基于STM32抗擠壓氣囊式頭盔設(shè)計(jì)

胡雪睿，賈 燁

（1.西南大學(xué)，重慶 400715；2.重慶文理學(xué)院，重慶 402160）

1 研究背景

近年來，隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展、自然環(huán)境的惡化，自然災(zāi)害頻發(fā)，如地震、塌方、山體滑坡等。據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，我國地震活動(dòng)有4大特點(diǎn)：（1）地震多，我國大陸年平均發(fā)生24次5級(jí)以上地震，4次6級(jí)以上地震，0.6次7級(jí)以上地震；（2）強(qiáng)度大，21世紀(jì)以來全球共發(fā)生23次8級(jí)以上地震，絕大多數(shù)發(fā)生在海洋里，僅有的3次大陸8級(jí)以上地震均發(fā)生在我國大陸地區(qū)及附近；（3）分布廣，我國有30個(gè)省份發(fā)生過6級(jí)以上地震，19個(gè)省份發(fā)生過7級(jí)以上地震，12個(gè)省份發(fā)生過8級(jí)以上地震；（4）震源淺，我國大陸的地震94%以上都是淺源地震，易對(duì)地表的建筑物造成較為嚴(yán)重的破壞。數(shù)量及危害程度都較大，但救援人員的服裝較為簡單，缺少功能性防護(hù)，本身的安全難以得到保障[1]。

2 擠壓傷害分析

2.1 擠壓傷害現(xiàn)狀分析

救援群體受到的擠壓傷多由房屋坍塌、工程塌方、山體滑坡、塌陷等引起。腦損傷是事故中常見的損傷。據(jù)國外統(tǒng)計(jì)資料顯示，腦撞擊傷的發(fā)生率高達(dá)54%，是導(dǎo)致死亡和致殘的主要原因。腦是人體非常重要的器官，缺氧4 min后即可導(dǎo)致腦細(xì)胞死亡。由于擠壓傷害造成的死亡率較高，因此預(yù)防和保護(hù)是關(guān)鍵，而顱腦損傷是導(dǎo)致人員死亡的主要原因。

2.2 頭部損傷準(zhǔn)則

頭部損傷采用1971年美國政府定義的頭部損傷準(zhǔn)則（Head Injury Criterion，HIC），計(jì)算公式作為頭部傷害界限的評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)如公式（1）所示，一直沿用至今。

韋恩州立大學(xué)在大量志愿者、動(dòng)物和尸體實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，獲得了第一條人頭部撞擊耐受曲線，這就是著名的韋恩州立大學(xué)耐受曲線。

式中：t1，t2—碰撞過程中所選擇的兩個(gè)時(shí)刻，加速度的大小用重力加速度（g）的倍數(shù)表達(dá)，時(shí)間單位為s。

根據(jù)文獻(xiàn)進(jìn)一步分析整理得出了頭部易受傷部位、造成傷害的原因、受傷后果及常見受傷情況，以此來進(jìn)行感應(yīng)裝置的分布設(shè)計(jì)及壓力的配置。過去，大多數(shù)研究者用沖擊力來評(píng)價(jià)顱骨骨折的情況，并得出了大量的結(jié)論。然而，近年來的研究指出，顱骨骨折不僅與沖擊力有關(guān)，還與接觸部位的大小和個(gè)體骨密度的差異有關(guān)[2-4]。

3 抗擠壓防護(hù)氣囊服感應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)

3.1 防護(hù)系統(tǒng)組成

為了在受到超過閥值壓力擠壓后可以及時(shí)防護(hù)，防護(hù)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集到易受傷部位的受壓情況，考慮實(shí)際將壓力檢測(cè)分為6個(gè)獨(dú)立電路?？紤]到便攜性，6個(gè)檢測(cè)電路與決策模塊之間采用無線數(shù)據(jù)傳輸，由決策模塊判斷是否達(dá)到壓力承受閥值，然后發(fā)送信號(hào)到控制氣囊模塊彈出預(yù)置好的防護(hù)氣囊。

首先由壓力檢測(cè)模塊檢測(cè)到壓力信號(hào)，并將壓力信號(hào)通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)經(jīng)Q策模塊，接著決策模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的閥值壓力來判斷是否激活氣囊防護(hù)模塊，若受到超過閥值壓力的信號(hào)，則立刻將信號(hào)傳輸?shù)綒饽曳雷o(hù)模塊，最后防護(hù)模塊立刻激活氣囊，完成工作流程。

