基于陀螺儀的微型防摔傳感器手杖設計

張浩

摘要：為了便于對空巢老人進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)無人化健康管理，文章提出了手杖的設計方案。當老人借助手杖運動時，手杖可以幫助老人調節(jié)身體平衡，防止摔倒。首先將微機械陀螺儀置于機械智能手杖中，其次通過結合加速度傳感器、地磁傳感器和單片機技術，將機械裝置、驅動部件、電控系統(tǒng)構成一個具有特定功能的完整系統(tǒng)，最終實現(xiàn)對老人的實時監(jiān)控和無人化健康管理。

關鍵詞：微機械陀螺儀；智能防摔手杖；GPS

1.背景技術

隨著社會老齡化程度的加深，空巢老人越來越多，已經(jīng)成為一個不容忽視的社會問題，年齡的增長，老人身體機能漸漸衰退，身體平衡能力降低，極大威脅老人生命安全。因而將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到空巢老人的助立甚為重要。物聯(lián)網(wǎng)技術的特點包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化，是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的重要技術。本設計的意義有：第一，便于對空巢老人監(jiān)控，實現(xiàn)無人化健康管理；第二，當老人借助拐杖運動時可以幫助老人調節(jié)身體平衡防止其摔倒。

2.工作原理及性能分析

工作原理：物體的平衡問題是物理學中一大類問題，物體在重力和支持力下的平衡又可分為穩(wěn)定平衡、不穩(wěn)定平衡和隨遇平衡3種。當物體稍微偏離平衡位置，若重心升高，就是穩(wěn)定平衡；當重心降低時，是不穩(wěn)定平衡；如果重心的位置不變，就是隨遇平衡。

從物理學的原理可知，重心的位置和物體的平衡之間有著密切關系，主要體現(xiàn)在兩個方面：物體的重心在豎直方向的投影只有落在物體的支撐面內或支撐點上，物體才可能保持平衡。物體的重心位置越低，物體的穩(wěn)定程度越高。

對于正常人來說，如果出現(xiàn)站立不穩(wěn)的情況，一條腿會不自覺地向后移動進行支撐防止摔倒，而這就是所謂的“backward step”原理。而對于老年人來說，由于年紀增大，動作變慢和反應逐漸遲緩，后退一步的動作往往來不及做出，他們就已經(jīng)摔倒。

利用該原理提供一種自動調節(jié)老人身體平衡的智能手杖，能夠根據(jù)老人身體平衡進行自動預警和調節(jié)，避免老人摔倒，當老人出現(xiàn)站立不穩(wěn)的情況，經(jīng)過傳感器和處理單元控制手杖向后伸縮，增大老人的支撐面。

傳感器方面：微機械陀螺儀是近年來發(fā)展起來的一種新型多學科交叉的技術，微機械陀螺儀是利用科里奧利力（Coriolis Force），即旋轉物體在徑向運動時所受到的切向力。MEMS陀螺儀通常有兩個方向的可移動電容板。徑向的電容板加在震蕩電壓作用下迫使物體作徑向運動，橫向的電容板用于測量橫向科里奧利運動帶來的電容變化。由于科里奧利力與角速度為正比關系，因此可由電容的變化計算出角速度。

首先將微機械陀螺儀置于機械智能手杖中，通過結合加速器，地磁傳感器技術和單片機技術，將機械構件、驅動部件、電控系統(tǒng)集成為一個整體單元的微型系統(tǒng)。此時微電子機械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理老人身體是否平衡的信息，還能夠通過芯片按照所獲取的信息自主地根據(jù)老人身體失衡情況采取伸縮或者折疊手杖來調節(jié)老人身體平衡。

工藝上采用微電子技術和微加工技術結合，滿足嚴格的低功耗要求，因此也適用于對外形要求極端的老人專用智能手杖，進而通過單一緊湊封裝技術，將6軸測試單元與3軸地磁傳感器結合，提高結構靈活性，滿足了手杖需求。

當老人發(fā)生意外，可以通過GPS定位，同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾CApp向家屬發(fā)出警告。本設計便于家屬第一時間知曉老人位置并在AOp上顯示心率、血壓、脈搏、體溫，為老人的安全提供必要的保障。系統(tǒng)構成如圖1所示。

