一种智能可穿戴式防跌预警衣的制作方法

本发明涉及到跌倒预警防护技术领域，尤其涉及到一种智能可穿戴式防跌预警衣。

背景技术：

我国人口老龄化问题日趋严重。根据《中国老龄事业发展报告》，2014年底，60岁以上2.12亿，占人口比例15.6％。预计2030年，60岁以上3.71亿，占人口比例近25％，到2050年，我国老龄人口将达到总人口数的三分之一。国内一些城市建成智能养老物联网应用示范工程，该工程将区、街道(镇)、社区(村)、机构四级联网、标准统一、互联互通的智慧养老系统，涵盖养老机构、社区居家养老业务管理、人事管理、财务管理、安全看护、健康医疗、家属互动、护工辅助管理等多个子系统。平台实行统一操作流程、统一数据库、统一联网运行，实现了养老服务管理规范化。利用无线定位报警设备、app终端、二维码扫描、健康采集终端、各类传感器、数据统计分析等智能设备与技术，实现老年人家庭生活服务、紧急救助服务、安全防范报警等多种服务，满足机构养老、社区居家养老服务的多元需求。2015年底商洛市总人口235.63万人，60岁以上老年人口36.9万人，占人口比例15.6％，人口老龄化呈现加剧态势，加强养老服务体系建设的任务繁重而艰巨。2014年12月商洛市人民政府关于加快发展养老服务业的实施意见中强调，全面推进居家养老服务。大力发展城乡社区养老服务。大力发展养老服务产业。到2020年，我市要全面建成以居家为基础、社区为依托、机构为支撑，功能完善、规模适度、覆盖城乡的养老服务体系，生活照料、医疗护理、精神慰藉、紧急救援等养老服务覆盖所有居家老年人，符合标准的日间照料中心、老年人活动中心等服务设施覆盖所有城市社区，95％以上的镇和70％以上的农村社区建立包括养老服务在内的社区综合服务设施和站点，社会养老床位数达到每千名老年人40张。

贯彻落实市政府《关于鼓励和引导社会资本进入养老服务领域的实施意见》，充分利用区位生态优势，结合生态旅游、新农村建设、特色产业发展，促进社会资本大量进入养老领域，采取公建民营和民办公助等多种方式，兴办一批服务设施齐全、功能完备的养老服务机构，满足不同层次老年人的养老需求。

但目前我市的养老方式主要使用传统的、完全依赖人工的管理和服务模式，缺乏高效的服务设备和管理手段，在提供服务的过程中容易出现各种各样的问题，如突发状况无法预警，老人走失，日常护理不到位，护理人员缺失等等。这些问题不仅使得护理对象的切身利益无法得到保障，也给社会造成了损失，带来了诸多的社会问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种智能可穿戴式防跌预警衣，能够实现在人体躯干着地之前而发射报警信号，并打开保护装置，并及时通知护理人员，减少发现时间，摔倒人员得到及时救治，实现老年人家庭生活服务、紧急救助服务、安全防范报警等服务，满足机构养老、社区居家养老服务的多元需求。

本发明是通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种智能可穿戴式防跌预警衣，该智能可穿戴式防跌预警衣包括：预警衣本体，所述预警衣本体上装有跌倒预警系统和保护系统；其中，所述跌倒预警系统包括，

