CN102446392A

CN102446392A - 基于步行发电的便携式无线摔倒监护系统

Info

Publication number: CN102446392A
Application number: CN2011102986505A
Authority: CN
Inventors: 牛金海; 徐舜和; 古家玮
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-05-09

Abstract

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于步行发电的便携式无线摔倒监测及报警系统，包括：能量采集与存储模块，用于通过步行来采集并存储电能；加速度传感器，用于采集肢体的三维加速度信息；中央处理器，用于接收加速度传感器输入的信息，根据信息判断人体是否摔倒；定位系统，用于与中央处理器相连接，当人体被判断为摔倒时，记录摔倒的位置；无线模块，用于发送摔倒的位置；无线终端，用于接收无线模块发送的信号。其采用人体能发电，系统集成度高功耗低，因而能极大地满足医院和家庭医疗监护的要求。

Description

基于步行发电的便携式无线摔倒监护系统

技术领域

本发明涉及一种生物医学工程技术领域的医疗监护系统，具体涉及一种基于步行发电的便携式无线摔倒监测报警系统。

背景技术

随着中国逐步进入老龄化社会，老年人的健康问题越来越多，其中意外摔倒问题日益凸显。据报道，意外摔倒是65岁以上人群主要的健康威胁以及死亡原因。在因摔倒而需要医疗护理的人群中，65岁及以上的占到超过30％，而因摔倒致死的人群中，40％是80岁以上的老者。在超过85岁的人群中，2/3的意外摔倒直接导致死亡。同时报告显示，在老年之家和养老院中，66％的居民每年至少会有一次意外摔倒。而这并不包括未报告的情况，因此这个数字还是可能被低估的。可见，预防摔倒是非常重要的，但一旦发生时，及时的医疗救护也很重要。因而设计一种摔倒监测报警系统，对患者进行实时监测显得尤为重要。目前对于监测老年人摔倒的监测装备在临床上应用还不是非常普遍，而且很多的设备使用的技术偏落后。然而随着计算机技术和微电子技术的发展，人们对于电子设备的要求更高，如要求设备轻便、微小、功耗低、能源无污染、安全等问题。而现在较多的设备功耗都较大、依赖于原电池供电、且体积较大。

通过对现在技术文献的检索发现，专利申请号为200910145045.7的中国专利，专利名称为《一种人体摔倒自动检测并报警的装置及其信息处理方法》，及专利申请号为200910116653.5，专利名称为《一种人体摔倒自动检测报警系统及其信息处理方法》，这两项专利的系统都包括一个中央处理系统、摔倒信号采集系统，和无线发射系统。由于该系统要处理和收集的信息较多，而且传统电池供电，设备不够轻便同时电池需要更换充电，不符合环保要求，同时该设备功耗相对较大，而利用新型能源供电体积轻便的摔倒监测报警系统目前尚属空白。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于步行发电的便携式无线摔倒监测及报警系统，其采用人体能发电，系统集成度高功耗低，因而能极大地满足医院和家庭医疗监护的要求。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于步行发电的无线监测报警装置，包括：

