CN111179547A - 一种室内摔倒智能感知系统及其制备和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种室内摔倒智能感知系统，包括智能地板和信号处理器，所述的智能地板为嵌设压电传感层的地板，所述的压电传感层包括多条相互独立且分别与信号处理器连接的压电传感膜，所述的压电传感膜相互交织，形成二维平面坐标网络；所述的信号处理器实时监测各压电传感膜的受力情况，当摔倒发生时，经过摔倒处的多条压电传感膜同时检测到受力情况的改变，并通过电信号发送至信号处理器，所述的信号处理器根据各压电传感膜的受力情况，并利用压电传感膜形成的二维平面坐标网络，定位摔倒位置，最后发出求助信息，与现有技术相比，本发明无需额外附加定位系统就可实现摔倒的感知和位置的准确定位，并实时监测摔倒人员生命体征。

Description

一种室内摔倒智能感知系统及其制备和控制方法

技术领域

本发明涉及智能感知技术领域，尤其是涉及一种室内摔倒智能感知系统及其制备和控制方法。

背景技术

中国是全球老龄化人口数量最多的国家，据国家统计局发布的人口数据，截止到2018年末，我国60周岁及以上人口为24949万人，即我国老年人口数高达2.49亿。如何赡养老人，如何保护老人的健康成为了社会的热点问题。

其中危害老人健康的一个重要因素就是室内摔倒。据世界卫生组织报告，全球每年约有15万老年人死于跌倒，我国每年有4000多万老人至少发生1次跌倒。2013年初，龙华街道对辖区内3000多名老年人调查走访显示，每年约有32％的老年人发生跌倒，80岁以上老年人跌倒的发生率高达46％。对于我国这样一个老龄化严重的国家而言，室内摔倒不仅给老人带来伤害，还会引发一系列家庭与社会问题。

而且随着独居老人的比例上升，摔倒老人难以被及时发现，即使被人发现，由于抢救治疗不及时，会对老人造成难以康复的损伤，甚至威胁生命健康。因此对老年人室内摔倒的防护和摔倒后及时发现处理对保护老人的健康尤为重要。同时对于老人摔倒的情况难以判定，错误的处理方法会造成更严重的损伤。

为了解决该问题，现有技术中设计了智能地板，可以实时监测地板上走路的人的行动状态，当老人在室内摔倒时可以及时感知并发送信号，同时为了确定老人摔倒的位置，又设计了多种室内定位系统，如RF定位系统、红外定位系统、超声定位系统、RFID定位系统、视觉定位系统、UWB定位系统等，当老人摔倒时可以准确定位老人摔倒的位置。

中国专利CN201610140863.8公开了一种老人室内摔倒求救系统，该系统通过嵌设于地板内部或埋设在地毯内部的压电电缆，来检测老人是否摔倒，并在检测到老人摔倒后，通过开启安装于室内的摄像头，拍摄老人摔倒的情况和摔倒的位置。该系统虽然可以实现对老人在室内摔倒的监测，但是其需要在室内多处均安装摄像头，以实现拍摄画面的无死角，从而在检测到老人摔倒时可以对摔倒位置和摔倒情况进行准确的分析。目前现有的智能地板摔倒监测系统，都需要附加额外的定位系统，才可以实现摔倒位置的定位，其成本高且安装十分不便。

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无需额外附加定位系统就可实现摔倒位置准确定位的，并且可以对摔倒人员的生命体征信息进行实时监测的室内摔倒智能感知系统及其制备和控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种室内摔倒智能感知系统，用于实时监测室内人员摔倒情况，包括智能地板和信号处理器，所述的智能地板为嵌设压电传感层的地板，所述的压电传感层包括多条相互独立且分别与信号处理器连接的压电传感膜，所述的压电传感膜相互交织，形成二维平面坐标网络；

所述的信号处理器实时监测各压电传感膜的受力情况，当摔倒发生时，经过摔倒处的多条压电传感膜同时检测到受力情况的改变，并通过电信号发送至信号处理器，所述的信号处理器根据各压电传感膜的受力情况，并利用压电传感膜形成的二维平面坐标网络，定位摔倒位置，触发生命体征监测模块，最后发出求助信息。同时摔倒产生的电信号可以触发启动生命体征监测模块，通过采集人体产生的心跳呼吸等振动信号，对人体的生命体征信息进行实时监测并实时传递至云端，向APP终端(包括护理中心、急救中心、监护人等)发送实时数据。

进一步地，所述的压电传感膜包括多条相互平行的横向压电传感膜和多条相互平行的纵向压电传感膜，所述的横向压电传感膜和纵向压电传感膜相互垂直交织，形成井字形二维平面坐标网络；

