本發(fā)明涉及到跌倒預(yù)警防護技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及到一種智能可穿戴式防跌預(yù)警衣。

背景技術(shù)：

我國人口老齡化問題日趨嚴重。根據(jù)《中國老齡事業(yè)發(fā)展報告》，2014年底，60歲以上2.12億，占人口比例15.6％。預(yù)計2030年，60歲以上3.71億，占人口比例近25％，到2050年，我國老齡人口將達到總?cè)丝跀?shù)的三分之一。國內(nèi)一些城市建成智能養(yǎng)老物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程，該工程將區(qū)、街道(鎮(zhèn))、社區(qū)(村)、機構(gòu)四級聯(lián)網(wǎng)、標準統(tǒng)一、互聯(lián)互通的智慧養(yǎng)老系統(tǒng)，涵蓋養(yǎng)老機構(gòu)、社區(qū)居家養(yǎng)老業(yè)務(wù)管理、人事管理、財務(wù)管理、安全看護、健康醫(yī)療、家屬互動、護工輔助管理等多個子系統(tǒng)。平臺實行統(tǒng)一操作流程、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)運行，實現(xiàn)了養(yǎng)老服務(wù)管理規(guī)范化。利用無線定位報警設(shè)備、app終端、二維碼掃描、健康采集終端、各類傳感器、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等智能設(shè)備與技術(shù)，實現(xiàn)老年人家庭生活服務(wù)、緊急救助服務(wù)、安全防范報警等多種服務(wù)，滿足機構(gòu)養(yǎng)老、社區(qū)居家養(yǎng)老服務(wù)的多元需求。2015年底商洛市總?cè)丝?35.63萬人，60歲以上老年人口36.9萬人，占人口比例15.6％，人口老齡化呈現(xiàn)加劇態(tài)勢，加強養(yǎng)老服務(wù)體系建設(shè)的任務(wù)繁重而艱巨。2014年12月商洛市人民政府關(guān)于加快發(fā)展養(yǎng)老服務(wù)業(yè)的實施意見中強調(diào)，全面推進居家養(yǎng)老服務(wù)。大力發(fā)展城鄉(xiāng)社區(qū)養(yǎng)老服務(wù)。大力發(fā)展養(yǎng)老服務(wù)產(chǎn)業(yè)。到2020年，我市要全面建成以居家為基礎(chǔ)、社區(qū)為依托、機構(gòu)為支撐，功能完善、規(guī)模適度、覆蓋城鄉(xiāng)的養(yǎng)老服務(wù)體系，生活照料、醫(yī)療護理、精神慰藉、緊急救援等養(yǎng)老服務(wù)覆蓋所有居家老年人，符合標準的日間照料中心、老年人活動中心等服務(wù)設(shè)施覆蓋所有城市社區(qū)，95％以上的鎮(zhèn)和70％以上的農(nóng)村社區(qū)建立包括養(yǎng)老服務(wù)在內(nèi)的社區(qū)綜合服務(wù)設(shè)施和站點，社會養(yǎng)老床位數(shù)達到每千名老年人40張。

貫徹落實市政府《關(guān)于鼓勵和引導(dǎo)社會資本進入養(yǎng)老服務(wù)領(lǐng)域的實施意見》，充分利用區(qū)位生態(tài)優(yōu)勢，結(jié)合生態(tài)旅游、新農(nóng)村建設(shè)、特色產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進社會資本大量進入養(yǎng)老領(lǐng)域，采取公建民營和民辦公助等多種方式，興辦一批服務(wù)設(shè)施齊全、功能完備的養(yǎng)老服務(wù)機構(gòu)，滿足不同層次老年人的養(yǎng)老需求。

但目前我市的養(yǎng)老方式主要使用傳統(tǒng)的、完全依賴人工的管理和服務(wù)模式，缺乏高效的服務(wù)設(shè)備和管理手段，在提供服務(wù)的過程中容易出現(xiàn)各種各樣的問題，如突發(fā)狀況無法預(yù)警，老人走失，日常護理不到位，護理人員缺失等等。這些問題不僅使得護理對象的切身利益無法得到保障，也給社會造成了損失，帶來了諸多的社會問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種智能可穿戴式防跌預(yù)警衣，能夠?qū)崿F(xiàn)在人體軀干著地之前而發(fā)射報警信號，并打開保護裝置，并及時通知護理人員，減少發(fā)現(xiàn)時間，摔倒人員得到及時救治，實現(xiàn)老年人家庭生活服務(wù)、緊急救助服務(wù)、安全防范報警等服務(wù)，滿足機構(gòu)養(yǎng)老、社區(qū)居家養(yǎng)老服務(wù)的多元需求。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

