同的标准接口，这种外设共用性提升了整个产品家族的应用灵活性，使开发人员可以在多个设计中重复使用同一个软件，可以完美匹配人们的需求。

该单片机在标准数字电压3.3 V下工作，运行的时钟频率最大是72 MHz，供电采用软包锂电池，锂电池的工作电压范围为3.7～4.2 V，能够满足较长时间的使用。只有主模块需要电池供电，从模块与主模块之间通过耳机线连接，耳机线内部分为4根线，分别是串口线的收、发以及电源和地。也就是说，从模块是靠主模块来供电的，地线是整个电路的参考0值，整个数据采集系统的供电全部依赖于主模块的锂电池。

同时，需要稳压电路将锂电池输出的3.7 V电压转化为标准的数字电路电压3.3 V，这里选用的是SPX3819_33，为SOT-23封装，体积小。锂电池是可充电的，充电时需要电源管理系统指示充电状况。这里选用的是TP4056，该电路内部含有双色发光二极管（Light-Emitting Diode，LED），红色指示处于充电过程中，绿色显示充电完成，且为MSOP-8封装，均选用小体积芯片以减小电路体积，满足可穿戴的要求。

3.3 传感器的放置

根据人体头部的易受伤部位分析（图1），将压力检测模块主要放置于图2所示区域。

图1 人体头部易受伤部位

图2 传感器放置示意

3.4 气囊防护模块

考虑到实际应用要求（需要便携性好，安全可靠），本系统的供电模块选用了3.7 V的可充电式、充放电倍率不低于0.5 c的锂电池。本装置的充气模块与气囊充气模块采用筒状烟火式气体发生器，化学产气药粒放置于发生器内部，在点火器引燃之后，药粒发生化学反应，在短时间内生成大量的气体，气体首先经过一层过滤，然后冷却消音，最后释放出来，由预置的导气管导入气囊中，将原来叠放的气囊展开。

4 结语

设计了一款以STM32芯片为主控平台，针对人体头部容易受伤害及受伤后影响较大的部位的抗挤压防护气囊式头盔。通过数据分析及智能传感器综合应用，将传统头盔变为特定人群进行防护的智能穿戴设备。虽然设计还存在许多瑕疵，但该防护系统是以救援人员自身的安全性需求为设计出发点的，是在传统防护头盔与智能感应装置之间做出的创新尝试。救援服装的防护与舒适性能直接影响救援人员的救援效率和人身安全，希望能够为研究救援类防护服装和相关防护系统设计生产的企业提供参考。