CN203869793U - 一种基于pvdf的跌倒保护装置 - Google Patents

Abstract

一种基于PVDF的跌倒保护装置，包括用以检测使用者脚踩力的PVDF压电薄膜传感器模块，PVDF压电薄膜传感器模块与电荷放大模块连接，电荷放大模块与模数转换模块，模数转换模块与第一单片机连接，第一单片机与第一无线收发模块连接，模数转换模块、第一单片机、第一无线收发模块均与第一电源连接，第一无线收发模块与第二无线收发模块通信连接，第二无线收发模块与第二单片机连接，第二单片机与安全气囊模块连接，第二无线收发模块、第二单片机均与第二电源模块连接，第二电源模块与开关连接。本实用新型的精度高、对测试者有充分保护。

Description

一种基于PVDF的跌倒保护装置

技术领域

本实用新型涉及跌倒保护技术领域，尤其涉及的是一种基于PVDF的跌倒保护装置。

背景技术

PVDF是由纯度≥99.99%的偏氟乙烯（VDF）均聚而成的涂料用PVDF可熔性氟碳树脂，它兼具氟树脂和通用树脂的特性，除具有良好的耐化学腐蚀性、耐高温性、耐氧化性、耐候性、耐射线辐射性能外，还具有压电性、介电性、热电性等特殊性能，且已得到广泛应用。

现在的跌到系统检测判断是否跌倒的方法一般有：基于穿戴式的跌到检测，一般是将加速度传感器数据采集模块佩戴在腰间，当加速度达到跌倒阀值时，便判断为跌倒，还有含有穿戴于脚掌的压力传感器，左右脚掌各一个，根据掌心的压力来判断是否跌倒；针对所摄图像分析对象的实际运动，即判断人体姿态是否正常；基于声学信号的跌到检测，即根据跌倒冲击地面导致震动的频率值来判断人体是否跌倒。通过这些方法来检测跌倒，存在以下几个问题：1）被穿戴人腰间的加速度检测对跌倒条件的要求高且容易产生误判；2）对人体图像，即姿态进行分析，不能足够的保障用户的隐私且对光线等环境因素要求较高，误差较大且带来不便；3）至于脚掌的两压力传感器不能完整的反应人体姿态状况以及人体重心位置，精度不够，也使得误判率增加；4）对声学信号的检测，其安装复杂，同时受环境因素非常大，当材质等发生变化时，误差也就产生，且投入较大；5）许多跌倒检测的检测范围有限，被测试者的活动范围受到局限。6）所有的跌倒检测只针对于被测试者的跌倒状况，但并未实施保护，这使得被测试者的危险度并未降低。

发明内容

为了克服现有跌到检测系统的精度低、无保护功能的不足，本实用新型提供了一种精度高、对测试者有充分保护的基于PVDF的跌倒保护装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于PVDF的跌倒保护装置，包括用以检测使用者脚踩力的PVDF压电薄膜传感器模块，所述PVDF压电薄膜传感器模块与电荷放大模块连接，所述电荷放大模块与模数转换模块，所述模数转换模块与第一单片机连接，所述第一单片机与第一无线收发模块连接，所述模数转换模块、第一单片机、第一无线收发模块均与第一电源连接，所述跌倒保护系统还包括在第二无线收发模块、第二电源模块、第二单片机、开关和使用者腰带上安置的安全气囊模块，所述第一无线收发模块与所述第二无线收发模块通信连接，所述第二无线收发模块与所述第二单片机连接，所述第二单片机与所述安全气囊模块连接，所述第二无线收发模块、第二单片机均与所述第二电源模块连接，所述第二电源模块与开关连接。

进一步，所述PVDF压电薄膜传感器模块安置在使用者所穿的鞋子的鞋垫内，另外，在鞋底安置电荷放大模块、模数转换模块、第一单片机、第一电源模块、第一无线收发模块。当然，也可以为其他安置方式。

再进一步，所述PVDF压电薄膜传感器模块包括用于检测第3～4跖骨的脚踩力的跖骨传感单元，用于检测足跟的脚踩力的足跟传感单元。

再进一步，所述安全气囊模块中的安全气囊包括采用由天然橡胶制作的外壳，高回弹海绵填充于安全气囊外壳的内部，弹簧元件固定在安全气囊外壳的左右两边；所述安全气囊固定好后置于使用者的腰部。

