老年人摔倒智能報(bào)警服裝設(shè)計(jì)與開發(fā)

王樂樂, 劉 茜, 亓洋洋, 朱 江

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,上海 201620; 2.上海工程技術(shù)大學(xué) 航空運(yùn)輸學(xué)院,上海 201620)

0 引 言

隨著通信、計(jì)算機(jī)等科技信息技術(shù)的迅速發(fā)展,可穿戴監(jiān)測(cè)裝置憑借體積小、靈敏度高、能夠提供定量的人體活動(dòng)信息而被越來越多地應(yīng)用于人體活動(dòng)行為的監(jiān)控。因此,本文嘗試設(shè)計(jì)了一種以STM32單片機(jī)為主控制器,ADXL345傾角加速度傳感器為摔倒監(jiān)測(cè)裝置的智能報(bào)警服裝,可實(shí)現(xiàn)無線定位、發(fā)送短信、聲音報(bào)警功能,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老年人的行走狀態(tài),若發(fā)生摔倒,即刻發(fā)出報(bào)警信號(hào),從而保證老年人在摔倒后能夠得到及時(shí)的救助和治療。

1 摔倒智能報(bào)警服裝設(shè)計(jì)思路

首先,根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能需求進(jìn)行元件的選取,本設(shè)計(jì)選擇GSM模塊實(shí)現(xiàn)通信功能,GPS模塊實(shí)現(xiàn)定位功能,ADXL345傾角加速度傳感器作為摔倒監(jiān)測(cè)模塊,蜂鳴器模塊實(shí)現(xiàn)報(bào)警的功能。其次,通過優(yōu)良的工藝將智能元件與服裝進(jìn)行結(jié)合,將移動(dòng)手機(jī)卡插入GSM模塊的卡槽中,將整個(gè)傳感模塊放置到服裝的特定位置。通過適當(dāng)?shù)姆b成型工藝將智能元件與服裝進(jìn)行結(jié)合,實(shí)現(xiàn)智能模塊的靈活拆卸。接著,匹配設(shè)置的緊急救護(hù)人的手機(jī),當(dāng)老年人摔倒時(shí)便可報(bào)警以發(fā)送位置信息和求救信息到緊急聯(lián)系人的手機(jī)上,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)老年人的安全監(jiān)護(hù)。

2 軟件設(shè)計(jì)

在智能模塊功能實(shí)現(xiàn)過程中,采用傾角加速度傳感器監(jiān)測(cè)中的原理完成算法的編寫。算法總體采用多級(jí)探測(cè)的思想[1]，具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性。首先通過設(shè)定一、二級(jí)閾值,對(duì)人體的姿態(tài)對(duì)是否摔倒做出初步判斷[2]。然后,根據(jù)人體摔倒后,身體會(huì)保持一段時(shí)間的靜止的特征,監(jiān)測(cè)并計(jì)算摔倒后身體與地面的傾角,做出是否真正摔倒的輔助判斷。

具體的實(shí)現(xiàn)過程為：1)第一級(jí)是失重監(jiān)測(cè)。因?yàn)槿嗽谒さ箷r(shí)會(huì)有一定的失重現(xiàn)象,此時(shí)合成加速度SVM值小于1gn的時(shí)間會(huì)持續(xù)超過30 ms,因此把失重作為摔倒監(jiān)測(cè)的第一級(jí)判斷。2)第二級(jí)是撞擊檢測(cè),在身體失重摔倒后,身體會(huì)與地面發(fā)生撞擊,在這一瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的合加速度沖擊[3],在第一級(jí)判斷完成后,若檢測(cè)到SVM值大于2gn,則第二級(jí)判斷完成。3)第三級(jí)是靜止判斷,若發(fā)生摔倒,人是不會(huì)立刻站起來的,會(huì)出現(xiàn)短暫的靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)可以通過合加速度值的穩(wěn)定性判斷是否摔倒[4],此時(shí)的SVM值為10gn,確定為摔倒。4)第四級(jí)是傾角檢測(cè),人摔倒后身體會(huì)跌落于地面甚至于更低的平面上,此時(shí)身體與水平面的夾角會(huì)小于40°。通過摔倒角度設(shè)定一個(gè)閾值,也可進(jìn)一步的判斷摔倒情況。

在確定摔倒后,蜂鳴器開始發(fā)出報(bào)警聲,提醒行人及時(shí)給予老年人以幫助。若在15 s內(nèi),老年人被救起,可手動(dòng)取消報(bào)警,否則將會(huì)繼續(xù)發(fā)送全球定位系統(tǒng)(GPS)定位信息和求救信息給指定的緊急聯(lián)系人,以確保老年人得到及時(shí)救助。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制模塊

