CN116403368A - 一种轮椅户外安全监测系统及方法 - Google Patents

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CN116403368A CN202310391571.1A CN202310391571A CN116403368A CN 116403368 A CN116403368 A CN 116403368A CN 202310391571 A CN202310391571 A CN 202310391571A CN 116403368 A CN116403368 A CN 116403368A
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陈琳
侯文生
吴小鹰
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郑凯戈
杨丽清
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Abstract

本发明涉及一种轮椅户外安全监测系统及方法，属于智能辅具领域。通过椅面的压力传感器采集患者臀腿部的压力进而判断出坐姿是否异常；通过加速度传感器采集轮椅的角度信息进而判断出轮椅是否发生翻倒；一旦检测到异常坐姿便及时进行语音提醒，能减少因不良坐姿而导致的轮椅翻倒事件；同时检测轮椅本身的翻倒状态，当轮椅发生翻倒时将发出报警信号，增加了患者在使用轮椅时的安全性，从而可以更大限度地保证患者的出行安全。

Description

一种轮椅户外安全监测系统及方法
技术领域
本发明属于智能辅具领域，涉及一种轮椅户外安全监测系统及方法。
背景技术
而轮椅的普及，让很多老年人群在日常生活中更加方便独立，同时老年人独自乘坐轮椅外出不慎翻倒等事件的频繁发生，给不少轮椅使用者和家庭带来了恐慌。由于独自出行的安全性无法得到保障等各种各样的局限，大大缩小了老人们的活动范围和出行欲望，所以对于乘坐轮椅出行的安全状态的监测是十分必要的。
而在轮椅事故中，轮椅翻倒和跌落事件占比较高，其中包括坐姿前倾等异常坐姿。对于老年人来说，这些异常坐姿可能会导致轮椅翻倒的概率增加，进而影响老年人的出行安全。
在中国申请公开说明书，CN 106933157A公开了一种轮椅安全监测装置及监测方法，根据采集到的轮椅的倾角状态和运行速度、轮椅与一定范围内障碍物的距离信息、以及安全带的拉力，判断轮椅是否有倾覆、超速、碰撞和摔倒的危险，但是该专利只关注了轮椅本身的运行状态，并未对轮椅使用者的坐姿状态进行监测。
在中国申请公开说明书，CN 106943249B公开了一种介入式主动操控智能轮椅的控制系统和方法，通过采集椅面的压力判断坐姿是否正确，通过采集脚踏的压力判断脚是否正确的放置在脚踏上，但是并未对轮椅的翻倒状态进行监测。
基于此，本发明设计了一种轮椅户外安全监测系统及方法，将传感器技术应用于轮椅上，通过感知轮椅的状态来反映轮椅使用者的状态，实现了对轮椅使用者乘坐状态和位置的感知。同时将相关数据实时上传至云平台，以供监护人实时查看老人的乘坐状态，实现了对老人乘坐轮椅出行的户外安全监护。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种轮椅户外安全监测系统及方法。监测轮椅使用者的坐姿状态，一旦检测到异常坐姿便及时进行语音提醒，能减少因不良坐姿而导致的轮椅翻倒事件；同时检测轮椅本身的翻倒状态，当轮椅发生翻倒时将发出报警信号并报警，增加患者在使用轮椅时的安全性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种轮椅户外安全监测系统，该系统包括主控制器、加速度传感器模块、压力传感器模块、GPS定位模块、语音模块、电源管理模块、无线数据传输模块和云平台；
其中：
