CN106037140A - 用于居家养老的智能鞋底、鞋及摔倒判断、报警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于居家养老的智能鞋底、鞋及摔倒判断、报警方法，智能鞋底包括鞋底(1)主体、自发电与能量收集单元(2)、传感器单元(3)、MCU(4)和通信单元(5)，自发电与能量收集单元(2)包括依次连接的压电薄膜(21)、能量收集电路(22)和充电电池(23)，能量收集电路(22)收集压电薄膜(21)的电量并转换为稳定直流电压，输出给传感器单元(3)、MCU(4)和通信单元(5)，并将多余能量存储至充电电池(23)，传感器单元(3)感应智能鞋的姿态、角度加速度和鞋底压力，并将信号传输给MCU(4)，MCU(4)根据信号对智能鞋使用者进行摔倒判断。与现有技术相比，本发明具有能耗低、穿着舒适、误判率低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能家居，尤其是涉及一种用于居家养老的智能鞋底、鞋及摔倒判断、报警方法。
背景技术
目前智能鞋或智能鞋垫类产品仍处于概念产品阶段，通常通过足部压力分布对用户步姿、步数或意外摔倒等活动进行监测，也有测量体重、温度，或夜间照明等功能的设计。智能鞋或鞋垫从功能模块上通常分为三部分：电源部分、主功能部分(监测、照明等)、通信部分。
电源部分，通常有外部充电或自发电等两种类型。自发电是利用行走过程中足部对鞋底的压力，通过压电陶瓷或压力发电片将机械能转换为电能，也有利用结构复杂一些的电磁机构将机械能转换为电能的设计。
主功能部分，最常见的是使用压力传感器监测足底的压力分布，用于分析用户步姿、步数，获取运动数据，或记录意外摔倒等。也有温度监测、夜间照明、GPS定位等其他辅助功能的设计。
通信部分的功能是方便用户获取智能鞋(垫)的监测数据，通常采用无线通讯模块，如蓝牙模块、GPRS/3G模块等。
但是由于以下几方面的原因，使得智能鞋的实用化范围非常有限：
1)自发电部分的设计缺陷：压电陶瓷、压电片、电磁机构等换能元件明显影响到足底的舒适性；跟随在这些换能元件之后的能量收集电路的设计缺陷使得发电效率及输出电压达不到系统要求。
2)缺乏有实用价值的数据分析算法：目前具有实用价值的数据分析基本只限于运动数据，包括步姿步数等，用户用于掌握运动量和矫正运动姿势等。成本与使用价值不匹配：自发电、各种监测功能的传感器、以及通信模块都使得其成本相对太高而与使用价值不匹配。
中国已经开始步入老龄化社会，纯老家庭和独居老人家庭数量庞大，老年人在家里意外摔倒时经常得不到及时帮助。
申请号为2014101349170的中国专利公开了一种免维护的跌倒侦测鞋套，鞋套包括传感单元、处理控制单元、输出单元、柔性电路板和免维护电源，能快速地对受侦测人员的活动状态进行持续探测，不影响侦测对象的日常生活，当侦测到摔倒发生时会及时触发本地报警，同时也能将报警信息传送到多种手持应用终端。然而该鞋套有一定厚度，穿着时影响舒适性；鞋套质地柔软，走路时容易变形，不利于内部传感器的信号感应，影响跌倒侦测结果的准确性；电源输出不稳定。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于居家养老的智能鞋底、鞋及摔倒判断、报警方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于居家养老的智能鞋底，包括鞋底主体以及设置在主体中的自发电与能量收集单元、传感器单元、MCU和通信单元，所述的自发电与能量收集单元分别与传感器单元、MCU和通信单元连接，所述的MCU分别与传感器单元和通信单元连接，
所述的自发电与能量收集单元包括依次连接的压电薄膜、能量收集电路和充电电池，所述的能量收集电路收集压电薄膜的电量并转换为稳定直流电压，输出给传感器单元、MCU和通信单元，并将多余能量存储至充电电池，所述的传感器单元感应智能鞋的姿态、角度加速度和鞋底压力，并将信号传输给MCU，所述的MCU根据信号对智能鞋底使用者进行摔倒判断，当判断结果为摔倒时，通过通信单元向外界发送报警信号。
压电薄膜发电大于智能鞋功耗时，能量收集电路将多余电量充至充电电池；当压电薄膜发电小于智能鞋功耗时，充电电池电量回馈。
所述的压电薄膜厚度为100μm～200μm之间。
所述的能量收集电路包括依次连接的整流子电路、存储电容和稳压子电路，所述的整流子电路与压电薄膜连接，所述的稳压子电路输出稳定电压。