基于元件的性能要求、成本等多方面因素考慮,本文設(shè)計(jì)選用STM32F103C8T6單片機(jī)作為核心控制器。此單片機(jī)是一種基于ARM7架構(gòu)的32位、支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的微控制器[5],擁有64 kB的程序存儲(chǔ)器、32位總線寬度,工作電壓是2～3.6 V,適用溫度是-40～85 ℃,同時(shí)還擁有2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、5個(gè)串口等豐富資源,可以充分滿足設(shè)計(jì)的要求。

3.2 GSM通信模塊設(shè)計(jì)

GSM通信模塊采用SI公司生產(chǎn)的新款無線通信模塊,模塊工作頻段為900～1 800 MHz段,同時(shí)支持2.4,4.8 kHz不透明傳輸形式。擁有AT命令接口,使數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定迅速。在短信應(yīng)用方面支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)MO and MT、短信廣播、文本和PDU模式。GSM模塊采用SMT封裝,其外觀小巧,性能穩(wěn)定,性價(jià)比高,能滿足客戶的多種需求。

3.3 ADXL345傾角傳感器模塊電路設(shè)計(jì)

選擇傾角加速度傳感器ADXL345進(jìn)行相關(guān)人體狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該傳感器是一種小而薄的超低功耗三軸加速度傳感器,分辨率為13位,測(cè)量范圍達(dá)±16gn,數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式,可通過SPI(3線或4線)或I2C數(shù)字接口訪問,非常適合應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備。

ADXL345傳感器具有較多的檢測(cè)功能:第一,較高的分辨率(3.9 mg/LSB)能夠測(cè)量小于1.0°的傾斜角度變化[6],可以在傾斜檢測(cè)環(huán)境中測(cè)量靜態(tài)重力加速度,也可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度;第二,通過比較任意軸上的加速度與用戶設(shè)置的閾值來監(jiān)測(cè)有無運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化[7];第三,通過敲擊檢測(cè)功能監(jiān)測(cè)任意方向的單振和雙振動(dòng)作;第四,通過自由落體檢測(cè)功能可以監(jiān)測(cè)器件是否正在掉落。這些功能可以獨(dú)立映射到兩個(gè)中斷輸出引腳中的一個(gè)。

采用集成式存儲(chǔ)器管理系統(tǒng),即采用一個(gè)32級(jí)先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器,可用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù),從而將主機(jī)處理器負(fù)荷降至最低,并降低整體系統(tǒng)功耗。低功耗模式支持基于運(yùn)動(dòng)的智能電源管理[8],從而以極低的功耗進(jìn)行閾值感測(cè)和運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)量。

3.4 GPS模塊電路設(shè)計(jì)

服裝中使用的是ublox neo—6MGPS模塊,具有50個(gè)通道,追蹤靈敏度高達(dá)-161 dBm,測(cè)量輸出頻率最高可達(dá)5 Hz[9],自帶陶瓷天線及20.5 dB高增益LAN芯片,搜星能力強(qiáng)。此外,為了適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境,模塊還自帶IPX接口,可以連接各種有源天線[10]。模塊可兼容3.3 V/5 V電平,方便連接各種單片機(jī)系統(tǒng)。

4 老年人摔倒智能報(bào)警服裝設(shè)計(jì)案例

老年人摔倒智能報(bào)警服裝需依據(jù)老年人的身體和心理特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì),主要包括：款式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、面料選擇、顏色選擇等,結(jié)合以下一種設(shè)計(jì)案例進(jìn)行介紹。

4.1 款式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

服裝的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足人體工效學(xué)要求,根據(jù)老年人活動(dòng)較為遲緩等特點(diǎn),服裝選取寬松的款式。如以下選擇V形領(lǐng)外套作為老年人摔倒智能報(bào)警服裝的載體。通過中間扣子穿脫,寬松方便。

基于上述傳感器植入式設(shè)計(jì)需求,在V型領(lǐng)外套內(nèi)部造型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中添加具有一定功能性的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)[11],可以選擇在背部或者肩部等結(jié)合衣身風(fēng)格設(shè)計(jì)確定傳感器置放部位,即采用固定的方式及可拆卸的方式進(jìn)行傳感器植入式設(shè)計(jì),在外套內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上,盡量避免放在肢體活動(dòng)范圍較大的部位和身體前側(cè),比如胳膊及頸部等,傳感器模塊的放置較適于腰部背面和肩部等部位。在植入式設(shè)計(jì)中用暗袋進(jìn)行置入的同時(shí),外套面料的彈性也是老年人獲取穿著智能報(bào)警服裝的長(zhǎng)時(shí)間的保障,避免了傳感器模塊與老年人身體發(fā)生強(qiáng)度較大摩擦,也確保其不會(huì)因?yàn)槿粘５幕顒?dòng)而掉落,并且外套的外形不因傳感器模塊的植入而受到影響。因外套需要經(jīng)常更換,所以,不能將傳感器模塊直接固定于外套上,這樣為實(shí)現(xiàn)了傳感器模塊在外套上的可持續(xù)實(shí)用性和外套不定時(shí)清洗的可行性。

