一種新型老年防摔氣囊系統(tǒng)設計

南華大學電氣工程學院 何培男 李月華 杜金朋 袁 泓 李春楊 王樂為

針對現有的可穿戴老年防摔設備售價昂貴、氣囊展開速度較慢、實用性欠缺等缺點，提出了一種基于硝酸銨和疊氮化鈉等化學原料產生充氣氣體的方式，利用閾值法檢測判斷佩戴者是否跌倒，同時設計出配套的防摔氣囊系統(tǒng)進行試驗驗證，實驗結果表明，基于這種化學方法充氣的新型老年防摔氣囊系統(tǒng)氣囊具有展開速度快、成本低、檢測成功率高、安全可靠等特點，給老年人跌傷問題提供一個較為完善的解決方案。

隨著世界人口老齡化問題的不斷加劇，社會在老年人看護方面需要投入更多的人力和財力。據相關數據表明，全世界每年有60多萬人直接死于跌傷。同時，資料顯示國內在二十世紀末就正式進入了老齡化社會，我國的老年人口數居世界之首。據統(tǒng)計，我國每年約有百分之三十到百分之四十的老年人發(fā)生過跌倒，而跌倒可能會導致老年人發(fā)生軟組織或骨質受到損傷，甚至出現中風、腦溢血等嚴重后果，影響老年人的身心健康，增加家庭和社會負擔?，F有的老年人體防摔裝置可以大致分為兩大類：倫敦帝國理工學院研發(fā)的新型防護材料類和法國Helite公司研發(fā)的充氣式腰帶類。通過研究比較，發(fā)現已有產品普遍存在售價昂貴、氣囊展開速度較慢、實用性欠缺等不足。本文參考汽車安全氣囊的工作原理，提出一種基于化學合成氣體的方式進行充氣的新型老年人防摔氣囊系統(tǒng)。

1 整體設計方案

如圖1所示，本文采用STM32單片機作為控制芯片，同時通過六軸陀螺儀MPU6050模塊來檢測加速度和角速度的值，最后利用點火裝置和氣體發(fā)生裝置在規(guī)定時間內使氣囊膨脹。一旦檢測到跌倒事件發(fā)生，裝置上的微處理器立即發(fā)出點火信號，并使得氣體發(fā)生裝置開始后續(xù)化學反應。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

本文采用的是基于MPU6050加速度傳感器的老年人跌倒檢測算法。該系統(tǒng)主要基于人體的跌倒與運動時的姿態(tài)特性，利用傾斜角度和總合成加速度作為失重與準備撞擊地面姿態(tài)的判斷標準。此算法可以減少需要占用的主控芯片資源，保證系統(tǒng)實時性。

本文的老年防摔氣囊系統(tǒng)結構設計如圖2所示。本系統(tǒng)總成本約在五百元以內，遠小于市面上已有的幾千元同類產品，可以快速推動該類保護裝置的普及范圍，具有一定的市場推廣價值。

圖2 產品結構示意

2 跌倒檢測算法

老年人的跌倒過程可以大致分為失重和準備撞擊地面共兩個不同的階段。本文通過老年人身體運動時的加速度變化和傾斜角度變化這兩個特征，建立與閾值比較的跌倒判斷模型。首先，分別設定兩個階段中老年人的特征值。如果在某個時間段里連續(xù)而且順序地檢測到了失重和準備撞擊兩個階段的狀態(tài)值，則可以判斷該名佩戴者發(fā)生跌倒，本文通過模擬實驗得到了人體摔倒時的總合成加速度變化數據如圖3所示。

圖3 跌倒時總合成加速度變化

當老年人在開始摔倒的狀態(tài)下，身體的總合成加速度會有一個明顯減小的失重過程。通過多次試驗的比較發(fā)現，可以設定一個總合成加速度的閾值，根據老年人在佩戴氣囊時的總合成加速度是否小于閾值加速度來判斷該名老年人是否處于預設的失重狀態(tài)。