当摔倒发生时，摔倒处的两条相互垂直的压电传感膜同时检测到受力情况的改变，并通过电信号发送至信号处理器，所述的信号处理器根据两条压电传感膜在二维平面坐标网络中的交点，定位摔倒位置，触发生命体征监测模块，最后发出求助信息。无需利用其它辅助定位系统，通过对压电传感膜的排布形成二维平面坐标网络，使其同时具有感知和定位两种功能。

进一步优选地，所述的横向压电传感膜之间间距为5-20cm，所述的纵向压电传感膜之间间距为5-20cm，间距设置的合理范围为5-20cm，如果间距太小，传感带之间可能会有重叠，而如果间距太大，定位效果就会比较差。

进一步优选地，所述的压电传感膜为长条状压电传感膜，包括外电极、内电极和压电驻极体膜，所述的压电驻极体膜由经过极化处理的长条状聚合物薄膜制成，所述的压电驻极体膜通过弯折形成相连的上下两层，所述的内电极设置于压电驻极体膜上下两层之间的侧面上，并通过内电极引线与信号处理器连接，所述的外电极设置于压电驻极体膜的外侧面上，并通过外电极引线接地。外电极引线接地一方面可以防止该系统漏电，起到安全保护的作用。另一方面可以屏蔽外界存在的其他的噪声信号，使该智能系统监测得到的受力信息更加准确明显。

进一步优选地，所述的外电极为铜箔或导电胶带，所述的内电极为铜箔或导电胶带。由于该智能系统是基于压电传感膜，而压电传感膜是一种柔性材料，所以内外电极材料的弹性模量需要与压电传感膜相匹配，故选用铜箔或导电胶带作为电极材料，另外这两种电极材料价格低，并且涂覆电极时工艺简单，可以有效降低制造成本。

进一步优选地，所述的外电极的面积大于压电驻极体膜的面积，可以对环境中的噪声信号起到更好的屏蔽作用，所述的内电极的面积小于压电驻极体膜的面积。

一种制备如所述的室内摔倒智能感知系统的方法，包括以下步骤：

S1)制备压电传感膜；

S2)将多条压电传感膜相互交织，形成垂直的井字形二维平面坐标网络，形成压电传感层；

S3)利用引线将各压电传感膜分别与信号处理器连接；

S4)将压电传感层嵌入地板中，形成智能地板；

S5)将智能地板铺设在室内，形成室内摔倒智能感知系统。

进一步地，所述的步骤S1)具体包括：

S101)将聚合物薄膜制成长条状，形成聚合物薄膜样品；

S102)对聚合物薄膜样品进行极化处理，形成压电驻极体膜；

S103)将铜箔或导电胶带制成面积大于压电驻极体膜的外电极和面积大于压电驻极体膜样品的内电极；

S105)在压电驻极体膜的两侧面分别粘贴内电极和外电极，然后对折压电驻极体膜，将内电极包覆在中间，形成长条状的压电传感膜。

一种如所述的室内摔倒智能感知系统的控制方法，包括以下步骤：

1)摔倒发生处的压电传感膜受力改变；

2)受力改变的压电传感膜分别向信号处理器发送电信号；

3)信号处理器监测各压电传感膜的电信号；

4)信号处理器分别选取发送电信号强度最大的横向压电传感膜和纵向压电传感膜；

5)信号处理器根据二维平面坐标网络计算选取的两条压电传感膜的交点，定位摔倒位置；

6)信号处理器根据压电传感膜(6)产生的随呼吸和心跳振动变化的电信号，采集摔倒人员的心跳和呼吸；

7)智能感知系统发出求助信息。

当智能感知系统上的某个点收到力的作用时，受力点附近的压电传感膜会受力形变，产生电信号。由于不同的压电传感膜距受力点的距离不同产生的电信号也不同，利用计算机采集每条压电传感膜的电信号，可以根据电信号的强弱判断哪条压电传感膜的受力最大。由于该智能感知系统中的压电传感膜是以井字形互相垂直交织在一起，就可以利用二维直角坐标系在平面上精确定位受力点的坐标。

进一步地，所述的求助信息包括摔倒位置、摔倒人员呼吸和摔倒人员心跳。

当摔倒发生时，会触发智能感知系统中的生命体征监测模块，传感膜对摔倒人员的呼吸和心跳进行监测并实时传递至云端，向APP终端(包括护理中心、急救中心、监护人等)发送实时数据。救护人员可以通过这些实时数据，在事故发生后和到达现场进行救护前实时掌握重要信息，更有针对性地实施救护措施。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明的智能感知系统通过将各条压电传感线以井字形交织形成二维平面坐标网络，使其自身具有定位的功能，无需另外搭建室内定位系统，节约成本和室内空间，同时也免去了穿戴定位信号接收装置的麻烦的负担；