传感器，测量跌倒对象的加速度矢量；

中央处理单元mcu，处理所述传感器传输的数据；

存储器，存储所述中央处理单元mcu处理后的数据；

数据输出模块，通过所述中央处理单元mcu读取所述存储器的数据；

电源模块，为所述跌倒预警系统提供电源；

所述保护系统包括保护装置和无线定位报警装置，所述保护装置用于对跌倒对象进行保护，所述无线定位报警装置用于定位跌倒对象的位置。

进一步的，所述传感器为三轴加速度计，采用的型号为adxl345。

进一步的，所述存储器为可掉电存储器。

进一步的，所述中央处理单元mcu选用嵌入式芯片型号为msp430f149系列的单片机。

进一步的，所述单片机为16位flash型低功耗单片机，其工作电压为1.8v～3.6v，工作电流在400μa至0.1μa之间。

进一步的，所述单片机上设置有看门狗、定时器、比较器、乘法器、a/d转换模块，其i/o口为48个。

进一步的，所述单片机还设置有flash程序存储器。

进一步的，所述三轴加速度计与所述单片机通过i2c总线连接。

进一步的，所述保护装置包括安全气囊、舵机和气瓶；当跌倒对象跌倒时，所述舵机接收所述中央处理单元mcu发出的控制信号后刺开所述气瓶，所述气瓶对所述安全气囊充气。

进一步的，所述气瓶内装有一定体积的压缩空气作为气源，所述气瓶和所述安全气囊通过电动气阀装置连接。

本发明提供的该智能可穿戴式防跌预警衣，通过装置基于三轴加速度计传感器，采用基于加速度阈值的预警检测算法，能够对跌倒进行有效地检测，并能够在检测到老人摔倒过程中打开保护气囊，使老人的的身体不受到伤害，实现真正意义的智慧养老。本发明的创新点如下：

(1)将三轴加速度计传感器用于智慧养老系统中，实现对跌倒的检测。

(2)采用基于加速度阈值的预警算法，提高跌倒检测的准确性。

(3)设计了一套跌倒防护装置，保护了老人的身体安全。

附图说明

图1是本发明实施例提供的跌倒预警系统和保护系统的工作流程图；

图2是本发明实施例提供的跌倒预警系统的系统结构图；

图3是本发明实施例提供的三轴加速度计传感器与单片机通过i2c总线相连的示意图；

图4是本发明实施例提供的三轴加速度计的输出轴向示意图；

图5是本发明实施例提供的基于加速度阈值的跌倒预警算法流程图；

图6是本发明实施例提供的设计流程图；

图7是本发明实施例提供的人体的重心位置的坐标系示意图；

图8是本发明实施例提供的人体跑步受力模型示意图；

图9是本发明实施例提供的人体下楼过程受力分析示意图；

图10是本发明实施例提供的人体人体跌倒过程示意图；

图11是本发明实施例提供的人体跌倒过程受力曲线图。

图12是本发明实施例提供的人体跌倒仿真的过程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种智能可穿戴式防跌预警衣，该智能可穿戴式防跌预警衣包括预警衣本体，预警衣本体上装有跌倒预警系统和保护系统。其中，跌倒预警系统包括，传感器，本实施例中的传感器为三轴加速度计，采用的型号为adxl345，该三轴加速度计是一款小巧纤薄的低功耗三轴加速度计，可以对高达±16g的加速度进行高分辨率(13位)测量。该三轴加速度计非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。它具有高分辨率(4mg/lsb)，能够测量约0.25°的倾角变化。如图2所示，图2是本发明提供的跌倒预警系统的系统结构图，传感器与中央处理单元mcu、电源模块、存储器和数据输出模块共同构成跌倒预警系统。三轴加速度计测量对象的加速度矢量；mcu负责处理三轴加速度计传递过来的数据，并将其存入到存储器当中；该存储器为可掉电存储器，可以掉电存储一段时间的实验数据；数据输出模块通过中央处理单元mcu读取存储器的数据；电源模块用来为跌倒预警系统提供电源。中央处理单元mcu选用嵌入式芯片型号为msp430f149系列的单片机，该单片机为16位flash型低功耗单片机，其工作电压为1.8v～3.6v，工作电流在400μa至0.1μa之间，并且，该单片机上设置有看门狗、定时器、比较器、乘法器、a/d转换模块，其i/o口为48个，具有极强的拓展性。单片机还设置有flash程序存储器，开发极为简便。三轴加速度计与单片机通过i2c总线连接，如图3表示，图3是本发明提供的三轴加速度计传感器与单片机通过i2c总线相连的示意图。