3 防摔氣囊設計

3.1 氣囊組成及氣體產生

防摔氣囊主要由飾蓋、捆綁線、點火裝置、氣體發(fā)生裝置及氣袋組成。氣體發(fā)生器則裝有硝酸銨NH4NO3和疊氮化鈉Na N3等化學物質。當檢測到老人摔倒時，點火裝置啟動該化學產氣反應，這些化學物質會迅速發(fā)生預設的化學分解反應，迅速產生大量的氣體給防摔氣囊充氣。在反應中Na N3被迅速分解，產生少量的固體鈉和大量的氮氣，而硝酸銨則稍慢一點分解成大量的水蒸氣和部分N2O氣體，所產生的氣體對人體無毒且對環(huán)境無害。此時四個防摔氣囊的壓力約為120Pa到360Pa之間。為了使佩戴者摔倒時收到的沖擊力最小，單個氣囊設計成弧形半球狀并分為上下兩瓣。同時為了摔倒時氣囊間不會散開令佩戴者在空隙中收到碰撞，本文產品設計有捆綁束縛線，對氣囊展后進行限位，最大程度的保護老年人。

氣體發(fā)生的化學方程式：

為了使氣囊在峰值壓力下保持良好的抗壓能力，選用尼龍66、420布料，同時設計有泄氣孔，無涂覆層。飾蓋采用貼合人體的彈性布料。氣囊結構如圖4所示。氣囊主體設置有泄氣孔，保證在氣體產生后可以及時排出，防止?jié)q袋造成二次損傷。

圖4 氣囊結構剖面

3.2 氣囊的工作原理

在老年人摔倒倒地前，防摔氣囊的控制系統(tǒng)會檢測到佩戴者身體的姿態(tài)變化，當加速度同時超過設定值時，主控芯片立即發(fā)送點火信號，接通裝在元件內的電爆管電路，通過電爆管點燃點火介質，電子火花引燃藥粉使得氣體發(fā)生劑發(fā)生化學反應，產生大量的無毒氣體，在15ms的時間內向四個防摔氣囊充氣，使得防摔氣囊急劇的膨脹，沖破腰帶的外飾后膨脹鼓向人體和地面的間隙，使老年人的腰部和臀部在摔倒觸碰地面前接觸到充滿氣體的防摔氣囊上，緩沖正常跌倒對身體的傷害，隨后通過泄氣孔將氣囊中的高壓氣體放出。

4 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件架構如圖5所示。對于跌倒信息的采集，本文選用市面上常見的MPU6050六軸陀螺儀加速度計，該模塊可以實時輸出檢測到并量化后的三軸的角速度和三軸的加速度，同時，方便系統(tǒng)對于老年佩戴者當前的身體狀態(tài)進行判斷。對于該系統(tǒng)的電源部分，本文采用了TP4056，該芯片可以通過輸出線性的電壓，對系統(tǒng)中的2000mAh的18650鋰電池進行短時間大電流的連續(xù)充電，避免電池提早老化延長使用壽命。同時通過STM32單片機自帶的ADC對鋰電池進行檢測，當檢測到的電壓低于一定值時則直接開啟低功耗模式或關機。

圖5 硬件架構圖

5 實驗驗證

模擬跌倒檢測實驗驗證結果如表1所示，對常見的人體姿態(tài)及跌倒的方式情況作模擬實驗統(tǒng)計，該系統(tǒng)檢測成功率為98%。總共200次的模擬實驗中，檢測失敗的次數僅為4次，屬于實驗過程中遇到的隨機誤差。模擬實驗結果表明，本文通過閾值法檢測的成功率較高。

表1 模擬跌倒檢測實驗數據

本文所述的新型防摔氣囊與市面上現有的智能防摔服產品進行比較實驗結果，總共100次的模擬實驗中，兩產品摔倒檢測成功率均較高，但新型氣囊采用的化學方法充氣，速度明顯比現有產品的充氣方式迅速。比較實驗結果表明，本文設計的新型防摔氣囊系統(tǒng)充氣速度較現有產品更為迅速。

本文針對老年人意外跌倒導致的跌傷問題，基于STM32單片機設計，通過配置MPU6050加速度計，很好地將硬件設備和軟件算法相結合，同時針對市場上現有的防摔產品的不足提出了結合汽車安全氣囊化學充氣的方式，增強了氣囊展開的及時性。該裝置經過不斷的設計改進，能夠一定程度上地解決現有社會中的老年人意外跌倒導致身體受傷的問題。同時，具有氣囊展開迅速、成本低廉、安全可靠等特點，具有一定的市場推廣價值。