2)本发明中的信号处理器可以根据电信号的强弱判断哪条压电传感膜的受力最大，并利用该智能感知系统中的压电传感膜是以井字形互相垂直交织在一起，通过计算两条压电传感膜的交点，就可以精确地在二维直角坐标系平面上精确定位受力点的坐标，从而精确定位摔倒位置；

3)本发明的智能感知系统基于压电传感膜，由于压电材料可以将机械能转换为电能，当智能感知系统受到外界的力的作用时，自身会产生电能，结合低功耗的传感器等电子元器件，可以实现自供电，无需额外连接供电电路，制备简单，成本低廉；

4)本发明的智能感知系统使用的压电传感膜还可以实时监测人体的心跳呼吸等生命体征信息，对健康情况进行实时监测，对摔倒人员实现更全面和可靠的监测。

附图说明

图1为压电传感膜的结构示意图；

图2为压电传感膜交织形成的井字形网络；

图3为二维平面坐标网络俯视示意图；

图4为智能地板的结构示意图；

图5为智能感知系统的控制流程示意图。

其中，1、外电极，2、压电驻极体膜，3、内电极，4、外电极引线，5、内电极引线，61、横向压电传感膜，62、纵向压电传感膜，7、地板，8、压电传感层，9、二维平面坐标网络。

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。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明提供一种室内摔倒智能感知系统，用于实时监测室内人员摔倒情况，包括智能地板和信号处理器，其中智能地板如图4所示，为嵌设压电传感层8的地板7。这种智能感知系统基于压电传感膜6，这种材料在受到不同的压力时会产生不同的电信号，将这些电信号传输到信号处理器中可以对其上的受力情况进行实时监测。当系统判断有摔倒发生时触发生命体征监测模块，传感膜对摔倒人员的呼吸和心跳进行监测并实时传递至云端，向APP终端(包括护理中心、急救中心、监护人等)发送实时数据。本发明无需额外附加定位系统就可实现摔倒的感知和位置的准确定位。

如图2和图3所示，压电传感层8由多条相互平行的横向压电传感膜61和多条相互平行的纵向压电传感膜62相互垂直交织而成，最终形成井字形二维平面坐标网络9，每条压电传感膜6之间相互独立，并且分别与信号处理器连接，根据自身的受力情况，向信号处理器发送相应的电信号。

信号处理器实时监测各压电传感膜6的受力情况，当摔倒发生时，摔倒处的两条相互垂直的压电传感膜6同时检测到受力情况的改变，并通过电信号发送至信号处理器，信号处理器根据两条压电传感膜6在二维平面坐标网络9中的交点，定位摔倒位置，最后发出求助信息。无需利用其它辅助定位系统，通过对压电传感膜6的排布形成二维平面坐标网络9，使其同时具有感知和定位两种功能。

本实施例中，横向压电传感膜61之间间距为10cm，纵向压电传感膜62之间间距为10cm。

如图1所示，压电传感膜6为长条状压电传感膜6，包括外电极1、内电极3和压电驻极体膜2，外电极1和内电极3为电极材料，可选用铜箔或导电胶带，压电驻极体膜2由经过极化处理的长条状驻极体薄膜制成，压电驻极体膜2通过弯折形成相连的上下两层，内电极3设置于压电驻极体膜2上下两层之间的侧面上，并通过内电极引线5与信号处理器连接，外电极1设置于压电驻极体膜2的外侧面上，并通过外电极引线4接地

外电极1的面积大于压电驻极体膜2的面积，可以对环境中的噪声信号起到更好的屏蔽作用，内电极3的面积小于压电驻极体膜2的面积。

制备室内摔倒智能感知系统包括以下步骤：

S1)制备压电传感膜6；

S2)将多条压电传感膜6相互交织，形成垂直的井字形二维平面坐标网络9，形成压电传感层8；

S3)利用引线将各压电传感膜6分别与信号处理器连接；

S4)将压电传感层8嵌入地板7中，形成智能地板；

S5)将智能地板铺设在室内，形成室内摔倒智能感知系统。

本实施例中，这种智能感知系统的制备过程为：

(1)制备压电传感膜6(本实施例中采用压电驻极体膜2制备压电传感膜6)：选取一种驻极体薄膜材料(例如PTFE、FEP、COC、PET、PI、PE、PEN、PP等)，将其制备成长条状驻极体薄膜样品，并通过电晕极化、接触法充电、离子注入或电子束注入等方式给驻极体薄膜样品进行极化处理，得到长条状压电驻极体膜2，然后用长条状的铜箔或导电胶带作为内外电极1将长条状压电驻极体膜2夹在中间，其中外电极1的面积较大，这样可以起到屏蔽作用，然后从内外电极各引出金属导线，形成条状压电传感膜6；