能量采集与存储模块，用于通过步行来采集并存储电能；

加速度传感器，用于采集肢体的三维加速度信息；

中央处理器，用于接收加速度传感器输入的信息，根据信息判断人体是否摔倒；

定位系统，用于与中央处理器相连接，当人体被判断为摔倒时，记录摔倒的位置；

无线模块，用于发送摔倒的位置；

无线终端，用于接收无线模块发送的信号。

进一步地，本发明还包括一报警系统，用于与中央处理器相连接，当人体被判断摔倒时，发出呼救声音。

进一步地，所述的能量采集与存储模块采用了PZT和PVDF两种材料，集成到一个鞋底套上，通过人行走时脚尖和脚跟对材料的挤压来产生电压。

进一步地，所述的中央处理器包括一摔倒识别模块，其接收加速度传感器输入的信息，根据信息通过运算判断人体是否摔倒，若信号量超过预先设定阀值，则判定为摔倒。

进一步地，所述的中央处理器还包括：

运算放大器、对加速度传感器进来的信号进行放大；

AD转换器、进行信号转换；

MAC模块，进行运算，并将运算结果传给摔倒识别模块。

进一步地，所述的定位系统采用GPS定位或者使用摄像头记录环境信息来定位。

进一步地，所述的无线模块采用手机网络协议，通过GSM/GPRS网络将摔倒位置发送给无线终端。

与现有技术相比，该发明的优点表现如下：

1、能源环保，该装置通过人体行走供能，因而免去了更换电池的麻烦，节省买电池的成本，而且环保。由于人体在行走的时间是很多的，因而由此产生的电足够设备的供应。

2、功耗低，该发明采用的微处理器属于低功耗型的处理器，处理器能实时根据工作状态与否来进行调节，进入省电模式或者睡眠模式，极大地减小了设备的功耗。

3、体积小，重量轻。由于本设计集成度都很高，且每个部件都很微小，所以整个设备轻小便携，在使用过程中并不会给使用者带来不适。

4、监测正确率高。本发明在判断收集的信号准确率高。另外，判定为摔倒信号后，系统既可以启动报警系统，发出求救信号，还可以将摔倒信息与摔倒地点及时传输给医生或者亲人等，使得患者可以第一时间得到最好的救助。

附图说明

图1系统设计总结构图

图2基于PZT和PVDF材料的应用模型

图3能量收集与存储系统电路设计

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

从图1的系统总图知道，本发明的一种基于步行发电的无线监测报警装置，包括：

能量采集与存储模块，用于通过步行来采集并存储电能；

加速度传感器，用于采集肢体的三维加速度信息；

无线模块，用于发送摔倒的位置；

无线终端，用于接收无线模块发送的信号。

所述的能量采集与存储模块包括电荷产生和电荷的收集存储。这里电荷的产生可以利用压电陶瓷(PZT)和PVDF薄膜两种材料，集成到一个超薄鞋套上，如图2模型所示，当行走的重心在脚跟时，由于PZT材料被挤压而产生电荷，而当脚跟抬起脚尖受力时，PVDF受压产生电荷，两种产生电荷的方式交替进行。由于这里产生的电能是短暂微量的，无法供应设备工作，因而必须设计相应的电源控制电路来存储电能，并使得电能稳压输出。一个典型的电源控制电路通常包括整流桥、电容滤波、稳压芯片等几大部件，这里采用了Linear公司的芯片LTC3588-1为核心设计控制电路，该芯片集成上述的功能，通过外接部件可以很容易实现能量的收集与存储，电路如图3所示。

加速度传感电器，其作用在于采集人体肢体的三轴加速度等信息以用于判断是否摔倒。该加速度传感器与其它工作模块集成到一起，安装在鞋跟部或者人体躯干上。人体在正常行走的时候，三轴加速度保持在一个相对恒定范围值内，当人体突然摔倒时，加速度传感器记录的三轴信息发生极大的改变。信号转换后被传输到中央处理器中。利用预先设定的摔倒识别模块对其进行检测判断，若信号量超过预先设定阀值，则判定为摔倒。

加速度传感器选型：这里采用飞思卡尔(Freescale)的MMA7260Q三轴加速度计。MMA7260Q属于低成本微型电容式加速度传感器，采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并且提供4个量程，4个灵敏度。该器件带有低通滤波并已做零g补偿。该加速度计利用其感受重力加速度在传感器三自由度上的大小，测量肢体所处倾斜角的大小，来判断是否摔倒。

中央处理器，其作用是控制包括加速度传感器、定位系统、报警系统、无线发射等在内的整个系统。微处理器控制加速度传感器信号的输入，再对信号滤波和AD转换，然后控制摔倒识别模块，若信号超过阀值，则启动报警系统，这里的报警系统通过外设连接上一个小喇叭，由该小喇叭发出求救信号，同时系统也将信号通过无线收发器发送出去。中央处理器选型：可以采用飞思卡尔的56F8013DSC或者TI公司的MSP430、CC430等。