所述主控制器采用STM32F429IGT6单片机芯片进行压力数据、加速度数据、位置信息的读取与发送，并对接收到的数据进行处理，判断轮椅使用者是否有危险坐姿，乘坐时间是否超时，以及轮椅是否翻倒；
所述压力传感器模块检测椅面的压力数值，进而判断乘坐者是否有危险坐姿，同时乘坐时间超时就会进行久坐提醒语音播报，提示乘坐者适当地移动体位；
所述加速度传感器模块能够实时检测轮椅在户外运行过程中的加速度信息；
所述语音模块能够提醒轮椅使用者在久坐、危险坐姿情况下及时做出相应措施，并在轮椅发生翻倒时进行报警；
所述电源管理模块，包括电源、电压转换电路和系统启动装置，系统启动装置作为系统电源开关，长按开关进入系统初始化；电源要经过电压转换电路为主控制器提供工作电压，以及为坐姿监测模块、翻倒检测模块、GPS定位模块、语音模块、无线数据传输模块提供工作电压；
所述无线数据传输模块负责将轮椅乘坐状态、位置数据进行融合，通过无线传输技术上传至服务器；
所述云平台将接收到的数据进行云存储，并实时更新和展示，监护人通过电脑Web端观看乘坐者的状态以及行驶路径，或通过手机APP端进行查看；
主控制器进行压力数据、加速度数据、位置信息的读取与发送，并对接收到的数据进行处理，判断轮椅使用者是否有危险坐姿，乘坐时间是否超时，以及轮椅是否翻倒，并通过语音模块进行提醒和报警，通过无线数据传输模块将轮椅的位置信息和运行状态信息一起无线发送到云平台，最后云平台将接收到的数据进行云存储，并实时更新和展示。
基于所述系统的轮椅户外安全监测方法，该方法包括以下步骤：
S1：进行系统初始化，然后连接云平台，使用者坐上轮椅开始数据采集；
S2：根据压力传感器采集的压力数据判断轮椅乘坐者的坐姿是否异常，若异常则发出语音提示，提醒使用者进行姿势调整，保持正常坐姿；若坐姿判断正常则进入S3；
S3：轮椅翻倒状况的检测；根据加速度传感器采集的加速度数据判断轮椅的翻倒状况，若轮椅发生翻倒则发出警报提醒周围的路人给予帮助并呼叫监护人；若轮椅未发生翻倒，则进一步进入S4；
S4：进行GPS数据的获取解析，并将采集的所有数据上传到云平台，
压力传感器模块，用于采集轮椅椅面的压力，设置在椅面上的压力传感器布局方式为：以轮椅面的几何中心作为原点O来建立X-Y轴直角坐标系，左右两边中点的连线为X轴，前后两边中点连线为Y轴；压力传感器分别放置在4个象限的中心，椅面上的4个压力传感器Fsr1、Fsr2、Fsr3、Fsr4的位置布局坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)。
可选的，所述判断轮椅乘坐者的坐姿是否异常具体为：
S21：首先进行是否离座判别，计算总压力值p，若p没有超过阈值t1，即p<t1则判断为离座，将坐姿结果输出；若p值超过t1，则进入S22；
S22：对称性判别；通过中心线划分将椅面分为左右两个区域，统计左边区域的压力总值p1和右边区域的压力总值p2，计算出对称系数w1＝|p1-p2|/(p1+p2)，当w1没有超过阈值t2，说明左右两侧区域的压力值较为平衡；若w1>t2则判定为异常坐姿；通过语音模块发送语音提示，提醒使用者当前坐姿异常，需进行坐姿的调整；
S23：通过中心线划分将椅面分为前后两个区域，统计前边区域的压力总值p3和后边区域的压力总值p4，计算出对称系数w2＝|p3-p4|/(p3+p4)，当w2没有超过阈值t3，说明前后两侧区域的压力值较为平衡；若w1>t3则判定为异常坐姿；通过语音模块发送语音提示，提醒使用者当前坐姿异常，需进行坐姿的调整；
加速度传感器模块，用于采集轮椅运行的加速度，采用加速度信号矢量幅度SMV为特征值的方法对翻倒事件进行判断；分别测得x、y、z三个轴方向上的加速度值ax、ay、az，根据公式
Figure BDA0004176048680000031
计算加速度信号矢量幅度SMV。
可选的，所述轮椅翻倒状况的检测具体为：
S31：计算加速度SMV值和竖直方向角度值THa，如果加速度SMV>THa，则延时1秒；
S32：记加速度SMV超过THa的时刻为T0，对T0时刻1秒后轮椅在竖直方向的倾角与T0时刻的做差，记该差值的阈值为THb；若T0时刻角度的差值>THb，则计算加速度SMV值；