(2)制备智能感知系统：将多条压电传感膜6以井字形互相垂直地连接在一起，且保持压电传感膜6之间彼此相互独立，利用引线将各条压电传感膜6与信号处理器相连，形成一个二维平面直角坐标网络；

(3)设计程序：利信号处理器分析压电传感膜6输出的电信号，可以得到每条压电传感膜6上的受力情况数据，利用二维平面坐标网络9，可以准确定位受力点的位置，其中信号处理器可以是计算机；

由于这种压电传感膜6具有可以感知人的呼吸心跳的能力。可以在智能感知系统中安装一个生命体征监测模块，当智能感知系统突然收到一个较大的力的作用时(如突然摔倒)，产生的电信号可以触发生命体征监测模块。生命体征监测模块由压电传感膜和信号处理器两部分构成，当人体与压电传感膜接触时，体表的振动会导致压电传感膜产生随呼吸心跳变化的电信号。利用信号处理装置可以屏蔽掉环境中的噪声信号，将呼吸与心跳等生命体征信息以心跳图、呼吸图等波形图的形式展现出来，可以直观的表现人的健康状态。

本实施例以多孔聚丙烯聚合物膜为例，说明制备得到智能地板的流程：

(1)将多孔聚丙烯聚合物膜制备成长条状，并利用电晕法极化，得到压电驻极体膜。

(2)利用铜箔或导电胶带作为电极材料，将外电极1剪切成比压电驻极体膜尺寸稍大的长条状，内电极3剪切成比压电驻极体膜尺寸略小的长条状。

(3)将压电驻极体膜与外电极1和内电极3分别粘接在一起，然后对折将内电极3包覆在中间。

(4)将外电极1通过外电极引线4与地线相连，屏蔽环境中的噪声信号，并引出内电极引线5与信号处理器连接，得到压电传感膜6。

(5)将压电传感膜6以井字形交织在一起，利用引线分别采集各条压电传感膜6产生的电信号，形成与信号处理器连接的压电传感层8。

(6)将压电传感层8植入普通地板7中，得到智能地板。

将该智能地板铺设在室内，可以利用计算机分析智能地板发射的电信号来分析地板7的受力情况，判断地板7上的人是在正常行走还是发生意外摔倒，当发生意外摔倒时，智能感知系统通过二维平面坐标网络9准确定位摔倒的位置，并发送求助信息。利用计算机分析得到摔倒伤者的呼吸心跳等生命体征信息，对伤者的健康状态进行实时监控，帮助救援人员了解伤情并采取最适宜的手段进行救助。

如图5所示，本发明的智能感知系统控制方法包括以下步骤：

1)摔倒发生处的压电传感膜6受力改变；

2)受力改变的压电传感膜6分别向信号处理器发送电信号；

3)信号处理器监测各压电传感膜6的电信号；

4)信号处理器分别选取发送电信号强度最大的横向压电传感膜和纵向压电传感膜；

5)信号处理器根据二维平面坐标网络计算选取的两条压电传感膜6的交点，定位摔倒位置；

6)智能感知系统发出求助信息。

信号处理器可以为计算机，当智能感知系统上的某个点收到力的作用时，受力点附近的压电传感膜6会受力形变，产生电信号。由于不同的压电传感膜6距受力点的距离不同产生的电信号也不同，利用计算机采集每条压电传感膜6的电信号，可以根据电信号的强弱判断哪条压电传感膜6的受力最大。由于该智能感知系统中的压电传感膜6是以井字形互相垂直交织在一起，就可以利用二维直角坐标系在平面上精确定位受力点的坐标。同时摔倒产生的电信号可以触发启动生命体征监测模块，通过采集人体产生的心跳呼吸等振动信号，对人体的生命体征信息进行实时监测并实时传递至云端，向APP终端(包括护理中心、急救中心、监护人等)发送实时数据。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种室内摔倒智能感知系统，用于实时监测室内人员摔倒情况，包括智能地板和信号处理器，其特征在于，所述的智能地板为嵌设压电传感层(8)的地板(7)，所述的压电传感层(8)包括多条相互独立且分别与信号处理器连接的压电传感膜(6)，所述的压电传感膜(6)相互交织，形成二维平面坐标网络(9)；

