智能安全保護(hù)背包系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

雷月圓,李瀟陽(yáng),郭曉旭

(北京經(jīng)濟(jì)管理職業(yè)學(xué)院,北京 100102)

0 引言

根據(jù)我國(guó)當(dāng)前的統(tǒng)計(jì)調(diào)查,老年人發(fā)生意外事件的概率是:跌傷的發(fā)生率為28.9%,碰撞受傷發(fā)生率為5.3%等[1]。但在現(xiàn)有的安全檢測(cè)系統(tǒng)中,僅在出現(xiàn)危險(xiǎn)后進(jìn)行事故處理,尋找他人協(xié)助與救護(hù),并沒有對(duì)老人進(jìn)行真實(shí)的安全保護(hù)[2]。本文進(jìn)行了防范危險(xiǎn)、檢測(cè)危險(xiǎn)、處理危險(xiǎn)的研究,設(shè)計(jì)了一款可穿戴的安全背包,對(duì)環(huán)境、健康、身體姿態(tài)等全方面進(jìn)行檢測(cè)和防護(hù)。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

本文所設(shè)計(jì)的安全背包是為了檢測(cè)老人周圍環(huán)境及身體安全是否存在危險(xiǎn),處理老人發(fā)生的危險(xiǎn)。

利用超聲波在空氣中傳播遇到障礙物返回的原理,本文設(shè)計(jì)采用了超聲波測(cè)距的技術(shù),一旦檢測(cè)到有障礙物靠近時(shí),系統(tǒng)會(huì)開啟蜂鳴器報(bào)警聲,提示老人遠(yuǎn)離危險(xiǎn)以及避免他人惡意靠近并撞倒老人。在老人快摔倒時(shí),采用姿態(tài)DMP融合算法,計(jì)算出老人是否處于偏離正常站立角度。若檢測(cè)出老人處于失重、偏離狀態(tài),立即彈出安全氣囊,避免老人與地面或者其他危險(xiǎn)物體接觸。彈出氣囊保護(hù)老人后,通過藍(lán)牙、WiFi遠(yuǎn)程操控技術(shù),把老人出現(xiàn)的情況第一時(shí)間告訴在外工作的老人家屬。同時(shí),結(jié)合醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域的溫度、心率量,掌握老人每日的身體健康情況。本文的系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的老人安全背包由8個(gè)基本模塊、3個(gè)較復(fù)雜模塊和3個(gè)高級(jí)模塊組成。

2.1 基本模塊

基本模塊包含溫度傳感器、心率傳感器、超聲波傳感器、觸摸傳感器、OLED 屏幕、電機(jī)模塊、彩燈、蜂鳴器。溫度心率檢測(cè)流程如圖2所示。

圖2 溫度心率檢測(cè)流程

溫度傳感器Sensor-Temp&HumS2采用的規(guī)格是:電壓為3.3 V,溫度工作范圍為-40~125 ℃,分辨率精確到0.1 ℃,尺寸大小為23.5 mm×13 mm。在室溫狀態(tài)下,溫度改變率較小,人體接近,變化的趨勢(shì)較明顯,數(shù)據(jù)刷新速度較快,可以實(shí)時(shí)掌握人體體溫。

心率傳感器Sensor-Pulse采用的規(guī)格是:電壓在3.3~5 V,最大可6 V,輸出電壓有高電平5 V和低電平0 V兩種;工作電流為15 uA;工作溫度在-20~85 ℃;使用SON7015傳感器,超低功耗,耗電為0.2 mA。皮膚貼近傳感器后,信號(hào)傳輸?shù)臄?shù)字會(huì)隨血液的變化而變化,從而精準(zhǔn)測(cè)出人體心率指數(shù)。

使用的超聲波傳感器工作頻率一般為40~45 kHz和23~25 kHz,有主要兩種規(guī)格:T/R-40-16,T/R-40-12[3](其中T表示發(fā)送,R表示接收,40表示頻率為40 kHz,16及12表示其外徑尺寸,以毫米計(jì))。距離分辨率為1 mm,能準(zhǔn)確地檢測(cè)到障礙物靠近。