所述的能量收集电路内部带有能量溢出子电路，所述的能量溢出子电路包括一个与存储电容并联的齐纳二极管，当存储电容的电压超过设定值(例如20V)时，能量溢出子电路将多余电量泄放。
所述的传感器单元包括压力传感器和MEMS传感器，所述的压力传感器设置多个，分布在鞋底，所述的MEMS传感器用于姿态和角度变化检测。
所述的通信单元包括与MCU连接的UART/SPI转WIFI芯片，通信单元的电源回路带有与MCU连接的MOSFET开关。
所述的传感器单元检测到智能鞋的角度、加速度和鞋底压力均为零且保持一段时间后，MCU进入休眠状态，传感器单元检测到智能鞋的角度、加速度和鞋底压力中的任意一个由零变为非零时，MCU被唤醒。
一种带有所述的用于居家养老的智能鞋底的智能鞋，包括相互连接的鞋面和智能鞋底。
一种使用所述的用于居家养老的智能鞋底进行摔倒判断的方法，包括：MCU根据传感器单元发送的信号生成智能鞋的角度变化曲线和各点压力变化曲线，或者生成加速度变化曲线和各点压力变化曲线，得到各曲线峰值及频率正常范围，当各曲线的峰值及频率均超出正常范围达到设定程度时，判断为摔倒。
一种使用所述的用于居家养老的智能鞋底进行摔倒报警的方法，包括：正常状态下，MOSFET开关关断，MCU判断智能鞋使用者摔倒时，MCU令MOSFET开关导通，并通过UART/SPI转WIFI芯片向服务器发送报警信号。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)自发电与能量收集单元包括依次连接的压电薄膜、能量收集电路和充电电池，可以将压电薄膜产生的不规则电荷电量聚集转换为稳定的直流电压输出，作为其他部分的电源，多余的电能存储到后备电池，可实现能量回收。
(2)压电薄膜厚度为100μm～200μm之间，不影响穿着舒适性，且可满足能量收集需要。
(3)能量收集电路包括依次连接的整流子电路、存储电容和稳压子电路，整流子电路与压电薄膜连接，稳压子电路输出稳定电压，有利于智能鞋其他部件正常工作。
(4)能量收集电路内部设计有能量溢出子电路，当存储电容的电压超过设定值时，能量溢出子电路将多余电量泄放，防止步频过快时电容过压而损坏。
(5)压力传感器设置多个，分布在鞋底，能够感应到鞋底多处压力，适应不同走路习惯的人群，利于跌倒判断结果的准确性。
(6)MCU在智能鞋使用者脱下鞋后进入休眠状态，降低功耗。
(7)摔倒判断方法中，采用MEMS角度与加速度传感器或MEMS陀螺仪作为主传感器，并配以压电薄膜压力传感器，MCU根据传感器单元发送的信号生成智能鞋的角度变化波形曲线、加速度变化波形曲线和各点压力变化波形曲线，综合各曲线的峰值、频率变化情况判断使用者是否跌倒，结果可靠性高，误判率低。
(8)摔倒报警方法中，正常状态下，通信单元电源回路的MOSFET开关关断，判断为摔倒时MOSFET才导通，具有耗电低的优点，使得自发电就可以完全满足智能鞋的日常使用。
附图说明
图1为本发明鞋底的组成结构示意图；
图2为本发明智能鞋底部传感器与电路板分布示意图；
图3为本发明智能鞋底工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。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。
实施例
如图1所示，一种用于居家养老的智能鞋底，其特点是在保证舒适性和防水的前提下具备自发电、意外摔倒判别和报警的功能。包括鞋底1的主体以及设置在主体中的自发电与能量收集单元2、传感器单元3、MCU4和通信单元5，自发电与能量收集单元2分别与传感器单元3、MCU4和通信单元5连接，MCU4分别与传感器单元3和接，
自发电与能量收集单元2包括依次连接的压电薄膜21、能量收集电路22和充电电池23，能量收集电路22收集压电薄膜21的电量并转换为稳定直流电压，输出给传感器单元3、MCU4和通信单元5，并将多余能量存储至充电电池23，充电电池23为纽扣式电池，传感器单元3感应智能鞋的姿态、角度加速度和鞋底压力，并将信号传输给MCU4，MCU4根据信号对智能鞋底使用者进行摔倒判断，当判断结果为摔倒时，通过通信单元5向外界发送报警信号。
自发电与能量收集单元2采用一片面积略小于鞋底，厚度能达到100μm以上的压电薄膜作为换能元件。选取压电薄膜作为换能元件，主要原因是舒适性，但压电薄膜产生的开路电压与厚度和压力成正比，为了能产生足够高的开路电压，厚度最好能达到100μm以上。