所述的信号处理器实时监测各压电传感膜(6)的受力情况，当摔倒发生时，经过摔倒处的多条压电传感膜(6)同时检测到受力情况的改变，并通过电信号发送至信号处理器，所述的信号处理器根据各压电传感膜(6)的受力情况，并利用压电传感膜(6)形成的二维平面坐标网络(9)，定位摔倒位置，触发生命体征监测模块，并发出求助信息。

2.根据权利要求1所述的一种室内摔倒智能感知系统，其特征在于，所述的压电传感膜(6)包括多条相互平行的横向压电传感膜(61)和多条相互平行的纵向压电传感膜(62)，所述的横向压电传感膜(61)和纵向压电传感膜(62)相互垂直交织，形成井字形二维平面坐标网络(9)；

当摔倒发生时，摔倒处的两条相互垂直的压电传感膜(6)同时检测到受力情况的改变，并通过电信号发送至信号处理器，所述的信号处理器根据两条压电传感膜(6)在二维平面坐标网络(9)中的交点，定位摔倒位置，触发生命体征监测模块，最后发出求助信息。

3.根据权利要求2所述的一种室内摔倒智能感知系统，其特征在于，所述的横向压电传感膜(61)之间间距为5-20cm，所述的纵向压电传感膜(62)之间间距为5-20cm。

4.根据权利要求3所述的一种室内摔倒智能感知系统，其特征在于，所述的压电传感膜(6)为长条状压电传感膜(6)，包括外电极(1)、内电极(3)和压电驻极体膜(2)，所述的压电驻极体膜(2)由经过极化处理的长条状聚合物薄膜制成，所述的压电驻极体膜(2)通过弯折形成相连的上下两层，所述的内电极(3)设置于压电驻极体膜(2)上下两层之间的侧面上，并通过内电极引线(5)与信号处理器连接，所述的外电极(1)设置于压电驻极体膜(2)的外侧面上，并通过外电极引线(4)接地。

5.根据权利要求4所述的一种室内摔倒智能感知系统，其特征在于，所述的外电极(1)为铜箔或导电胶带，所述的内电极(3)为铜箔或导电胶带。

6.根据权利要求4所述的一种室内摔倒智能感知系统，其特征在于，所述的外电极(1)的面积大于压电驻极体膜(2)的面积，所述的内电极(3)的面积小于压电驻极体膜(2)的面积。

7.一种制备如权利要求2-6任一项所述的室内摔倒智能感知系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)制备压电传感膜(6)；

S2)将多条压电传感膜(6)相互交织，形成垂直的井字形二维平面坐标网络(9)，形成压电传感层(8)；

S3)利用引线将各压电传感膜(6)分别与信号处理器连接；

S4)将压电传感层(8)嵌入地板(7)中，形成智能地板；

S5)将智能地板铺设在室内，形成室内摔倒智能感知系统。

8.根据权利要求7所述的一种室内摔倒智能感知系统的制备方法，其特征在于，所述的步骤S1)具体包括：

S101)将聚合物薄膜制成长条状，形成聚合物薄膜样品；

S102)对聚合物薄膜样品进行极化处理，形成压电驻极体膜(2)；

S103)将铜箔或导电胶带制成面积大于压电驻极体膜(2)的外电极(1)和面积大于压电驻极体膜(2)的内电极(3)；

S105)在压电驻极体膜(2)的两侧面分别粘贴内电极(3)和外电极(1)，然后对折压电驻极体膜(2)样品，将内电极(3)包覆在中间，形成长条状的压电传感膜(6)。

9.一种如权利要求2-6任一项所述的室内摔倒智能感知系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)摔倒发生处的压电传感膜(6)受力改变；

2)受力改变的压电传感膜(6)分别向信号处理器发送电信号；

3)信号处理器监测各压电传感膜(6)的电信号；

4)信号处理器分别选取发送电信号强度最大的横向压电传感膜和纵向压电传感膜；

5)信号处理器根据二维平面坐标网络(9)计算选取的两条压电传感膜(6)的交点，定位摔倒位置；

6)信号处理器根据压电传感膜(6)产生的随呼吸和心跳振动变化的电信号，采集摔倒人员的心跳和呼吸；

7)智能感知系统发出求助信息。

10.根据权利要求9所述的室内摔倒智能感知系统的控制方法，其特征在于，所述的求助信息包括摔倒位置、摔倒人员呼吸和摔倒人员心跳。

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