S33：计算加速度SMV值，当轮椅处于静止状态时其加速度SMV在0.7g到1.5g范围内波动，说明轮椅已处于相对稳定的状态；
S34：利用加速度传感器获取到轮椅在Z轴方向上加速度分量的大小，计算出其在竖直方向的倾斜角度βz；
S35：若最后测得βz大于60度超过3秒，则认为轮椅发生翻倒，发送轮椅翻倒报警信号；
语音模块，通过移动数据终端APP来实现；对轮椅使用者在久坐、危险坐姿时进行提醒，使使用者及时得到反馈以做出相应调整；当轮椅使用者存在跌倒风险时，语音模块通过声音来提醒轮椅使用者，并及时给监护人发送提示信息；
GPS定位模块，用于给轮椅进行定位，并将轮椅的位置信息发送到主控制器；
无线数据传输模块，用于将轮椅乘坐者的坐姿信息、轮椅的运行状态信息和位置信息，通过无线发送到云平台；
云平台包括数据显示、数据存储以及异常报警功能，据无线数据传输模块发送的数据判断用户及轮椅当前所处的状态，并根据不同的危险程度向监护人等其他终端发送安全、预警或报警信息。
本发明的有益效果在于：监测轮椅使用者地坐姿状态、久坐状态，轮椅本身的翻倒状态，以及轮椅的位置信息，实现危险坐姿提醒，久坐提醒，轮椅翻倒报警，一键紧急呼叫监护人和定位等功能。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明系统结构图；
图2为本发明运作流程图；
图3为压力传感器的位置布局图；
图4为坐姿异常判定流程图；
图5为轮椅三维直角坐标系示意图；
图6为轮椅翻倒检测流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1为本发明的系统结构框图。
本系统包括主控制器、加速度传感器模块、压力传感器模块、语音模块、GPS定位模块、电源管理模块、无线数据传输模块和云平台。主控制器进行压力数据、加速度数据、位置信息的读取与发送，并对接收到的数据进行处理，判断轮椅使用者是否有危险坐姿，乘坐时间是否超时，以及轮椅是否翻倒，并通过语音模块进行提醒和报警，通过无线数据传输模块将轮椅的位置信息和运行状态信息一起无线发送到云平台，最后云平台将接收到的数据进行云存储，并实时更新和展示。
如图2为本系统的总体流程图。
S1、本系统首先长按开关进行系统初始化，然后连接云平台，使用者坐上轮椅开始数据采集。
S2、根据压力传感器采集的压力数据判断轮椅乘坐者的坐姿是否异常，若异常则发出语音提示，提醒使用者进行姿势调整，保持正常坐姿；若坐姿判断正常则进入S3轮椅翻倒状况的检测。
S3、根据加速度传感器采集的加速度数据判断轮椅的翻倒状况，若轮椅发生翻倒则发出警报提醒周围的路人给予帮助并呼叫监护人；若轮椅未发生翻倒，则进一步进入S4进行GPS数据的获取解析。
S4、进行GPS数据的获取解析，并将采集的所有数据上传到云平台，
压力传感器模块，用于采集轮椅椅面的压力，设置在椅面上的压力传感器布局方式如图3为：以轮椅面的几何中心作为原点O来建立X-Y轴直角坐标系，左右两边中点的连线为X轴，前后两边中点连线为Y轴。压力传感器分别放置在4个象限的中心，椅面上的4个压力传感器Fsr1、Fsr2、Fsr3、Fsr4的位置布局坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)。
如图4为坐姿异常判定流程图，它包括以下步骤：
S1、首先进行是否离座判别，计算总压力值p，若p没有超过阈值t1，即p<t1则判断为离座，将坐姿结果输出；若p值超过t1，则进入S2进行对称性判别。
S2、首先通过中心线划分将椅面分为左右两个区域，统计左边区域的压力总值p1和右边区域的压力总值p2，计算出对称系数w1＝|p1-p2|/(p1+p2)，当w1没有超过阈值t2，说明左右两侧区域的压力值较为平衡。若w1>t2则判定为异常坐姿。通过语音模块发送语音提示，提醒使用者当前坐姿异常，需进行坐姿的调整。