无线模块，该模块可以采用手机网络协议发射信号，以实现信息的第一时间传输与接收。无线模块可以采用飞思卡尔的射频收发器MC13192，该模块功耗也较低。

无线终端，发射出去的信号也可以根据使用者不同的环境设置不同的接收终端。如果使用者的活动空间主要是家里或者其他固定场所，则可以在该区域设置无线接收设备，并把该设备联通互联网。监测系统在发出摔倒信号后，由该区域内的无线设备在接收，并马上将摔倒信息通过互联网、手机通知亲人或者医生等，以采取相应措施，这样设置可以极大降低设备的功耗。

本实施例具有如下的优点：

1、通常的医疗监护装置都是由电池供电或者电网交流电供电，这样使得电能的利用不环保，且更换电池需要耗费较大的成本，若使用有线交流电则会使设备便携性不够。而本系统采用步行时对地压力发电，这样的能源清洁环保，取之不尽，几乎不耗费成本。

2、通常的监测设备体积较大，不便携带。而本系统的设备集成度非常高，可以设计得非常微小，使用起来很方便。

3、通常的监测设备的终端只是收集一些信息存储起来供诊断参考而已，并没有实时地监控。而本系统不仅包括了摔倒呼救功能，同时还包含了无线收发装置，它可以根据使用者的环境不同设置不同收发装置。如可以直接设置GSM收发协议，把摔倒信号和位置信息及时得发送到亲人或者医生的手机上。综上所述，可以发现基于步行发电的无线监测报警系统有很多明显的优点，有很广阔的市场，未来的发展前景十分可观。

Claims

1.一种基于步行发电的无线监测报警装置，其特征在于，包括：

能量采集与存储模块，用于通过步行来采集并存储电能；

加速度传感器，用于采集肢体的三维加速度信息；

无线模块，用于发送摔倒的位置；

无线终端，用于接收无线模块发送的信号。

2.根据权利要求1所述的基于步行发电的无线监测报警装置，其特征在于，该装置还包括：

报警系统，用于与中央处理器相连接，当人体被判断摔倒时，发出呼救声音。

3.根据权利要求1或2所述的基于步行发电的无线监测报警装置，其特征在于，所述的能量采集与存储模块采用了PZT和PVDF两种材料，集成到一个鞋底套上，通过人行走时脚尖和脚跟对材料的挤压来产生电压。

4.根据权利要求3所述的基于步行发电的无线监测报警装置，其特征在于，所述的能量与存储模块包括一电源控制电路，所述电源控制电路为Linear公司的芯片LTC3588-1。

5.根据权利要求1或2所述的基于步行发电的无线监测报警装置，其特征在于，所述的加速度传感器为飞思卡尔公司的MMA7260Q三轴加速度计。

6.根据权利要求1或2所述的基于步行发电的无线监测报警装置，其特征在于，所述的中央处理器包括一摔倒识别模块，其接收加速度传感器输入的信息，根据信息通过运算判断人体是否摔倒，若信号量超过预先设定阀值，则判定为摔倒。

7.根据权利要求6所述的基于步行发电的无线监测报警装置，其特征在于，所述的中央处理器还包括：

运算放大器、对加速度传感器进来的信号进行放大；

AD转换器、进行信号转换；

MAC模块，进行运算，并将运算结果传给摔倒识别模块。

8.根据权利要求1或2所述的基于步行发电的无线监测报警装置，其特征在于，所述的定位系统采用GPS定位或者使用摄像头记录环境信息来定位。

9.根据权利要求1或2所述的基于步行发电的无线监测报警装置，其特征在于，所述的无线模块采用手机网络协议，通过GSM/GPRS网络将摔倒位置发送给无线终端。

10.根据权利要求1或2所述的基于步行发电的无线监测报警装置，其特征在于，所述的中央处理器采用飞思卡尔的56F8013DSC或者TI公司的MSP430、CC4.30。