在本实施例中，保护系统包括保护装置和无线定位报警装置。其中，保护装置包括安全气囊、舵机和气瓶，保护装置用于对跌倒对象进行保护，当跌倒对象跌倒时，舵机接收中央处理单元mcu发出的控制信号后刺开气瓶，气瓶对安全气囊充气。气瓶内装有一定体积的压缩空气作为气源，气瓶和安全气囊通过电动气阀装置连接。采用安全气囊来对跌倒进行保护。通过中央处理单元mcu对采集的人体姿态信息进行实时分析和处理，依据跌倒判断的算法，判断人体是否将要跌倒，当检测到人体跌倒不可避免时，中央处理单元mcu发出控制信号，控制舵机刺开气瓶对气囊进行充气，在人体触地之前，要在人体和地面之间形成一层缓冲，达到保护人体的目的。气瓶采用一定体积的压缩气体作为气源，当接收到中央处理单元mcu发出的启动信号后，就启动电动气阀装置，连通气瓶的气源与气囊，在最快的时间里把气体充进气囊，在向气囊充满气体前，无线定位报警装置用于定位跌倒对象的位置，并发出预警。如图1所示，图1是本发明提供的跌倒预警系统和保护系统的工作流程图。

在本发明中，采用三轴加速度计作为数据采集的传感器，并基于加速度阈值的检测算法作为跌倒预警系统的预警算法。本实施例中选取的三轴加速度计在静止状态下的各轴输出不全为0。它的各个输出轴向如图4所示，图4是本发明提供的三轴加速度计的输出轴向示意图。在静止状态下，x、y、z方向与那一轴的重力加速度方向相反，则该轴的输出为1g，其它两轴输出为0；与重力加速度同向，则该轴输出为-1g，其它两轴输出为0。确定参考虑，首先定义特征量svm，用来表示合加速度向量的大小，即：式中axayaz分别表示加速度计x、y、z三个轴向的输出。svm是三轴的合加速度矢量的幅值，它的大小与人体速度变化的剧烈程度有关，而与运动的方向无关。在一些非常缓慢的动作中尽管角度有较大的变化，但是svm变化却不大，这充分说明了svm是一个非常理想的参考物理量。为了提高跌倒检测的准确性，该算法分别从加速度阈值、时间阈值和均值阈值三个环节进行算法设计。

环节一：加速度阈值判断

根据svm的曲线特点，理想状态下人体在站立或者静止状态下svm的数值为1。由于采用的传感器的灵敏度为0.0156g/lsb，所以输出不可能保证毫无偏差，实际上通过调整传感器的各轴的偏差，传感器在静止状态下输出可以在1.01g左右。人在跌倒时由于受到重力的影响，重心失去控制，示重小于体重，符合失重的特点。所以如果svm＜1，则认为人体是处于失重状态，svm数值越小说明人体失重的程度越严重。设定阈值g＝1，如果有svm＜g，则进入下一环节进行下一步判断。

环节二：时间阈值判断

失重并不是跌倒所特有的，在坐下、下楼等活动状态下也会出现失重的阶段。通过实验分析发现，人体各种活动状态下都会出现svm＜1的情形，实际上都可以认为是短暂的失重状态。但是与跌倒相比它们失重的时间很短暂，这是由于在人体的正常活动过程中外力及时的介入，使得人体很快恢复平衡，不会长时间的处于失重的状态，而人体跌倒的时间一般是在1s-4s，相对来说是比较长的。

通过实验测得，跌倒过程中比较明显的失重状态大约持续0.4s～0.8s左右，而走路的失重过程大约为0.3s，跑步0.2s，上下楼0.3s，坐下与蹲下均为0.5s。在这里设定时间阈值tc＝0.35s。如果失重的时间超过0.35s，则认为是跌倒的可疑点，这样的阈值设定在理论上是可以过滤掉大部分的非跌倒状态的。

环节三：均值阈值判断

通过对实验数据的分析，发现跌倒的失重幅度比起除跑步之外的其他几种运动状态要大的多，但环节一、二并不能反映这种差距。tc是一个判别的可移动时间窗口，在该窗口时间内svm的均值me可以反映失重的剧烈程度，而且计算要相对简单。这里设定均值me的阈值av＝0.8，当tc时间内的svm均值me小于av时，则认定摔倒事件发生。加入环节三之后，前、后的跌倒姿态都可以被有效的检测出来。

