老年人摔倒智能报警服装设计与开发

王乐乐, 刘 茜, 亓洋洋, 朱 江

(1.上海工程技术大学 纺织服装学院,上海 201620; 2.上海工程技术大学 航空运输学院,上海 201620)

0 引 言

随着通信、计算机等科技信息技术的迅速发展,可穿戴监测装置凭借体积小、灵敏度高、能够提供定量的人体活动信息而被越来越多地应用于人体活动行为的监控。因此,本文尝试设计了一种以STM32单片机为主控制器,ADXL345倾角加速度传感器为摔倒监测装置的智能报警服装,可实现无线定位、发送短信、声音报警功能,实时监测老年人的行走状态,若发生摔倒,即刻发出报警信号,从而保证老年人在摔倒后能够得到及时的救助和治疗。

1 摔倒智能报警服装设计思路

首先,根据要实现的功能需求进行元件的选取,本设计选择GSM模块实现通信功能,GPS模块实现定位功能,ADXL345倾角加速度传感器作为摔倒监测模块,蜂鸣器模块实现报警的功能。其次,通过优良的工艺将智能元件与服装进行结合,将移动手机卡插入GSM模块的卡槽中,将整个传感模块放置到服装的特定位置。通过适当的服装成型工艺将智能元件与服装进行结合,实现智能模块的灵活拆卸。接着,匹配设置的紧急救护人的手机,当老年人摔倒时便可报警以发送位置信息和求救信息到紧急联系人的手机上,从而实现对老年人的安全监护。

2 软件设计

在智能模块功能实现过程中,采用倾角加速度传感器监测中的原理完成算法的编写。算法总体采用多级探测的思想[1]，具有较高的可靠性和准确性。首先通过设定一、二级阈值,对人体的姿态对是否摔倒做出初步判断[2]。然后,根据人体摔倒后,身体会保持一段时间的静止的特征,监测并计算摔倒后身体与地面的倾角,做出是否真正摔倒的辅助判断。

具体的实现过程为：1)第一级是失重监测。因为人在摔倒时会有一定的失重现象,此时合成加速度SVM值小于1gn的时间会持续超过30 ms,因此把失重作为摔倒监测的第一级判断。2)第二级是撞击检测,在身体失重摔倒后,身体会与地面发生撞击,在这一瞬间会产生一个很大的合加速度冲击[3],在第一级判断完成后,若检测到SVM值大于2gn,则第二级判断完成。3)第三级是静止判断,若发生摔倒,人是不会立刻站起来的,会出现短暂的静止状态。此时可以通过合加速度值的稳定性判断是否摔倒[4],此时的SVM值为10gn,确定为摔倒。4)第四级是倾角检测,人摔倒后身体会跌落于地面甚至于更低的平面上,此时身体与水平面的夹角会小于40°。通过摔倒角度设定一个阈值,也可进一步的判断摔倒情况。

在确定摔倒后,蜂鸣器开始发出报警声,提醒行人及时给予老年人以帮助。若在15 s内,老年人被救起,可手动取消报警,否则将会继续发送全球定位系统(GPS)定位信息和求救信息给指定的紧急联系人,以确保老年人得到及时救助。

3 硬件设计

3.1 主控制模块

基于元件的性能要求、成本等多方面因素考虑,本文设计选用STM32F103C8T6单片机作为核心控制器。此单片机是一种基于ARM7架构的32位、支持实时仿真和跟踪的微控制器[5],拥有64 kB的程序存储器、32位总线宽度,工作电压是2～3.6 V,适用温度是-40～85 ℃,同时还拥有2个基本定时器、4个通用定时器、5个串口等丰富资源,可以充分满足设计的要求。

3.2 GSM通信模块设计

GSM通信模块采用SI公司生产的新款无线通信模块,模块工作频段为900～1 800 MHz段,同时支持2.4,4.8 kHz不透明传输形式。拥有AT命令接口,使数据传输稳定迅速。在短信应用方面支持点对点MO and MT、短信广播、文本和PDU模式。GSM模块采用SMT封装,其外观小巧,性能稳定,性价比高,能满足客户的多种需求。

3.3 ADXL345倾角传感器模块电路设计

选择倾角加速度传感器ADXL345进行相关人体状态信息的实时监测。该传感器是一种小而薄的超低功耗三轴加速度传感器,分辨率为13位,测量范围达±16gn,数字输出数据为16位二进制补码格式,可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问,非常适合应用于移动设备。

ADXL345传感器具有较多的检测功能:第一,较高的分辨率(3.9 mg/LSB)能够测量小于1.0°的倾斜角度变化[6],可以在倾斜检测环境中测量静态重力加速度,也可以测量运动或冲击导致的动态加速度;第二,通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来监测有无运动状态的变化[7];第三,通过敲击检测功能监测任意方向的单振和双振动作;第四,通过自由落体检测功能可以监测器件是否正在掉落。这些功能可以独立映射到两个中断输出引脚中的一个。

采用集成式存储器管理系统,即采用一个32级先进先出(FIFO)缓冲器,可用于存储数据,从而将主机处理器负荷降至最低,并降低整体系统功耗。低功耗模式支持基于运动的智能电源管理[8],从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量。