智能鞋底无论采用什么换能元件，其电能量输出总是非常不规则的，踩下的瞬间电能量输出远高于系统平均功耗，而站立不动时又没有电能量输出，所以需要完善的能量收集电路。
采用LTC3588-1作为能量收集电路的核心芯片，并配置纽扣式可充电电池实现电能存储。所述的压电薄膜上下两面镀有金属电极，在外部压力作用下，由于压电效应，2个平面电极上产生电荷，类似于电容充电过程。但是与压力成正比的是电极上的电荷量而不是电压，所以这不是一个能产生持续电流的电压源。在人体行走过程中，随着压力的变化，2个电极上产生不规则的电荷电量聚集和变化过程，能量收集电路的作用就是将这种不规则的电量聚集并转换为稳定的直流电压，为鞋底的其它三个部分供电，并将多余能量充至纽扣式可充电锂电池。
能量收集电路22包括依次连接的整流子电路、容量比较大的电量存储电容和稳压子电路，整流子电路与压电薄膜21连接，存储电容用于平稳和存储换能元件产生的脉冲式的电量输出，其后端是稳压子电路，以存储电容为电源，对智能鞋底其他部分供电或为电池充电。
能量收集电路22内部带有能量溢出子电路，能量溢出子电路包括一个与存储电容并联的齐纳二极管，当存储电容的电压超过设定值(例如20V)时，能量溢出子电路将多余电量泄放。
齐纳二极管目的主要是泄放多余的电能量，稳压子电路，主要目的是把走动过程中产生的大幅度波动的电压调节为稳定电压输出。在绝大多数情况下，齐纳二极管都不起作用，而稳压子电路几乎一直处于工作状态。
传感器单元3包括压力传感器31和MEMS传感器32，压力传感器31设置多个，由6～8片面积较小的压电薄膜(约1cm2)分别分布于前脚掌，脚跟部以及左右两侧，左右脚各点压力分布用于意外摔倒判别的辅助确认，防止误判。MEMS传感器32用于姿态和角度变化检测，MEMS传感器32为MEMS角度与加速度传感器和/或MEMS陀螺仪。
通信单元5包括与MCU4连接的UART/SPI转WIFI芯片和外围电路，可采用CC3100。通信单元5的电源回路带有与MCU4连接的MOSFET开关。
传感器单元3检测到智能鞋的角度、加速度和鞋底压力均为零且保持一段时间后，MCU4进入休眠状态，传感器单元3检测到智能鞋的角度加速度和鞋底压力中的任意一个由零变为非零时，MCU4被唤醒。MCU4的智能核心采用超低功耗MCU，如MSP430系列，片上带有12位ADC，以及SPI接口和UART接口。ADC用于测量压力压力传感器输出的电压信号，SPI接口用于连接MEMS传感器，UART接口用于连接通信单元。
本发明的MCU4和通信单元5集成在一个电路板上，电路板带有贴片天线或PCB天线。
如图2所示，一种带有所述的智能鞋底的智能鞋，包括相互连接的鞋面和智能鞋底。
一种使用用于居家养老的智能鞋底进行摔倒判断的方法，使用软件实现意外摔倒判别算法，是以MEMS角度与加速度传感器或MEMS陀螺仪数据为主，以压电薄膜压力传感器为辅的判别算法。2种MEMS传感器可以选择性的装配其一，也可以同时装配。角度与加速度传感器测量运动过程中的角度和加速度，而陀螺仪测量的是角速度。人在正常行走过程中，角度和加速度，以及角速度都是一种近似周期性的变化模式，对不同的使用者，波形幅度和频率有所不同。当加速度，或者角速度出现一个突然远远超出正常模式的不规则波形(通常波形幅度超出正常状态时的3倍)时，或者角度数据处于异常状态而不能回复到零附近时，可初步判别为意外摔倒，此时需要双脚所有压力传感器数据作为辅助判断。如果左右脚压力分布也出现异常，如脚根部瞬时压力出现异常增大，而脚掌部压力明显小于正常状态时，则可确认为意外摔倒。但如果此时压力传感器输出接近于零或处于正常模式，则可认为是鞋子被踢飞或步速突然加快所致。对不同的人而言，波形模式是指行走过程中的压力、角度和加速度或角速度的波形幅度和频率，判别算法会在正常行走过程中不断记录和学习使用者的幅度和频率这2种特征值，以提高意外摔倒判别的准确率。
一种使用用于居家养老的智能鞋底进行摔倒报警的方法，包括：正常状态下，MOSFET开关关断，MCU4判断智能鞋使用者摔倒时，MCU4令MOSFET开关导通，将UART/SPI转WIFI芯片配置到STA模式，并使用配置好的SSID和密钥连接至家庭AP，然后将报警信息通过网络发送至服务中心的呼叫平台。
智能鞋被穿着后，工作流程如图3所示，
S1，内部电路初始化；
S2，MCU4读取传感器单元3的数据，判断穿鞋/脱鞋状态，若为脱鞋状态，则进入步骤S3，否则进入步骤S4；