本实用新型的技术构思是：本实用新型采用了已广泛应用的PVDF技术，首先由人为打开开关，由第二电源模块为第二无线收发模块、第二单片机供电。再由第二单片机发送指令，通过两个无线收发模块将指令传送至第一单片机后，便开始搜集人体前十次正常行走的数据。当第一单片机将前十次正常行走的数据分析储存之后，便开始将数据差值通过两个无线收发模块传送至第二单片机进行进一步分析判断，如果判断为人体跌倒，则立即打开安全气囊进行保护。

本实用新型的有益效果是：判断过程迅速，装置简单，更精确且有效地判断人体行走时是否跌倒；PVDF压电薄膜传感器模块的合理分布，正确掌握了人体行走时的重心分布状况，并加以利用形成判断；扩大了被检测人活动范围，并可在被测试者行走的各个环境中进行保护；被测试者跌倒过程中迅速打开安全气囊进行缓冲作用，一定程度上保障了被检测者的安全；在保护用户隐私同时，降低误判率，实现了低功耗、低成本装置。

附图说明

图1是基于PVDF的跌倒保护系统搭建图。

图2是电荷放大模块的电路图。

图3是第一电源模块供电电路图。

图4是安全气囊模块构造图，其中（a）为压缩前的正面图，（b）为压缩前的俯视图，（c）为压缩后的正面图。

具体实施方式

下面结合附图做进一步说明。

参照图1～图4，一种基于PVDF的跌倒保护装置，包括在鞋垫内安置PVDF压电薄膜传感器模块1，在在鞋底安置电荷放大模块3、模数转换模块4、第一单片机5、第一电源模块2、第一无线收发模块6；所述跌倒检测装置还包括在腰带上安置的第二无线收发模块7、安全气囊模块10、第二电源模块8、第二单片机9、开关11。

传感器的部分：压力传感器种类很多，如电容式、压阻式、压电式等，其中绝大多数存在体积太大或者精确度差等原因，不适合用于测量足底压力。现有的接触压力传感器大都为单点式，体积大且难满足测量要求，所以本系统采用的传感器需要有体积小、精度高等特点。综合考虑足底压力测量的多个因素，最终选择了PVDF压电薄膜作为本系统的传感器模块。

PVDF薄膜具有明显的压电特性，与传统的压电材料相比，其具有动态范围大、力电转换灵敏度高、机械性能强度高、膜轻且柔韧、稳定性高等优点，且易形成不同形状的压电薄膜传感器阵列，在测试领域得到了广泛应用。可薄膜上下两电极面引出电极。

参照图2，电荷信号经电荷放大模块放大后，再经模数转换模块进行AD转换。再把数字信号交由第一单片机进行数据分析；最后第一单片机将数据传送至第一无线收发模块。

AD转换单元的选型：由于本系统要求测量精度高，所以对模数转换单元的精度要求也相对较高。本系统采用16位的AD7705进行模数转换。AD7705提供了AIN1(+)、AIN1(-)、DIN、DOUT、SCLK等引脚，方便与压力传感器相连接。同时，可通过公式计算AD7705的精度：可通过以下公式计算出AD7705的精度：

l=a/2^bKpa

式中：l—可以精确到的压力值，a—量程，b—ADC的位数。其中，a=700Kpa，当b=12的时候，l=0.171Kpa；当b=16时，l=0.0107Kpa。所以选择AD7705芯片。

第一单片机的选型：本系统第一单片机采用C8051F020单片机，C8051F020单片机是一款高度集成的片上系统。它具有64K字节可在线系统编程的FLASH存储器，4352（4096+256）字节的RAM。总线接口类型丰富，拥有两个UART串行接口、SPI（串行外设接口）和SMBus（系统管理总线）/I²C（集成电路间总线）。其单周期指令运行速度是8051的12倍。

