智能安全保护背包系统设计分析

雷月圆,李潇阳,郭晓旭

(北京经济管理职业学院,北京 100102)

0 引言

根据我国当前的统计调查,老年人发生意外事件的概率是:跌伤的发生率为28.9%,碰撞受伤发生率为5.3%等[1]。但在现有的安全检测系统中,仅在出现危险后进行事故处理,寻找他人协助与救护,并没有对老人进行真实的安全保护[2]。本文进行了防范危险、检测危险、处理危险的研究,设计了一款可穿戴的安全背包,对环境、健康、身体姿态等全方面进行检测和防护。

1 系统总体构架

本文所设计的安全背包是为了检测老人周围环境及身体安全是否存在危险,处理老人发生的危险。

利用超声波在空气中传播遇到障碍物返回的原理,本文设计采用了超声波测距的技术,一旦检测到有障碍物靠近时,系统会开启蜂鸣器报警声,提示老人远离危险以及避免他人恶意靠近并撞倒老人。在老人快摔倒时,采用姿态DMP融合算法,计算出老人是否处于偏离正常站立角度。若检测出老人处于失重、偏离状态,立即弹出安全气囊,避免老人与地面或者其他危险物体接触。弹出气囊保护老人后,通过蓝牙、WiFi远程操控技术,把老人出现的情况第一时间告诉在外工作的老人家属。同时,结合医疗技术领域的温度、心率量,掌握老人每日的身体健康情况。本文的系统整体设计如图1所示。

图1 系统整体设计

2 系统模块设计

本文设计的老人安全背包由8个基本模块、3个较复杂模块和3个高级模块组成。

2.1 基本模块

基本模块包含温度传感器、心率传感器、超声波传感器、触摸传感器、OLED 屏幕、电机模块、彩灯、蜂鸣器。温度心率检测流程如图2所示。

图2 温度心率检测流程

温度传感器Sensor-Temp&HumS2采用的规格是:电压为3.3 V,温度工作范围为-40~125 ℃,分辨率精确到0.1 ℃,尺寸大小为23.5 mm×13 mm。在室温状态下,温度改变率较小,人体接近,变化的趋势较明显,数据刷新速度较快,可以实时掌握人体体温。

心率传感器Sensor-Pulse采用的规格是:电压在3.3~5 V,最大可6 V,输出电压有高电平5 V和低电平0 V两种;工作电流为15 uA;工作温度在-20~85 ℃;使用SON7015传感器,超低功耗,耗电为0.2 mA。皮肤贴近传感器后,信号传输的数字会随血液的变化而变化,从而精准测出人体心率指数。

使用的超声波传感器工作频率一般为40~45 kHz和23~25 kHz,有主要两种规格:T/R-40-16,T/R-40-12[3](其中T表示发送,R表示接收,40表示频率为40 kHz,16及12表示其外径尺寸,以毫米计)。距离分辨率为1 mm,能准确地检测到障碍物靠近。

触摸传感器采用电压为5 V,23.5 mm×13 mm的规格,默认信号为1,按下为0[4]。 本文用于密码解锁,设定每个单片触摸传感器为特定的数字,正确的触摸这些传感器,输入相对应的密码才可正确无误地启动安全背包。

彩灯与蜂鸣器的嵌入,可以有效地降低有危险性的人或动物接近老人,从隔离危险入手,为老人的人身安全提供了很大的保护作用。也可在老人出现摔倒、撞到、迷路等情况时,实现原地报警作用,寻求外界帮助。为出现危险的后续做出了保障,不遗漏任何保护措施步骤。

2.2 复杂模块

复杂模块有:DMP模块、姿态模块、时钟模块。姿态DMP融合算法的流程如图3所示。

图3 姿态DMP融合算法流程

姿态mCookie-Motion模块集成了3种传感器,分别是三轴加速度、三轴陀螺仪传感器(两者统称MPU6050)、数字气压传感器(BMP180)[5]。姿态模块把三轴加速度、角速度和磁场强度融合成四元数,再把四元数转化为欧拉角,最后把Yaw偏航角、Pitch俯仰角和Roll滚动角(三角统称欧拉角)作为控制量输送到所有电机,达到控制姿态的目的