觸摸傳感器采用電壓為5 V,23.5 mm×13 mm的規(guī)格,默認(rèn)信號(hào)為1,按下為0[4]。 本文用于密碼解鎖,設(shè)定每個(gè)單片觸摸傳感器為特定的數(shù)字,正確的觸摸這些傳感器,輸入相對(duì)應(yīng)的密碼才可正確無誤地啟動(dòng)安全背包。

彩燈與蜂鳴器的嵌入,可以有效地降低有危險(xiǎn)性的人或動(dòng)物接近老人,從隔離危險(xiǎn)入手,為老人的人身安全提供了很大的保護(hù)作用。也可在老人出現(xiàn)摔倒、撞到、迷路等情況時(shí),實(shí)現(xiàn)原地報(bào)警作用,尋求外界幫助。為出現(xiàn)危險(xiǎn)的后續(xù)做出了保障,不遺漏任何保護(hù)措施步驟。

2.2 復(fù)雜模塊

復(fù)雜模塊有:DMP模塊、姿態(tài)模塊、時(shí)鐘模塊。姿態(tài)DMP融合算法的流程如圖3所示。

圖3 姿態(tài)DMP融合算法流程

姿態(tài)mCookie-Motion模塊集成了3種傳感器,分別是三軸加速度、三軸陀螺儀傳感器(兩者統(tǒng)稱MPU6050)、數(shù)字氣壓傳感器(BMP180)[5]。姿態(tài)模塊把三軸加速度、角速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度融合成四元數(shù),再把四元數(shù)轉(zhuǎn)化為歐拉角,最后把Yaw偏航角、Pitch俯仰角和Roll滾動(dòng)角(三角統(tǒng)稱歐拉角)作為控制量輸送到所有電機(jī),達(dá)到控制姿態(tài)的目的

MPU6X00芯片自身帶有DMP解算功能,其中計(jì)算有一部分是利用IMU自身的資源。結(jié)合姿態(tài)模塊,當(dāng)識(shí)別到人體姿態(tài)出現(xiàn)與正常站立姿態(tài)在一定范圍內(nèi)偏差過大,則判定為即將摔倒傾向,立即發(fā)送信號(hào)至氣囊裝置?？刂茪饽业难b置則會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行一些處理,在短暫的0.05 s之內(nèi)迅速引爆安全氣囊的點(diǎn)火器,將氣瓶中的固態(tài)疊氮化鈉碰撞,生成大量氮?dú)庵翚饽抑衃6]。 大量的氣體對(duì)氣囊填充,形成一個(gè)包裹型氣墊,將用戶緊緊裹在其中,尤其是頭部、胸部等關(guān)鍵部位保護(hù)[7]。 當(dāng)檢測(cè)到用戶撞擊到氣囊之上,氣囊里面的氮?dú)鈩t會(huì)因?yàn)榭傮w積變小,壓力變大的原因使其從氣囊的排氣孔緩慢排出,從而使得氣囊不會(huì)因?yàn)闅怏w太滿,導(dǎo)致氣囊過硬,令用戶擁有較柔和的接觸感。

時(shí)鐘模塊可精確到年、月、星期、日、時(shí)、分、秒,結(jié)合OLED顯示屏為用戶提供了精確的時(shí)間信息。OLED顯示屏不僅可以顯示時(shí)間、溫度、心率等,還有最重要的顯示信息——監(jiān)護(hù)人信息。為防止老人外出走失,或者遇到其他危險(xiǎn)情況,路人或警察需緊急聯(lián)系監(jiān)護(hù)人,即可通過OLED顯示屏上的聯(lián)系人姓名電話和家庭住址。

2.3 高級(jí)模塊

(1)WiFi模塊采用串口通信,可連接互聯(lián)網(wǎng),可結(jié)合BLynk實(shí)現(xiàn)手機(jī)和mCookie互聯(lián)。所采用芯片是ESP8266,獲取設(shè)備ID和Secure Token即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)至手機(jī)。目前的WiFi模塊還不能使用5G網(wǎng)絡(luò),且使用的3.3 V電源的核心波特率不能高于57 600。本文設(shè)計(jì)采用的波特率為9 600,否則無法實(shí)現(xiàn)連接狀態(tài)。