S3、通过中心线划分将椅面分为前后两个区域，统计前边区域的压力总值p3和后边区域的压力总值p4，计算出对称系数w2＝|p3-p4|/(p3+p4)，当w2没有超过阈值t3，说明前后两侧区域的压力值较为平衡。若w1>t3则判定为异常坐姿。通过语音模块发送语音提示，提醒使用者当前坐姿异常，需进行坐姿的调整。
加速度传感器模块，用于采集轮椅运行的加速度，采用加速度信号矢量幅度SMV(Signal Magnitude Vector)为特征值的方法对翻倒事件进行判断。分别测得x、y、z三个轴方向上的加速度值ax、ay、az，如图5为轮椅三维直角坐标系示意图，根据公式
Figure BDA0004176048680000061
计算加速度信号矢量幅度SMV。
如图6为轮椅翻倒检测流程图，它包括以下步骤：
S1、计算加速度SMV值和竖直方向角度值THa，如果加速度SMV>THa，则延时1秒。
S2、记加速度SMV超过THa的时刻为T0，对T0时刻1秒后轮椅在竖直方向的倾角与T0时刻的做差，记该差值的阈值为THb。若T0时刻角度的差值>THb，则计算加速度SMV值。
S3、计算加速度SMV值，当轮椅处于静止状态时其加速度SMV在0.7g到1.5g范围内波动，说明轮椅已处于相对稳定的状态。
S4、利用加速度传感器获取到轮椅在Z轴方向上加速度分量的大小，进一步计算出其在竖直方向的倾斜角度βz。
S5、若最后测得βz大于60度超过3秒，则认为轮椅发生了翻倒，发送轮椅翻倒报警信号。
语音模块，通过移动数据终端APP来实现。对轮椅使用者在久坐、危险坐姿时进行提醒，使使用者及时得到反馈以做出相应调整。当轮椅使用者存在跌倒风险时，该模块通过声音来提醒轮椅使用者，并及时给监护人发送提示信息。
GPS定位模块，用于给轮椅进行定位，并将轮椅的位置信息发送到主控制器。
无线数据传输模块，用于将轮椅乘坐者的坐姿信息、轮椅的运行状态信息和位置信息，一起无线发送到云平台。
云平台包括数据显示、数据存储以及异常报警功能，可以根据无线数据传输模块发送的数据判断用户及轮椅当前所处的状态，并根据不同的危险程度向监护人等其他终端发送安全、预警或报警信息。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种轮椅户外安全监测系统，其特征在于：该系统包括主控制器、加速度传感器模块、压力传感器模块、GPS定位模块、语音模块、电源管理模块、无线数据传输模块和云平台；
其中：
所述主控制器采用STM32F429IGT6单片机芯片进行压力数据、加速度数据、位置信息的读取与发送，并对接收到的数据进行处理，判断轮椅使用者是否有危险坐姿，乘坐时间是否超时，以及轮椅是否翻倒；
所述压力传感器模块检测椅面的压力数值，进而判断乘坐者是否有危险坐姿，同时乘坐时间超时就会进行久坐提醒语音播报，提示乘坐者适当地移动体位；
所述加速度传感器模块能够实时检测轮椅在户外运行过程中的加速度信息；
所述语音模块能够提醒轮椅使用者在久坐、危险坐姿情况下及时做出相应措施，并在轮椅发生翻倒时进行报警；
所述电源管理模块，包括电源、电压转换电路和系统启动装置，系统启动装置作为系统电源开关，长按开关进入系统初始化；电源要经过电压转换电路为主控制器提供工作电压，以及为坐姿监测模块、翻倒检测模块、GPS定位模块、语音模块、无线数据传输模块提供工作电压；
所述无线数据传输模块负责将轮椅乘坐状态、位置数据进行融合，通过无线传输技术上传至服务器；
所述云平台将接收到的数据进行云存储，并实时更新和展示，监护人通过电脑Web端观看乘坐者的状态以及行驶路径，或通过手机APP端进行查看；
主控制器进行压力数据、加速度数据、位置信息的读取与发送，并对接收到的数据进行处理，判断轮椅使用者是否有危险坐姿，乘坐时间是否超时，以及轮椅是否翻倒，并通过语音模块进行提醒和报警，通过无线数据传输模块将轮椅的位置信息和运行状态信息一起无线发送到云平台，最后云平台将接收到的数据进行云存储，并实时更新和展示。