如图5所示，图5是本发明提供的基于加速度阈值的跌倒预警算法流程图。其中svm表示整体加速度，g表示加速度的阈值，t表示满足svm小于g的时间长度，tc表示时间阈值，me表示在tc时间内整体加速度的均值，av表示加速度均值me的阈值。

本发明采用理论分析，软件模拟仿真和实验相结合的方法进行研究，预警算法主要通过理论分析和软件模拟仿真进行研究，保护装置及相关预警硬件设计主要通过实验进行研究。实施的技术路线主要从三轴加速度传感器信息采集、预警算法的设计与实现和保护装置的设计三部分进行。最终针对智能养老的功能需求，提供多项服务功能。

从以下几个方面进行详细说明：

(1)从动力学角度介绍跌倒与各种adl(activitiesofdailyliving)活动的特点，并作出了在主要受力方向上的受力变化曲线，随后通过lifemod软件对人体的跌倒和走路进行了软件建模和仿真。

常见的adl活动有很多，容易造成跌倒或者和跌倒动作剧烈程度相接近的活动有走路、跑步、上楼、下楼、坐下、蹲下等。把握跌倒fall与日常活动adl之间的区别，从动力学角度来分析一下各个模式的特点。首先建立起受力分析的坐标系，坐标系的原点设在人体的重心位置，如图7所示，图7是本发明实施例提供的人体的重心位置的坐标系示意图。对人体各种正常活动模式进行受力分析，如图8所示，图8是本发明实施例提供的人体跑步受力模型示意图。对人跑步活动建立模拟进行分析。如图9所示，图9是本发明实施例提供的人体下楼过程受力分析示意图，对人体下楼活动建立模型进行受力分析。如图10所示，图10是本发明实施例提供的人体人体跌倒过程示意图。如图11所示，图11是本发明实施例提供的人体跌倒过程受力曲线图。

(2)确定方案，并且开展一系列的实验，采集到了各种模式下的人体加速度数据；建立好模型之后对人体进行模拟跌倒动作仿真。在跌倒仿真过程中发现，人体在不受外力的情况下会自然向后倒，而向前、左、右等方向摔倒则需要添加不同方向的载荷，所以这里主要对向后摔倒进行了仿真，仿真的过程如图12所示。通过仿真可得到加速度变化曲线。

(3)对实验数据进行分析，提出了基于阈值的检测算法，然后用计算器软件matlab进行了仿真和验证。

通过实验所得到的加速度数据，建立基于加速度的阈值检测算法，需考虑因素如下：

1)算法的参考物理量选择人体重心位置的加速度。

2)算法的判断时间段是在人体的失重阶段。只有在冲击产生之前的失重阶段对跌倒的趋势做出准确的判断，才能够做到对跌倒的预警。

3)算法可以从两方面设定阈值，即失重的持续时间以及失重的幅度。在跌倒模式下，失重的持续时间和失重的幅度要远大于其他的adl活动，从这两方面设定阈值是加速度阈值算法的一个突破口。

(4)建立防跌倒预警保护的硬件和软件系统，并对该系统进行实验的验证。

在本实施例中，如图6所示，图6是本发明实施例提供的设计流程图。首先对单片机上电复位，并关闭看门狗，然后初始化输入端口，设定加速度阈值、时间阈值以及均值阈值三个阈值变量，并根据输入更改阈值，再经过初始化输出端口和传感器后，读取传感器检测到的信号，进行上述阈值判断后，确认跌倒发生，设置的无线定位报警装置报警，定位跌倒对象的位置，同时安全气囊充气，最后安全气囊放气结束流程。

综上所述，本发明提供的该智能可穿戴式防跌预警衣，通过装置基于三轴加速度计传感器，采用基于加速度阈值的预警检测算法，能够对跌倒进行有效地检测，并能够在检测到老人摔倒过程中打开保护气囊，使老人的的身体不受到伤害，实现真正意义的智慧养老。本发明的创新点如下：

(1)将三轴加速度计传感器用于智慧养老系统中，实现对跌倒的检测。

(2)采用基于加速度阈值的预警算法，提高跌倒检测的准确性。

(3)设计了一套跌倒防护装置，保护了老人的身体安全。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。