3.2 硬件組成

3.2.1 壓力檢測(cè)模塊

市場上已經(jīng)存在許多種敏感度高的傳感器系統(tǒng)，這些傳感器使用功能性納米材料或者微米/納米結(jié)構(gòu)，將外界應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化。按照其工作原理可以分為3類：壓阻式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器和電容式壓力傳感器。在這3種中，壓阻式壓力傳感器工作原理比較簡單，是普遍使用的一種壓力傳感器。

3.2.2 決策模塊

目前常用的是意法半導(dǎo)體公司的STM32單片機(jī)。該芯片是基于ARM的Cortex-M3系列的消費(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品價(jià)格低，易于編程。此芯片具有如下優(yōu)勢(shì)：最高工作頻率可達(dá)72 MHz，除新增的功能強(qiáng)化型外設(shè)接口外，STM32互連系列還提供與其他STM32微控制器相同的標(biāo)準(zhǔn)接口，這種外設(shè)共用性提升了整個(gè)產(chǎn)品家族的應(yīng)用靈活性，使開發(fā)人員可以在多個(gè)設(shè)計(jì)中重復(fù)使用同一個(gè)軟件，可以完美匹配人們的需求。

該單片機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓3.3 V下工作，運(yùn)行的時(shí)鐘頻率最大是72 MHz，供電采用軟包鋰電池，鋰電池的工作電壓范圍為3.7～4.2 V，能夠滿足較長時(shí)間的使用。只有主模塊需要電池供電，從模塊與主模塊之間通過耳機(jī)線連接，耳機(jī)線內(nèi)部分為4根線，分別是串口線的收、發(fā)以及電源和地。也就是說，從模塊是靠主模塊來供電的，地線是整個(gè)電路的參考0值，整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的供電全部依賴于主模塊的鋰電池。

同時(shí)，需要穩(wěn)壓電路將鋰電池輸出的3.7 V電壓轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電路電壓3.3 V，這里選用的是SPX3819_33，為SOT-23封裝，體積小。鋰電池是可充電的，充電時(shí)需要電源管理系統(tǒng)指示充電狀況。這里選用的是TP4056，該電路內(nèi)部含有雙色發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED），紅色指示處于充電過程中，綠色顯示充電完成，且為MSOP-8封裝，均選用小體積芯片以減小電路體積，滿足可穿戴的要求。

3.3 傳感器的放置

根據(jù)人體頭部的易受傷部位分析（圖1），將壓力檢測(cè)模塊主要放置于圖2所示區(qū)域。

圖1 人體頭部易受傷部位

圖2 傳感器放置示意

3.4 氣囊防護(hù)模塊

考慮到實(shí)際應(yīng)用要求（需要便攜性好，安全可靠），本系統(tǒng)的供電模塊選用了3.7 V的可充電式、充放電倍率不低于0.5 c的鋰電池。本裝置的充氣模塊與氣囊充氣模塊采用筒狀煙火式氣體發(fā)生器，化學(xué)產(chǎn)氣藥粒放置于發(fā)生器內(nèi)部，在點(diǎn)火器引燃之后，藥粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在短時(shí)間內(nèi)生成大量的氣體，氣體首先經(jīng)過一層過濾，然后冷卻消音，最后釋放出來，由預(yù)置的導(dǎo)氣管導(dǎo)入氣囊中，將原來疊放的氣囊展開。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一款以STM32芯片為主控平臺(tái)，針對(duì)人體頭部容易受傷害及受傷后影響較大的部位的抗擠壓防護(hù)氣囊式頭盔。通過數(shù)據(jù)分析及智能傳感器綜合應(yīng)用，將傳統(tǒng)頭盔變?yōu)樘囟ㄈ巳哼M(jìn)行防護(hù)的智能穿戴設(shè)備。雖然設(shè)計(jì)還存在許多瑕疵，但該防護(hù)系統(tǒng)是以救援人員自身的安全性需求為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)的，是在傳統(tǒng)防護(hù)頭盔與智能感應(yīng)裝置之間做出的創(chuàng)新嘗試。救援服裝的防護(hù)與舒適性能直接影響救援人員的救援效率和人身安全，希望能夠?yàn)檠芯烤仍惙雷o(hù)服裝和相關(guān)防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的企業(yè)提供參考。