3.4 GPS模块电路设计

服装中使用的是ublox neo—6MGPS模块,具有50个通道,追踪灵敏度高达-161 dBm,测量输出频率最高可达5 Hz[9],自带陶瓷天线及20.5 dB高增益LAN芯片,搜星能力强。此外,为了适应复杂环境,模块还自带IPX接口,可以连接各种有源天线[10]。模块可兼容3.3 V/5 V电平,方便连接各种单片机系统。

4 老年人摔倒智能报警服装设计案例

老年人摔倒智能报警服装需依据老年人的身体和心理特点进行设计,主要包括：款式结构设计、面料选择、颜色选择等,结合以下一种设计案例进行介绍。

4.1 款式结构设计

服装的设计应满足人体工效学要求,根据老年人活动较为迟缓等特点,服装选取宽松的款式。如以下选择V形领外套作为老年人摔倒智能报警服装的载体。通过中间扣子穿脱,宽松方便。

基于上述传感器植入式设计需求,在V型领外套内部造型结构设计中添加具有一定功能性的细节设计[11],可以选择在背部或者肩部等结合衣身风格设计确定传感器置放部位,即采用固定的方式及可拆卸的方式进行传感器植入式设计,在外套内部结构的细节设计上,尽量避免放在肢体活动范围较大的部位和身体前侧,比如胳膊及颈部等,传感器模块的放置较适于腰部背面和肩部等部位。在植入式设计中用暗袋进行置入的同时,外套面料的弹性也是老年人获取穿着智能报警服装的长时间的保障,避免了传感器模块与老年人身体发生强度较大摩擦,也确保其不会因为日常的活动而掉落,并且外套的外形不因传感器模块的植入而受到影响。因外套需要经常更换,所以,不能将传感器模块直接固定于外套上,这样为实现了传感器模块在外套上的可持续实用性和外套不定时清洗的可行性。

4.2 面料选择

产品的目标群体是老年人,因此,在面料的选择上需要考虑舒适性和防护性并存。服装面料要保证舒适性和强度,面料要柔软、透气、透湿良好,不容易发生损坏,如棉、羊毛等材料。可以将服装制成具有衬料的夹层结构,夹层材料起到抗压减震的作用。如：海绵材料,能够随着作用力的变化产生相应的形变,吸收不同冲击力产生的能量,具有良好的力传递特性[12],其能够重复使用,缓冲性较好,易与服装组合。选取目前市面上主流的海绵材料进行缓冲性能测试,证明海绵材料可用于一定范围内的人体摔倒防护,其缓冲性能与材料的厚度及软硬程度相关。为进一步提升海绵材料的缓冲性能,孙清峰等人[13]以微孔弹性体及慢回弹配方为基础,开发新型聚氨酯海绵材料,与普通海绵材料比较具有较好的防护性能及舒适性能。聚氨酯海绵材料比较适宜作老年人摔倒智能报警服装的衬料。

4.3 色彩选择

本文老年人摔倒智能报警服装的色彩一般采用柔和不突兀的高雅色系,使此服装看起来更像是一件日常着装用品。也可依据结构做一些拼色,如电子元件在颜色的选择上要与服装的本身色彩要相和谐,使服装看起来功能结构明确。在和谐中彰显安全性,同时兼顾时尚性。

5 设计效果评估

主要从老年人摔倒智能报警服装的安全性和使用功能两方面进行评价。

从安全性方面,传输信号的GSM通信模块,质量轻,体积小。供应电压范围3.4～4.4 V,低功耗。支持工作温度范围-40～85 ℃,适用性强,不会对人体造成危害,辐射系数也在人体可承受的安全范围之内[14]。同时,服装面料柔软、透气,满足老年人穿着舒适性的要求。

从使用功能方面,老年人穿上此智能服装,同时,在手机上打开App(需提前在App联系人里设置紧急联系人)。一旦监测到老年人摔倒,蜂鸣器会发出“滴”的报警声音,提醒路过的行人给予帮助。老年人被扶起后,可以自己取消蜂鸣器报警。与此同时,将传感器所监测的信息经过算法分析,决定是否将老年人的位置信息和求救信息发送到紧急联系人,避免引起误报警。如果确认老人已摔倒,且无人援助。将会把老人所在的经纬度信息及时发送到紧急联系人。然后利用收到的短信信息接入百度地图便可轻松找到老年人所处位置,验证了之前的结论。手机接收到的求助短信和地图位置如图1所示。

图1 求助短信

功能性服装在生产工艺上不同于普通服装,因此也会影响到价格。

在本款服装中,传感监测元件与服装容易结合,且装卸方便,便于基底服装的清洗。同时也符合人体工效学,穿着舒适。服装中使用的各种电子元件已经实现量产,是目前应用比较成熟的产品,性能优越,功耗低,价格便宜。

6 结束语

通过利用物联网技术,功能性服装的研究已经取得了一些进展和成果,但大部分仍处于初级实验或应用阶段。老年人摔倒智能报警服装很大程度地满足了老年人的要求,具有较大发展潜力。工艺结构和服装款式上的合理设计满足了老年人生理、安全等多维度的需求。

虽然老年人摔倒智能报警服装的价格在人们的接受范围之内,但是对集成化、微型化的传感器以及对网络的需求都有待改变。相信随着5G技术的到来,必将使其能够更好地改善人们的生活。