MPU6X00芯片自身带有DMP解算功能,其中计算有一部分是利用IMU自身的资源。结合姿态模块,当识别到人体姿态出现与正常站立姿态在一定范围内偏差过大,则判定为即将摔倒倾向,立即发送信号至气囊装置。控制气囊的装置则会对信号进行一些处理,在短暂的0.05 s之内迅速引爆安全气囊的点火器,将气瓶中的固态叠氮化钠碰撞,生成大量氮气至气囊中[6]。 大量的气体对气囊填充,形成一个包裹型气垫,将用户紧紧裹在其中,尤其是头部、胸部等关键部位保护[7]。 当检测到用户撞击到气囊之上,气囊里面的氮气则会因为总体积变小,压力变大的原因使其从气囊的排气孔缓慢排出,从而使得气囊不会因为气体太满,导致气囊过硬,令用户拥有较柔和的接触感。

时钟模块可精确到年、月、星期、日、时、分、秒,结合OLED显示屏为用户提供了精确的时间信息。OLED显示屏不仅可以显示时间、温度、心率等,还有最重要的显示信息——监护人信息。为防止老人外出走失,或者遇到其他危险情况,路人或警察需紧急联系监护人,即可通过OLED显示屏上的联系人姓名电话和家庭住址。

2.3 高级模块

(1)WiFi模块采用串口通信,可连接互联网,可结合BLynk实现手机和mCookie互联。所采用芯片是ESP8266,获取设备ID和Secure Token即可实现远程操控和实时传输数据至手机。目前的WiFi模块还不能使用5G网络,且使用的3.3 V电源的核心波特率不能高于57 600。本文设计采用的波特率为9 600,否则无法实现连接状态。

(2)蓝牙模块支持iBecons模式和蓝牙相应传输协议与CoreUSB核心模块通过串口进行通信。可实现手机端与设备端互相发送信息。手机端发送信息至蓝牙模块,设备即可通过监听来接受mCookie模块发送的信息。本文设计可将检测到的温度心率等健康指标通过蓝牙和WiFi传送到目标手机,也可通过目标手机来控制彩灯的开关。

(3)NFC模块:NFC是一种近距离无线通信技术,支持Mifare Classic加密,具有移动支付、数据传输和门禁等功能[8]。乘坐公交地铁无须买票,出门无须带钥匙记密码。功能较方便,收到数据可自动回复,可嵌入式应用;工作范围广,空旷地区可达100 m左右。本文设计实现的NFC功能,先通过串口监视器来获取所指定的ID卡的卡值,将其设定为固定卡值,后续刷卡,若检测到卡值为其卡值,即可成功开启,若不是其卡值则不会有任何反应。NFC模块使用的波特率可选择115 200,但本文设计使用的是9 600。

3 系统软件设计

本文设计的目的是老人穿戴上安全背包,可以在多重技术保护下拥有一个健康安全的生活。老人使用密码或者NFC成功解锁即可安心地自由活动,若解锁失败,系统会闪烁起红灯提醒重新解锁;如若多次解锁失败,系统则会认定不是背包主人,通过蓝牙或WiFi通知监护人,与其确定是否为主人。正常解锁即可开启每日的体温、心率等健康检测。体温和心率与正常情况出现较小差别,系统会根据云服务中的参数对比,给予老人相适应的解决方案,如注意保暖、多喝热水、吃指定的药物等。如若出现重大疾病等情况,系统会通过远程上传数据通知监护人。健康的体态也要注意外界事故发生,超声波时刻检测是否有危险物靠近,若有近距离物体靠近,则会开启警报模式,提醒对方或老人远离。检测到障碍物加速接近,即可判断为恶意中伤型危险物,立即启动远程报警或通知监护人。老人在行动过程中出现失重状态迅速展开气囊采用急救保护装置,并根据周围是否有人、是否能寻求到帮助,来选择就近报警寻求帮助或远程报警,且远程上传实时定位及老人身体情况。若无危险,系统会一直循环排除危险,为老人构建健康生活。系统流程如图4所示。

图4 系统流程

4 结语

本文采用先进智能系统实现对老人的安全保障,老人可正常穿戴安全背包,与其他背包无差别,使用的是轻便、功率高的硬件。正常情况下,DMP姿态融合算法不会触发安全气囊的弹出;通过加密的NFC卡值,他人无法盗刷启动背包;危险人物或者障碍物靠近时,超声波测距会精确检测距离发出警告;温度、心率等健康指标,无须特意检测,背包与人体接触,即可掌握信息并传输给家属。为老人的生活、出行,提供了巨大的安全保障,全方面保护老人。