无线收发模块的选型：本系统选择的是RF1100-232无线收发模块，其内部集成CC1101低功耗无线通信芯片，提供四个引脚：VCC、GND、TXD、RXD，供电电压为2.7V～5.5V，功率可调，提供三种接口：TTL/485/USB接口，可以直接连接单片机、转串口232/485设备及PC串口实现串口通信，通信波特率有4800、9600和19200三种可调，提供256种信道，工作于433MHZ频段，并基于FSK调制，采用高效前向纠错和信道交织编码技术，提高了数据抗随机干扰和突发干扰的能力，且支持任何标准的用户协议。

第一电源模块的选型：第一电源模块采用CR2025纽扣电池，其标称电压为3V。第一电源模块共采用四个CR2025纽扣电池，其供电电压值达到12V。C8051F020本身是3.3V电压的系统，第一无线收发模块RF1100-232有宽电压工作范围：2.7V～5.5V，AD7705芯片需要+5V，AD7705的基准电压需要2.5V电源。因此，另一部分供电模块设计为2.5V、3.3V与5V混合直流电源。

参照图3，第一电源模块供电电压为12V，通过三端电压芯片AMS1117-5.0芯片得到5V直流电源；再通过采用三端电压芯片AMS1117-3.3制作一个3.3V的直流电源。因AD780输入电压为5V，输出电压为2.5V，所以以此作为AD7705的参考电压。

第二无线收发模块与第二单片机间的通信：当人为打开开关后，第二电源模块对第二无线收发模块、第二单片机进行供电，当第二无线收发模块收到数据后便将数据传输至第二单片机进行进一步数据分析。

第二单片机的选型：本系统采用低功耗、高性能的COMS8位单片机STC89C52，其提供了32个I/O端口，两个全双工串行端口TXD和RXD，通过串口可直接下载用户程序，3个16位定时器/计时器，4个外部中断，STC89C52降至0HZ静态逻辑操作时，可选择空闲模式和掉电保护模式两种节电模式，在空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作减少功耗；在掉电保护模式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

第二单片机与安全气囊模块间的通信：通过第二无线收发模块传输的数据，第二单片机进行整体数据分析，当判断人体跌倒时，则打开安全气囊迅速充气。其中，由第二电源模块为第二单片机供电，由开关控制第二电源模块。

第二电源模块的选型：第二电源模块采用四颗纽扣电池CR2025，其供电电压达12V，再通过主干路连接开关DS-314进行控制，同时连接三端电压芯片AMS1117-5.0芯片得到5V直流电源，再为第二无线收发模块、第二单片机供电。

所述开关选取DS-314按钮开关，方便人为打开，同时控制电源。

参照图4，安全气囊模块外部采用天然橡胶，其内部的左右两边安置弹簧，并在内部加入高回弹海绵，当经过压缩、抽气处理后，体积变小且可固定在腰带上。当第二单片机判断人体跌倒时，便打开安全气囊。

进一步，所述的一种基于PVDF的跌到保护系统，其特征在于：传感器模块与第一单片机的通信部分。第一电源模块供电电路如图3所示。首先第一电源模块给各个模块供电，使各部分进入工作状态。再由PVDF压电薄膜传感器采集数据，PVDF压电薄膜分布于左右脚底第3～4跖骨处和足跟处，可根据受力与电荷的关系来计算压力值：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_i=d_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\σ}}_j\\ Q_i=d_{\mathrm{ij}}{F}_j\end{array}\right.$

式中，qi为薄膜单位面积输出的电荷σ_j为薄膜承受的应力；Fi为薄膜承受的外力；Qi为薄膜总的输出电荷；dij为薄膜的压电应变常数。

然后通过输出电极引线连接电荷放大模块（如图2），经电荷放大后便将电压信号作为AD7705输入，再进行模数转换，AD7705的SCLK、DIN、DOUT信号分别与单片机C8051F020的SCK、MOSI、MISO信号连接。通过第一单片机C8051F020的数据分析再传输给第一无线收发模块RF1100-232。

C8051F020首先根据PVDF压电薄膜外力与电荷的关系来计算出所述Fi（薄膜承受的外力），并且先对前十次人体正常行走接收到的从左右两脚传来的数据进行储存，以十次中最小值（MIN）到最大值(MAX)作为标准范围。