本發(fā)明提供了一種智能可穿戴式防跌預(yù)警衣，該智能可穿戴式防跌預(yù)警衣包括：預(yù)警衣本體，所述預(yù)警衣本體上裝有跌倒預(yù)警系統(tǒng)和保護系統(tǒng)；其中，所述跌倒預(yù)警系統(tǒng)包括，

傳感器，測量跌倒對象的加速度矢量；

中央處理單元mcu，處理所述傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；

存儲器，存儲所述中央處理單元mcu處理后的數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)輸出模塊，通過所述中央處理單元mcu讀取所述存儲器的數(shù)據(jù)；

電源模塊，為所述跌倒預(yù)警系統(tǒng)提供電源；

所述保護系統(tǒng)包括保護裝置和無線定位報警裝置，所述保護裝置用于對跌倒對象進行保護，所述無線定位報警裝置用于定位跌倒對象的位置。

進一步的，所述傳感器為三軸加速度計，采用的型號為adxl345。

進一步的，所述存儲器為可掉電存儲器。

進一步的，所述中央處理單元mcu選用嵌入式芯片型號為msp430f149系列的單片機。

進一步的，所述單片機為16位flash型低功耗單片機，其工作電壓為1.8v～3.6v，工作電流在400μa至0.1μa之間。

進一步的，所述單片機上設(shè)置有看門狗、定時器、比較器、乘法器、a/d轉(zhuǎn)換模塊，其i/o口為48個。

進一步的，所述單片機還設(shè)置有flash程序存儲器。

進一步的，所述三軸加速度計與所述單片機通過i2c總線連接。

進一步的，所述保護裝置包括安全氣囊、舵機和氣瓶；當(dāng)?shù)箤ο蟮箷r，所述舵機接收所述中央處理單元mcu發(fā)出的控制信號后刺開所述氣瓶，所述氣瓶對所述安全氣囊充氣。

進一步的，所述氣瓶內(nèi)裝有一定體積的壓縮空氣作為氣源，所述氣瓶和所述安全氣囊通過電動氣閥裝置連接。

本發(fā)明提供的該智能可穿戴式防跌預(yù)警衣，通過裝置基于三軸加速度計傳感器，采用基于加速度閾值的預(yù)警檢測算法，能夠?qū)Φ惯M行有效地檢測，并能夠在檢測到老人摔倒過程中打開保護氣囊，使老人的的身體不受到傷害，實現(xiàn)真正意義的智慧養(yǎng)老。本發(fā)明的創(chuàng)新點如下：

(1)將三軸加速度計傳感器用于智慧養(yǎng)老系統(tǒng)中，實現(xiàn)對跌倒的檢測。

(2)采用基于加速度閾值的預(yù)警算法，提高跌倒檢測的準確性。

(3)設(shè)計了一套跌倒防護裝置，保護了老人的身體安全。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的跌倒預(yù)警系統(tǒng)和保護系統(tǒng)的工作流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的跌倒預(yù)警系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明實施例提供的三軸加速度計傳感器與單片機通過i2c總線相連的示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例提供的三軸加速度計的輸出軸向示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例提供的基于加速度閾值的跌倒預(yù)警算法流程圖；