4.2 面料選擇

產(chǎn)品的目標(biāo)群體是老年人,因此,在面料的選擇上需要考慮舒適性和防護(hù)性并存。服裝面料要保證舒適性和強(qiáng)度,面料要柔軟、透氣、透濕良好,不容易發(fā)生損壞,如棉、羊毛等材料?？梢詫⒎b制成具有襯料的夾層結(jié)構(gòu),夾層材料起到抗壓減震的作用。如：海綿材料,能夠隨著作用力的變化產(chǎn)生相應(yīng)的形變,吸收不同沖擊力產(chǎn)生的能量,具有良好的力傳遞特性[12],其能夠重復(fù)使用,緩沖性較好,易與服裝組合。選取目前市面上主流的海綿材料進(jìn)行緩沖性能測(cè)試,證明海綿材料可用于一定范圍內(nèi)的人體摔倒防護(hù),其緩沖性能與材料的厚度及軟硬程度相關(guān)。為進(jìn)一步提升海綿材料的緩沖性能,孫清峰等人[13]以微孔彈性體及慢回彈配方為基礎(chǔ),開發(fā)新型聚氨酯海綿材料,與普通海綿材料比較具有較好的防護(hù)性能及舒適性能。聚氨酯海綿材料比較適宜作老年人摔倒智能報(bào)警服裝的襯料。

4.3 色彩選擇

本文老年人摔倒智能報(bào)警服裝的色彩一般采用柔和不突兀的高雅色系,使此服裝看起來更像是一件日常著裝用品。也可依據(jù)結(jié)構(gòu)做一些拼色,如電子元件在顏色的選擇上要與服裝的本身色彩要相和諧,使服裝看起來功能結(jié)構(gòu)明確。在和諧中彰顯安全性,同時(shí)兼顧時(shí)尚性。

5 設(shè)計(jì)效果評(píng)估

主要從老年人摔倒智能報(bào)警服裝的安全性和使用功能兩方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

從安全性方面,傳輸信號(hào)的GSM通信模塊,質(zhì)量輕,體積小。供應(yīng)電壓范圍3.4～4.4 V,低功耗。支持工作溫度范圍-40～85 ℃,適用性強(qiáng),不會(huì)對(duì)人體造成危害,輻射系數(shù)也在人體可承受的安全范圍之內(nèi)[14]。同時(shí),服裝面料柔軟、透氣,滿足老年人穿著舒適性的要求。

從使用功能方面,老年人穿上此智能服裝,同時(shí),在手機(jī)上打開App(需提前在App聯(lián)系人里設(shè)置緊急聯(lián)系人)。一旦監(jiān)測(cè)到老年人摔倒,蜂鳴器會(huì)發(fā)出“滴”的報(bào)警聲音,提醒路過的行人給予幫助。老年人被扶起后,可以自己取消蜂鳴器報(bào)警。與此同時(shí),將傳感器所監(jiān)測(cè)的信息經(jīng)過算法分析,決定是否將老年人的位置信息和求救信息發(fā)送到緊急聯(lián)系人,避免引起誤報(bào)警。如果確認(rèn)老人已摔倒,且無人援助。將會(huì)把老人所在的經(jīng)緯度信息及時(shí)發(fā)送到緊急聯(lián)系人。然后利用收到的短信信息接入百度地圖便可輕松找到老年人所處位置,驗(yàn)證了之前的結(jié)論。手機(jī)接收到的求助短信和地圖位置如圖1所示。

圖1 求助短信

功能性服裝在生產(chǎn)工藝上不同于普通服裝,因此也會(huì)影響到價(jià)格。

在本款服裝中,傳感監(jiān)測(cè)元件與服裝容易結(jié)合,且裝卸方便,便于基底服裝的清洗。同時(shí)也符合人體工效學(xué),穿著舒適。服裝中使用的各種電子元件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),是目前應(yīng)用比較成熟的產(chǎn)品,性能優(yōu)越,功耗低,價(jià)格便宜。

6 結(jié)束語

通過利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),功能性服裝的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展和成果,但大部分仍處于初級(jí)實(shí)驗(yàn)或應(yīng)用階段。老年人摔倒智能報(bào)警服裝很大程度地滿足了老年人的要求,具有較大發(fā)展?jié)摿?。工藝結(jié)構(gòu)和服裝款式上的合理設(shè)計(jì)滿足了老年人生理、安全等多維度的需求。

雖然老年人摔倒智能報(bào)警服裝的價(jià)格在人們的接受范圍之內(nèi),但是對(duì)集成化、微型化的傳感器以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求都有待改變。相信隨著5G技術(shù)的到來,必將使其能夠更好地改善人們的生活。