3.設計方案

微型防摔傳感器：將微機械陀螺儀，加速器和地磁傳感器結合，嚴格滿足低功耗，通過單一緊湊封裝技術，將6軸測試單元與3軸地磁傳感器結合，確保設計的靈活性，有助于延長電池充電時間間隔。

醫(yī)用傳感器方案設計：設計主要針對巢老人身體平衡的監(jiān)控，防止老人摔倒，此外還可以檢測心率、血壓、脈搏以及體溫。

（1）心率傳感器：使用檢測心率的集成模擬信號處理與數(shù)字處理技術的電路模塊，輸出同步與心臟搏動的脈沖信號，具有工作電壓低、體積小、靈敏性強的特點。

（2）血壓傳感器：使用雙光學傳感器，同時檢測血壓與脈搏。

（3）體溫傳感器：采用負溫度系數(shù)的熱敏電阻作為感溫原件，通過放大電路，將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫酒?/p>

App方案設計：包含服務器和手機終端。以賬號的形式面向該App已有用戶，提供功能和服務的軟件。遵循各平臺的統(tǒng)一的界面規(guī)范，使最終設計出來的界面效果達到最理想狀態(tài)，同時適用于安卓系統(tǒng)和IOS系統(tǒng)，為群眾提供便利。

4.App功能及原理

系統(tǒng)分為兩大部分：服務器端和手機終端。服務器端包括數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)庫響應、數(shù)據(jù)生成等。手機終端包括三大模塊。

（1）位置信息模塊。位置信息模塊主要是通過GPS模塊實現(xiàn)定位，然后將定位信息按照一定的算法進行采集與存儲，并顯示周邊醫(yī)療信息。

（2）數(shù)據(jù)存儲控制模塊。實現(xiàn)信息的數(shù)據(jù)存儲和發(fā)送功能。傳感器采集并通過GPS發(fā)送的數(shù)據(jù)將被處理、存儲并顯示在手機上。發(fā)送數(shù)據(jù)到服務器方式有傳統(tǒng)的無線傳輸和發(fā)送短信兩種方式。

（3）無線通信模塊。傳感器硬件采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸至手機從而達到主動預警功能。

5.性能分析

（1）微型防摔傳感器調節(jié)老人身體平衡，避免雨，雪天氣老人出行的不便，微型傳感器采用6軸測試單元與3軸地磁傳感器結合，微機械陀螺儀是利用科里奧利力，由電容的變化反映角速度來提高手杖的靈敏度，防摔傳感器采集到信息通過芯片處理后控制機械手杖伸縮避免老人摔倒。

（2）醫(yī)用傳感器是應用于生物醫(yī)學領域的那一部分傳感器，是把人體的生理信息轉換成為與之有確定函數(shù)關系的電信息的變換裝置。它所拾取的信息是人體的生理信息，而它的輸出常以電信號來表現(xiàn)。醫(yī)用傳感器作為傳感器的一個重要分支，其設計與應用必須考慮人體因素的影響，考慮生物信號的特殊性、復雜性，考慮生物醫(yī)學傳感器的生物相容性、可靠性、安全性。傳感器對被測對象的影響要小，不會對生理活動帶來負擔，不干擾正常生理功能。

智能防摔手杖構造如圖2所示，由低功耗微處理器、存儲單元、GPS通信模塊、傳感器、電源等組成。

6.智能防摔手杖終端設計構造

智能防摔手杖終端設計構造如下。

（1）低功耗微處理器：用來控制整個終端的正常運行以及選擇通信的方式是選GPRS模塊還是衛(wèi)星通信。

（2）存儲單元：將傳感器采集的數(shù)據(jù)進行存儲并上傳到手機App。

（3）電源是由終端供電。

（4）防摔傳感器方面：靈活性強、功耗低、設備靈敏度高，通過手杖中芯片的處理控制手杖中機械結構調整老人身體平衡。

（5）生理信息測量方面：醫(yī)用傳感器體積小，靈敏度高，可以全面檢測心血管的疾病。

（6）存儲單元：用來存儲老人的基本信息和數(shù)據(jù)處理過程中需要的程序等。

（7）機械單元：通過處理器可控制手杖伸縮，調節(jié)老人的支撐面。