圖6是本發(fā)明實施例提供的設(shè)計流程圖；

圖7是本發(fā)明實施例提供的人體的重心位置的坐標系示意圖；

圖8是本發(fā)明實施例提供的人體跑步受力模型示意圖；

圖9是本發(fā)明實施例提供的人體下樓過程受力分析示意圖；

圖10是本發(fā)明實施例提供的人體人體跌倒過程示意圖；

圖11是本發(fā)明實施例提供的人體跌倒過程受力曲線圖。

圖12是本發(fā)明實施例提供的人體跌倒仿真的過程圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明實施例提供了一種智能可穿戴式防跌預(yù)警衣，該智能可穿戴式防跌預(yù)警衣包括預(yù)警衣本體，預(yù)警衣本體上裝有跌倒預(yù)警系統(tǒng)和保護系統(tǒng)。其中，跌倒預(yù)警系統(tǒng)包括，傳感器，本實施例中的傳感器為三軸加速度計，采用的型號為adxl345，該三軸加速度計是一款小巧纖薄的低功耗三軸加速度計，可以對高達±16g的加速度進行高分辨率(13位)測量。該三軸加速度計非常適合移動設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運動或沖擊導(dǎo)致的動態(tài)加速度。它具有高分辨率(4mg/lsb)，能夠測量約0.25°的傾角變化。如圖2所示，圖2是本發(fā)明提供的跌倒預(yù)警系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，傳感器與中央處理單元mcu、電源模塊、存儲器和數(shù)據(jù)輸出模塊共同構(gòu)成跌倒預(yù)警系統(tǒng)。三軸加速度計測量對象的加速度矢量；mcu負責(zé)處理三軸加速度計傳遞過來的數(shù)據(jù)，并將其存入到存儲器當(dāng)中；該存儲器為可掉電存儲器，可以掉電存儲一段時間的實驗數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)輸出模塊通過中央處理單元mcu讀取存儲器的數(shù)據(jù)；電源模塊用來為跌倒預(yù)警系統(tǒng)提供電源。中央處理單元mcu選用嵌入式芯片型號為msp430f149系列的單片機，該單片機為16位flash型低功耗單片機，其工作電壓為1.8v～3.6v，工作電流在400μa至0.1μa之間，并且，該單片機上設(shè)置有看門狗、定時器、比較器、乘法器、a/d轉(zhuǎn)換模塊，其i/o口為48個，具有極強的拓展性。單片機還設(shè)置有flash程序存儲器，開發(fā)極為簡便。三軸加速度計與單片機通過i2c總線連接，如圖3表示，圖3是本發(fā)明提供的三軸加速度計傳感器與單片機通過i2c總線相連的示意圖。

在本實施例中，保護系統(tǒng)包括保護裝置和無線定位報警裝置。其中，保護裝置包括安全氣囊、舵機和氣瓶，保護裝置用于對跌倒對象進行保護，當(dāng)?shù)箤ο蟮箷r，舵機接收中央處理單元mcu發(fā)出的控制信號后刺開氣瓶，氣瓶對安全氣囊充氣。氣瓶內(nèi)裝有一定體積的壓縮空氣作為氣源，氣瓶和安全氣囊通過電動氣閥裝置連接。采用安全氣囊來對跌倒進行保護。通過中央處理單元mcu對采集的人體姿態(tài)信息進行實時分析和處理，依據(jù)跌倒判斷的算法，判斷人體是否將要跌倒，當(dāng)檢測到人體跌倒不可避免時，中央處理單元mcu發(fā)出控制信號，控制舵機刺開氣瓶對氣囊進行充氣，在人體觸地之前，要在人體和地面之間形成一層緩沖，達到保護人體的目的。氣瓶采用一定體積的壓縮氣體作為氣源，當(dāng)接收到中央處理單元mcu發(fā)出的啟動信號后，就啟動電動氣閥裝置，連通氣瓶的氣源與氣囊，在最快的時間里把氣體充進氣囊，在向氣囊充滿氣體前，無線定位報警裝置用于定位跌倒對象的位置，并發(fā)出預(yù)警。如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的跌倒預(yù)警系統(tǒng)和保護系統(tǒng)的工作流程圖。