计算过程如下：（以左右脚其中一只为基准）

第3～4跖骨：F0－F(MIN)=F2

F0－F(MAX)=F3

足跟：F1－F(MIN)=F4

F1－F(MAX)=F5

式中，F0为第一单片机接收的第3～4跖骨的数值，F1为接收到的足跟的数值。F(MIN)为所述储存的第3～4跖骨或足跟前十次数据的最小值，F(MIN)为所述储存跖骨或足跟前十次数据的最大值。F2、F3、F4、F5为差值。

第一单片机将每次采集的数据差值，即F2、F3、F4、F5，发送至第一无线收发模块。

再进一步，所述的一种基于PVDF的跌到保护系统，其特征在于：第一单片机与第二单片机的通信部分。在C8051F020将数字信号通过串行端口传输给RF1100-232无线收发模块前，需设置数据发送的起始指令，对RF1100-232的波特率、信道、功率、ID号进行定量设置，并采用与RF1100-232同样的数据帧格式将数据传输给RF1100-232，在发送下一个帧数据前，需做延时处理。第一无线收发模块与第二无线收发模块之间点对点通信。

可知，在人行走过程中，一脚前足着地，另一脚足跟也着地。当测得左脚前足有压力值时，右脚足跟此时应有压力，即在行走时，一脚第3～4跖骨与另一脚足跟有压力值且此压力值应在标准范围内：

即：F2＞0且F3＜0或F4＞0且F5＜0时，F0、F1才在标准范围内。（以左右脚其中一只脚为基准），如不符合此条件，第二单片机便打开安全气囊。

更进一步，所述的一种基于PVDF的跌到保护系统，其特征在于：安全气囊的构造。第二单片机判断为跌倒时，则打开安全气囊，安全气囊构造如图4所示。所述安全气囊模块采用由天然橡胶作为安全气囊的“外壳”，高回弹海绵填充于安全气囊的内部，弹簧原件固定在安全气囊的左右两边，在使用之前应对左右弹簧压缩，同时内部的高回弹海绵压缩，再用抽气机将内部气体抽出，固定好后置于腰部。

所述安全气囊模块受指令后，弹簧原件迅速回弹，海绵膨胀，再由空气的进入使得安全气囊短时间进行迅速充气，以保护人体。

本实用新型实施中，在鞋垫及鞋底部分，第一电源模块、模数转换单元AD7705和第一无线收发模块RF1100-232和第一单片机C8051F020相连，PVDF压电薄膜传感器模块、AD转换模块AD7705与电荷放大模块相连，AD转换模块AD7705、第一无线收发模块RF1100-232与第一电源模块相连；在腰带上，第二电源模块、第二无线收发模块RF1100-232分别与第二单片机相连，第二电源模块与开关相连，安全气囊模块与第二单片机相连。

首先，将被保护者戴好装有7、8、9、10、11的腰带并穿好含有1、2、3、4、5、6的压力传感器有源电子标签鞋。然后由被保护者按下开关DS-314。这时，第二电源模块对腰部各模块进行供电，第二电源模块采用四颗CR2025，再通过连接三端电压芯片AMS1117-5.0制作一个5.0V的直流电源使第二单片机、第二无线收发模块进入正常工作状态。同时，第一电源模块开始供电。第一电源模块采用混合直流电源进行供电，由CR2025提供的电压通过三端电压芯片AMS1117-5.0芯片得到5V直流电源，可用于无线收发模块、AD7705的供电。再通过采用三端电压芯片AMS1117-3.3制作一个3.3V的直流电源为C8051F020提供电源。由5V直流电源经AD780输出电压2.5V，以此作为AD7705的参考电压。这样，位于鞋内的各模块均进入正常工作状态。这时，由第二单片机发送命令通过无线收发模块传送至第一单片机，第一单片机接收到命令后便控制PVDF压电薄膜开始搜集数据。被保护者开始行走后，通过位于左右两脚共四个区域（即第3～4跖骨与足跟）来采集左右两脚数据，其电荷产生与受力关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_i=d_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\σ}}_j\\ Q_i=d_{\mathrm{ij}}{F}_j\end{array}\right.$