2.基于权利要求1所述系统的轮椅户外安全监测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：进行系统初始化，然后连接云平台，使用者坐上轮椅开始数据采集；
S2：根据压力传感器采集的压力数据判断轮椅乘坐者的坐姿是否异常，若异常则发出语音提示，提醒使用者进行姿势调整，保持正常坐姿；若坐姿判断正常则进入S3；
S3：轮椅翻倒状况的检测；根据加速度传感器采集的加速度数据判断轮椅的翻倒状况，若轮椅发生翻倒则发出警报提醒周围的路人给予帮助并呼叫监护人；若轮椅未发生翻倒，则进一步进入S4；
S4：进行GPS数据的获取解析，并将采集的所有数据上传到云平台，
压力传感器模块，用于采集轮椅椅面的压力，设置在椅面上的压力传感器布局方式为：以轮椅面的几何中心作为原点O来建立X-Y轴直角坐标系，左右两边中点的连线为X轴，前后两边中点连线为Y轴；压力传感器分别放置在4个象限的中心，椅面上的4个压力传感器Fsr1、Fsr2、Fsr3、Fsr4的位置布局坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)。
3.根据权利要求1所述的轮椅户外安全监测方法，其特征在于：所述判断轮椅乘坐者的坐姿是否异常具体为：
S21：首先进行是否离座判别，计算总压力值p，若p没有超过阈值t1，即p<t1则判断为离座，将坐姿结果输出；若p值超过t1，则进入S22；
S22：对称性判别；通过中心线划分将椅面分为左右两个区域，统计左边区域的压力总值p1和右边区域的压力总值p2，计算出对称系数w1＝|p1-p2|/(p1+p2)，当w1没有超过阈值t2，说明左右两侧区域的压力值较为平衡；若w1>t2则判定为异常坐姿；通过语音模块发送语音提示，提醒使用者当前坐姿异常，需进行坐姿的调整；
S23：通过中心线划分将椅面分为前后两个区域，统计前边区域的压力总值p3和后边区域的压力总值p4，计算出对称系数w2＝|p3-p4|/(p3+p4)，当w2没有超过阈值t3，说明前后两侧区域的压力值较为平衡；若w1>t3则判定为异常坐姿；通过语音模块发送语音提示，提醒使用者当前坐姿异常，需进行坐姿的调整；
加速度传感器模块，用于采集轮椅运行的加速度，采用加速度信号矢量幅度SMV为特征值的方法对翻倒事件进行判断；分别测得x、y、z三个轴方向上的加速度值ax、ay、az，根据公式
Figure FDA0004176048660000021
计算加速度信号矢量幅度SMV。
4.根据权利要求3所述的轮椅户外安全监测方法，其特征在于：所述轮椅翻倒状况的检测具体为：
S31：计算加速度SMV值和竖直方向角度值THa，如果加速度SMV>THa，则延时1秒；
S32：记加速度SMV超过THa的时刻为T0，对T0时刻1秒后轮椅在竖直方向的倾角与T0时刻的做差，记该差值的阈值为THb；若T0时刻角度的差值>THb，则计算加速度SMV值；
S33：计算加速度SMV值，当轮椅处于静止状态时其加速度SMV在0.7g到1.5g范围内波动，说明轮椅已处于相对稳定的状态；
S34：利用加速度传感器获取到轮椅在Z轴方向上加速度分量的大小，计算出其在竖直方向的倾斜角度βz；
S35：若最后测得βz大于60度超过3秒，则认为轮椅发生翻倒，发送轮椅翻倒报警信号；
语音模块，通过移动数据终端APP来实现；对轮椅使用者在久坐、危险坐姿时进行提醒，使使用者及时得到反馈以做出相应调整；当轮椅使用者存在跌倒风险时，语音模块通过声音来提醒轮椅使用者，并及时给监护人发送提示信息；
GPS定位模块，用于给轮椅进行定位，并将轮椅的位置信息发送到主控制器；
无线数据传输模块，用于将轮椅乘坐者的坐姿信息、轮椅的运行状态信息和位置信息，通过无线发送到云平台；
云平台包括数据显示、数据存储以及异常报警功能，据无线数据传输模块发送的数据判断用户及轮椅当前所处的状态，并根据不同的危险程度向监护人等其他终端发送安全、预警或报警信息。
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