在本發(fā)明中，采用三軸加速度計作為數(shù)據(jù)采集的傳感器，并基于加速度閾值的檢測算法作為跌倒預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警算法。本實施例中選取的三軸加速度計在靜止?fàn)顟B(tài)下的各軸輸出不全為0。它的各個輸出軸向如圖4所示，圖4是本發(fā)明提供的三軸加速度計的輸出軸向示意圖。在靜止?fàn)顟B(tài)下，x、y、z方向與那一軸的重力加速度方向相反，則該軸的輸出為1g，其它兩軸輸出為0；與重力加速度同向，則該軸輸出為-1g，其它兩軸輸出為0。確定參考慮，首先定義特征量svm，用來表示合加速度向量的大小，即：式中axayaz分別表示加速度計x、y、z三個軸向的輸出。svm是三軸的合加速度矢量的幅值，它的大小與人體速度變化的劇烈程度有關(guān)，而與運動的方向無關(guān)。在一些非常緩慢的動作中盡管角度有較大的變化，但是svm變化卻不大，這充分說明了svm是一個非常理想的參考物理量。為了提高跌倒檢測的準確性，該算法分別從加速度閾值、時間閾值和均值閾值三個環(huán)節(jié)進行算法設(shè)計。

環(huán)節(jié)一：加速度閾值判斷

根據(jù)svm的曲線特點，理想狀態(tài)下人體在站立或者靜止?fàn)顟B(tài)下svm的數(shù)值為1。由于采用的傳感器的靈敏度為0.0156g/lsb，所以輸出不可能保證毫無偏差，實際上通過調(diào)整傳感器的各軸的偏差，傳感器在靜止?fàn)顟B(tài)下輸出可以在1.01g左右。人在跌倒時由于受到重力的影響，重心失去控制，示重小于體重，符合失重的特點。所以如果svm＜1，則認為人體是處于失重狀態(tài)，svm數(shù)值越小說明人體失重的程度越嚴重。設(shè)定閾值g＝1，如果有svm＜g，則進入下一環(huán)節(jié)進行下一步判斷。

環(huán)節(jié)二：時間閾值判斷

失重并不是跌倒所特有的，在坐下、下樓等活動狀態(tài)下也會出現(xiàn)失重的階段。通過實驗分析發(fā)現(xiàn)，人體各種活動狀態(tài)下都會出現(xiàn)svm＜1的情形，實際上都可以認為是短暫的失重狀態(tài)。但是與跌倒相比它們失重的時間很短暫，這是由于在人體的正?；顒舆^程中外力及時的介入，使得人體很快恢復(fù)平衡，不會長時間的處于失重的狀態(tài)，而人體跌倒的時間一般是在1s-4s，相對來說是比較長的。

通過實驗測得，跌倒過程中比較明顯的失重狀態(tài)大約持續(xù)0.4s～0.8s左右，而走路的失重過程大約為0.3s，跑步0.2s，上下樓0.3s，坐下與蹲下均為0.5s。在這里設(shè)定時間閾值tc＝0.35s。如果失重的時間超過0.35s，則認為是跌倒的可疑點，這樣的閾值設(shè)定在理論上是可以過濾掉大部分的非跌倒?fàn)顟B(tài)的。

環(huán)節(jié)三：均值閾值判斷

通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)跌倒的失重幅度比起除跑步之外的其他幾種運動狀態(tài)要大的多，但環(huán)節(jié)一、二并不能反映這種差距。tc是一個判別的可移動時間窗口，在該窗口時間內(nèi)svm的均值me可以反映失重的劇烈程度，而且計算要相對簡單。這里設(shè)定均值me的閾值av＝0.8，當(dāng)tc時間內(nèi)的svm均值me小于av時，則認定摔倒事件發(fā)生。加入環(huán)節(jié)三之后，前、后的跌倒姿態(tài)都可以被有效的檢測出來。

如圖5所示，圖5是本發(fā)明提供的基于加速度閾值的跌倒預(yù)警算法流程圖。其中svm表示整體加速度，g表示加速度的閾值，t表示滿足svm小于g的時間長度，tc表示時間閾值，me表示在tc時間內(nèi)整體加速度的均值，av表示加速度均值me的閾值。

本發(fā)明采用理論分析，軟件模擬仿真和實驗相結(jié)合的方法進行研究，預(yù)警算法主要通過理論分析和軟件模擬仿真進行研究，保護裝置及相關(guān)預(yù)警硬件設(shè)計主要通過實驗進行研究。實施的技術(shù)路線主要從三軸加速度傳感器信息采集、預(yù)警算法的設(shè)計與實現(xiàn)和保護裝置的設(shè)計三部分進行。最終針對智能養(yǎng)老的功能需求，提供多項服務(wù)功能。