式中，qi为薄膜单位面积输出的电荷；σ_j为薄膜承受的应力；Fi为薄膜承受的外力；Qi为薄膜总的输出电荷；dij为薄膜的压电应变常数。

再通过电荷放大模块将所测得的数据传输给AD7705模数转换单元进行模数转换，经AD7705模数转换后的数字信号将传送给第一单片机C8051F020进行第一步数据分析，再将分析后的数据传输给第一无线收发模块RF1100-232，再由无线收发模块将数据传输出去。这个过程所涉及到的计算：

第一单片机首先根据PVDF压电薄膜外力与电荷的关系来计算出所述Fi（薄膜承受的外力），并且先对前十次人体正常行走接收到的从左右两脚传来的数据进行储存，以十次中最小值（MIN）到最大值(MAX)作为标准范围。

计算过程如下：（以左右脚其中一只为基准）

第3～4跖骨：F0－F(MIN)=F2

F0－F(MAX)=F3

足跟：F1－F(MIN)=F4

F1－F(MAX)=F5

式中，F0为第一单片机接收的第3～4跖骨的数值，F1为接收到的足跟的数值。F(MIN)为所述储存的第3～4跖骨或足跟前十次数据的最小值，F(MIN)为所述储存跖骨或足跟前十次数据的最大值。F2、F3、F4、F5为差值。

第一单片机将每次采集的数据差值，即F2、F3、F4、F5，发送至第一无线收发模块，再由第一无线收发模块发送给第二无线收发模块。

接着，由位于腰部的第二无线收发模块接收左右两脚共四个区域的数据，再交由第二单片机进行进一步数据分析，此过程涉及到的计算：

可知，在人行走过程中，一脚前足着地，另一脚足跟也着地。当测得左脚前足有压力值时，右脚足跟此时应有压力，即在行走时，一脚第3～4跖骨与另一脚足跟有压力值且此压力值应在标准范围内：

即：F2＞0且F3＜0或F4＞0且F5＜0时，F0、F1才在标准范围内。（以左右脚其中一只脚为基准），如不符合此条件即可判断人体跌倒，第二单片机发送指令至安全气囊，再由安全气囊进行保护。

当位于腰带上的安全气囊打开后，由于高回弹性海绵以及弹簧的回弹、大气压强的作用，使得安全气囊迅速充气膨胀，由于高回弹海绵的柔性，使得在迅速打开后能够立即保护人体，从而缓解危害。

Claims (4)

1.一种基于PVDF的跌倒保护装置，其特征在于：包括用以检测使用者脚踩力的PVDF压电薄膜传感器模块，所述PVDF压电薄膜传感器模块与电荷放大模块连接，所述电荷放大模块与模数转换模块，所述模数转换模块与第一单片机连接，所述第一单片机与第一无线收发模块连接，所述模数转换模块、第一单片机、第一无线收发模块均与第一电源连接，所述跌倒保护系统还包括在第二无线收发模块、第二电源模块、第二单片机、开关和使用者腰带上安置的安全气囊模块，所述第一无线收发模块与所述第二无线收发模块通信连接，所述第二无线收发模块与所述第二单片机连接，所述第二单片机与所述安全气囊模块连接，所述第二无线收发模块、第二单片机均与所述第二电源模块连接，所述第二电源模块与开关连接。

2.如权利要求1所述的基于PVDF的跌倒保护装置，其特征在于：所述PVDF压电薄膜传感器模块安置在使用者所穿的鞋子的鞋垫内，在鞋底安置电荷放大模块、模数转换模块、第一单片机、第一电源模块、第一无线收发模块。

3.如权利要求1或2所述的基于PVDF的跌倒保护装置，其特征在于：所述PVDF压电薄膜传感器模块包括用于检测第3～4跖骨的脚踩力的跖骨传感单元和用于检测足跟的脚踩力的足跟传感单元。

4.如权利要求1或2所述的基于PVDF的跌倒保护装置，其特征在于：所述安全气囊模块中的安全气囊包括采用由天然橡胶制作的外壳，高回弹海绵填充于安全气囊外壳的内部，弹簧元件固定在安全气囊外壳的左右两边；所述安全气囊固定好后置于使用者的腰部。