(2)藍(lán)牙模塊支持iBecons模式和藍(lán)牙相應(yīng)傳輸協(xié)議與CoreUSB核心模塊通過串口進(jìn)行通信?？蓪?shí)現(xiàn)手機(jī)端與設(shè)備端互相發(fā)送信息。手機(jī)端發(fā)送信息至藍(lán)牙模塊,設(shè)備即可通過監(jiān)聽來接受mCookie模塊發(fā)送的信息。本文設(shè)計(jì)可將檢測(cè)到的溫度心率等健康指標(biāo)通過藍(lán)牙和WiFi傳送到目標(biāo)手機(jī),也可通過目標(biāo)手機(jī)來控制彩燈的開關(guān)。

(3)NFC模塊:NFC是一種近距離無線通信技術(shù),支持Mifare Classic加密,具有移動(dòng)支付、數(shù)據(jù)傳輸和門禁等功能[8]。乘坐公交地鐵無須買票,出門無須帶鑰匙記密碼。功能較方便,收到數(shù)據(jù)可自動(dòng)回復(fù),可嵌入式應(yīng)用;工作范圍廣,空曠地區(qū)可達(dá)100 m左右。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的NFC功能,先通過串口監(jiān)視器來獲取所指定的ID卡的卡值,將其設(shè)定為固定卡值,后續(xù)刷卡,若檢測(cè)到卡值為其卡值,即可成功開啟,若不是其卡值則不會(huì)有任何反應(yīng)。NFC模塊使用的波特率可選擇115 200,但本文設(shè)計(jì)使用的是9 600。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的目的是老人穿戴上安全背包,可以在多重技術(shù)保護(hù)下?lián)碛幸粋€(gè)健康安全的生活。老人使用密碼或者NFC成功解鎖即可安心地自由活動(dòng),若解鎖失敗,系統(tǒng)會(huì)閃爍起紅燈提醒重新解鎖;如若多次解鎖失敗,系統(tǒng)則會(huì)認(rèn)定不是背包主人,通過藍(lán)牙或WiFi通知監(jiān)護(hù)人,與其確定是否為主人。正常解鎖即可開啟每日的體溫、心率等健康檢測(cè)。體溫和心率與正常情況出現(xiàn)較小差別,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)云服務(wù)中的參數(shù)對(duì)比,給予老人相適應(yīng)的解決方案,如注意保暖、多喝熱水、吃指定的藥物等。如若出現(xiàn)重大疾病等情況,系統(tǒng)會(huì)通過遠(yuǎn)程上傳數(shù)據(jù)通知監(jiān)護(hù)人。健康的體態(tài)也要注意外界事故發(fā)生,超聲波時(shí)刻檢測(cè)是否有危險(xiǎn)物靠近,若有近距離物體靠近,則會(huì)開啟警報(bào)模式,提醒對(duì)方或老人遠(yuǎn)離。檢測(cè)到障礙物加速接近,即可判斷為惡意中傷型危險(xiǎn)物,立即啟動(dòng)遠(yuǎn)程報(bào)警或通知監(jiān)護(hù)人。老人在行動(dòng)過程中出現(xiàn)失重狀態(tài)迅速展開氣囊采用急救保護(hù)裝置,并根據(jù)周圍是否有人、是否能尋求到幫助,來選擇就近報(bào)警尋求幫助或遠(yuǎn)程報(bào)警,且遠(yuǎn)程上傳實(shí)時(shí)定位及老人身體情況。若無危險(xiǎn),系統(tǒng)會(huì)一直循環(huán)排除危險(xiǎn),為老人構(gòu)建健康生活。系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程

4 結(jié)語

本文采用先進(jìn)智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)老人的安全保障,老人可正常穿戴安全背包,與其他背包無差別,使用的是輕便、功率高的硬件。正常情況下,DMP姿態(tài)融合算法不會(huì)觸發(fā)安全氣囊的彈出;通過加密的NFC卡值,他人無法盜刷啟動(dòng)背包;危險(xiǎn)人物或者障礙物靠近時(shí),超聲波測(cè)距會(huì)精確檢測(cè)距離發(fā)出警告;溫度、心率等健康指標(biāo),無須特意檢測(cè),背包與人體接觸,即可掌握信息并傳輸給家屬。為老人的生活、出行,提供了巨大的安全保障,全方面保護(hù)老人。