從以下幾個方面進行詳細說明：

(1)從動力學(xué)角度介紹跌倒與各種adl(activitiesofdailyliving)活動的特點，并作出了在主要受力方向上的受力變化曲線，隨后通過lifemod軟件對人體的跌倒和走路進行了軟件建模和仿真。

常見的adl活動有很多，容易造成跌倒或者和跌倒動作劇烈程度相接近的活動有走路、跑步、上樓、下樓、坐下、蹲下等。把握跌倒fall與日常活動adl之間的區(qū)別，從動力學(xué)角度來分析一下各個模式的特點。首先建立起受力分析的坐標系，坐標系的原點設(shè)在人體的重心位置，如圖7所示，圖7是本發(fā)明實施例提供的人體的重心位置的坐標系示意圖。對人體各種正常活動模式進行受力分析，如圖8所示，圖8是本發(fā)明實施例提供的人體跑步受力模型示意圖。對人跑步活動建立模擬進行分析。如圖9所示，圖9是本發(fā)明實施例提供的人體下樓過程受力分析示意圖，對人體下樓活動建立模型進行受力分析。如圖10所示，圖10是本發(fā)明實施例提供的人體人體跌倒過程示意圖。如圖11所示，圖11是本發(fā)明實施例提供的人體跌倒過程受力曲線圖。

(2)確定方案，并且開展一系列的實驗，采集到了各種模式下的人體加速度數(shù)據(jù)；建立好模型之后對人體進行模擬跌倒動作仿真。在跌倒仿真過程中發(fā)現(xiàn)，人體在不受外力的情況下會自然向后倒，而向前、左、右等方向摔倒則需要添加不同方向的載荷，所以這里主要對向后摔倒進行了仿真，仿真的過程如圖12所示。通過仿真可得到加速度變化曲線。

(3)對實驗數(shù)據(jù)進行分析，提出了基于閾值的檢測算法，然后用計算器軟件matlab進行了仿真和驗證。

通過實驗所得到的加速度數(shù)據(jù)，建立基于加速度的閾值檢測算法，需考慮因素如下：

1)算法的參考物理量選擇人體重心位置的加速度。

2)算法的判斷時間段是在人體的失重階段。只有在沖擊產(chǎn)生之前的失重階段對跌倒的趨勢做出準確的判斷，才能夠做到對跌倒的預(yù)警。

3)算法可以從兩方面設(shè)定閾值，即失重的持續(xù)時間以及失重的幅度。在跌倒模式下，失重的持續(xù)時間和失重的幅度要遠大于其他的adl活動，從這兩方面設(shè)定閾值是加速度閾值算法的一個突破口。

(4)建立防跌倒預(yù)警保護的硬件和軟件系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行實驗的驗證。

在本實施例中，如圖6所示，圖6是本發(fā)明實施例提供的設(shè)計流程圖。首先對單片機上電復(fù)位，并關(guān)閉看門狗，然后初始化輸入端口，設(shè)定加速度閾值、時間閾值以及均值閾值三個閾值變量，并根據(jù)輸入更改閾值，再經(jīng)過初始化輸出端口和傳感器后，讀取傳感器檢測到的信號，進行上述閾值判斷后，確認跌倒發(fā)生，設(shè)置的無線定位報警裝置報警，定位跌倒對象的位置，同時安全氣囊充氣，最后安全氣囊放氣結(jié)束流程。

綜上所述，本發(fā)明提供的該智能可穿戴式防跌預(yù)警衣，通過裝置基于三軸加速度計傳感器，采用基于加速度閾值的預(yù)警檢測算法，能夠?qū)Φ惯M行有效地檢測，并能夠在檢測到老人摔倒過程中打開保護氣囊，使老人的的身體不受到傷害，實現(xiàn)真正意義的智慧養(yǎng)老。本發(fā)明的創(chuàng)新點如下：

(1)將三軸加速度計傳感器用于智慧養(yǎng)老系統(tǒng)中，實現(xiàn)對跌倒的檢測。

(2)采用基于加速度閾值的預(yù)警算法，提高跌倒檢測的準確性。

(3)設(shè)計了一套跌倒防護裝置，保護了老人的身體安全。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。