本步骤中，若加速度、角速度、压力数据均为零且保持了一段时间，则判断为脱鞋状态，否则为穿鞋状态；
S3，MCU4进入深度休眠，但是不停止接收传感器单元3的信号，一旦MCU4接收到变化的信号，即加速度或压力发生变化，则MCU4立刻被唤醒，进入步骤S4；
S4，MCU4记录并分析传感器单元数据曲线，若MEMS传感器数据出现异常，即角速度或加速度数据曲线的频率、峰值等出现较大变化，超过可接受范围时，进入步骤S5，否则返回步骤S4；
S5，MCU4分析压力数据曲线，若某些点压力数据大于设定范围，而某些点压力数据小于设定范围，则判断为跌倒，进入步骤S6；否则返回步骤S4；
S6，MCU4通过通信单元5相外接发送报警信号，等待接收到确认信息后，返回步骤S1。
在工作中，MCU4还结合步骤S4～S5的数据，判断加速度、角速度、压力数据是否均为零且保持了一段时间，若是，则说明智能鞋使用者已脱鞋进入休眠状态，即返回步骤S3。
Claims (10)
1.一种用于居家养老的智能鞋底，包括鞋底(1)主体以及设置在主体中的自发电与能量收集单元(2)、传感器单元(3)、MCU(4)和通信单元(5)，所述的自发电与能量收集单元(2)分别与传感器单元(3)、MCU(4)和通信单元(5)连接，所述的MCU(4)分别与传感器单元(3)和通信单元(5)连接，
其特征在于，所述的自发电与能量收集单元(2)包括依次连接的压电薄膜(21)、能量收集电路(22)和充电电池(23)，所述的能量收集电路(22)收集压电薄膜(21)的电量并转换为稳定直流电压，输出给传感器单元(3)、MCU(4)和通信单元(5)，并将多余能量存储至充电电池(23)，所述的传感器单元(3)感应智能鞋的姿态、角度加速度和鞋底压力，并将信号传输给MCU(4)，所述的MCU(4)根据信号对智能鞋底使用者进行摔倒判断，当判断结果为摔倒时，通过通信单元(5)向外界发送报警信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于居家养老的智能鞋底，其特征在于，所述的压电薄膜(21)厚度为100μm～200μm之间。
3.根据权利要求1所述的一种用于居家养老的智能鞋底，其特征在于，所述的能量收集电路(22)包括依次连接的整流子电路、存储电容和稳压子电路，所述的整流子电路与压电薄膜(21)连接，所述的稳压子电路输出稳定电压。
4.根据权利要求3所述的一种用于居家养老的智能鞋底，其特征在于，所述的能量收集电路(22)内部带有能量溢出子电路，所述的能量溢出子电路包括一个与存储电容并联的齐纳二极管，当存储电容的电压超过设定值时，能量溢出子电路将多余电量泄放。
5.根据权利要求1所述的一种用于居家养老的智能鞋底，其特征在于，所述的传感器单元(3)包括压力传感器(31)和MEMS传感器，所述的压力传感器(31)设置多个，分布在鞋底(1)，所述的MEMS传感器用于姿态和角度变化检测。
6.根据权利要求1所述的一种用于居家养老的智能鞋底，其特征在于，所述的通信单元(5)包括与MCU(4)连接的UART/SPI转WIFI芯片，通信单元(5)的电源回路带有与MCU(4)连接的MOSFET开关。
7.根据权利要求1所述的一种用于居家养老的智能鞋底，其特征在于，所述的传感器单元(3)检测到智能鞋的角度、加速度和鞋底压力均为零且保持一段时间后，MCU(4)进入休眠状态，传感器单元(3)检测到智能鞋的角度、加速度和鞋底压力中的任意一个由零变为非零时，MCU(4)被唤醒。
8.一种带有如权利要求1～7任一所述的用于居家养老的智能鞋底的智能鞋，其特征在于，包括相互连接的鞋面和智能鞋底。
9.一种使用如权利要求5所述的用于居家养老的智能鞋底进行摔倒判断的方法，其特征在于，所述的方法包括：MCU(4)根据传感器单元(3)发送的信号生成智能鞋的角度变化曲线和各点压力变化曲线，或者生成加速度变化曲线和各点压力变化曲线，得到各曲线峰值及频率正常范围，当各曲线的峰值及频率均超出正常范围达到设定程度时，判断为摔倒。
10.一种使用如权利要求6所述的用于居家养老的智能鞋底进行摔倒报警的方法，其特征在于，所述的方法包括：正常状态下，MOSFET开关关断，MCU(4)判断智能鞋使用者摔倒时，MCU(4)令MOSFET开关导通，并通过UART/SPI转WIFI芯片向服务器发送报警信号。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |