CN209691074U

CN209691074U - 一种多功能鞋

Info

Publication number: CN209691074U
Application number: CN201920532010.8U
Authority: CN
Inventors: 段优; 王亮亮; 杨晨; 刘思宇; 闵令智; 段亚腾; 王一凡; 王一琦
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2019-04-18
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2019-11-26
Anticipated expiration: 2029-04-18

Abstract

本实用新型一种多功能鞋，包括压力检测模块、微处理器和跌倒检测模块，压力检测模块设置在多功能鞋的前端，位于脚掌处，微处理器和跌倒检测模块设置在多功能鞋的后端，位于脚后跟处，压力检测模块和微处理器连接，用于检测脚底压力并发送给微处理器，跌倒检测模块和微处理器连接，通过三轴数字加速度传感器检测人体加速度变化信息并发送给微处理器，微处理器用于将压力检测模块和跌倒检测模块的数据与设定值进行比对判断，压力检测模块、微处理器和跌倒检测模块分别与电源模块连接用于供电。本实用新型采用了模块化设计，对于长时间使用，在维修及功能模块升级上具有很大的优势。

Description

一种多功能鞋

技术领域

本实用新型属于生活用品技术领域，具体涉及一种定位报警防跌倒的多功能鞋。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，越来越多的人不再关注基础的温饱问题，而是向人的安全健康方面进行投资。尤其是随着我国人口老龄化不断加剧，老年人能否安度晚年成为了社会热点话题。老年人走失、跌倒等危险成为困扰子女的一大问题。再比如，走夜路的年轻女士也面临许多安全隐患，如果不加以防范措施，会使不少犯罪分子有机可乘。上述不安全因素严重危害国民人身安全，影响社会稳定，不利于人民生活幸福指数的提高。从市场方面，我国目前有关安全防范及健康系列的可穿戴设备普及程度不高。市面上的商品质量良莠不齐，如何推出一款既具有定位报警防跌倒等功能，又能保证在较低的价格上具有更明显的保护效果的一款智能鞋，成为当下需要解决的燃眉之急。

目前存在的问题有：对于老年人来说，子女无法实现24小时监护，老人被保姆虐待事件层出不穷，再加上老年人安全意识模糊、行动力较差，容易受到坑蒙拐骗、走丢跌倒等危险，急需一种方便穿戴的监护设备。对于女性来说，长期加夜班及出差活动总会存在不安全因素。当遇险时，手机手环这类比较明显的设备容易激怒犯罪分子，可能会酿成更严重的后果。如果能将报警设备植入鞋中，隐蔽性和安全性就会大大提升，使受害者得到及时救援。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多功能鞋，通过在鞋中植入嵌入式系统实现对被监护人的实时精准定位，并将位置信息上传至监护人手机端 APP。

本实用新型采用以下技术方案：

一种多功能鞋，包括压力检测模块、微处理器和跌倒检测模块，压力检测模块设置在多功能鞋的前端，位于脚掌处，微处理器和跌倒检测模块设置在多功能鞋的后端，位于脚后跟处，压力检测模块和微处理器连接，用于检测脚底压力并发送给微处理器，跌倒检测模块和微处理器连接，通过三轴数字加速度传感器检测人体加速度变化信息并发送给微处理器，微处理器用于将压力检测模块和跌倒检测模块的数据与设定值进行比对判断，压力检测模块、微处理器和跌倒检测模块分别与电源模块连接用于供电。

具体的，多功能鞋内还设置有计步模块，计步模块与微处理器连接，利用三轴加速度传感器捕捉人体加速度的变化信息并发送给微处理器，计步模块与电源模块连接。

具体的，多功能鞋内还设置有定位模块，定位模块与微处理器连接，利用GPSOne进行实时定位并将定位信息发送给微处理器，定位模块与电源模块连接。

进一步的，定位模块采用DTGS-800模块，通过RS232总线与微处理器连接，能够将采集到的GPS卫星数据和CDMA基站码片数据发送至电信的MPC服务器进行运算，RS232总线与TTL电路之间通过SP3232芯片连接.

具体的，多功能鞋内还设置有通信模块，通信模块与微处理器连接，通信模块通过虚拟 eSIM卡将微处理器统计的数据发送至监护人的手机APP端，通信模块与电源模块连接。

具体的，压力检测模块采用柔性阵列式压力传感器，柔性阵列式压力传感器内部由横向和纵向导体的交叉点形成压力感应阵列，纵向阵列接测试电压test voltage，横向阵列通过运算放大器连接开关，开关和测试电压的输出经A/D后输出。

具体的，跌倒检测模块和计步模块均采用ADXL345三轴加速度传感器。

具体的，微处理器的型号为MSP430F14，MSP430F149的AVcc和DVcc引脚与电源模块的输出相连,AVss引脚和DVss引脚接地；MSP430F149的P1.2接压力检测模块的DO引脚；MSP430F149的P3.4和P3.6分别接转换元件SP3232的T1IN和T2IN；转换元件SP3232的 T1OUT和R1IN分别接定位模块的TXD和RXD；定位模块的DCD、RI、RFR、DTR、CTS 引脚分别接MSP430F149的P4.0、P4.1、P4.2、P4.3、P4.4引脚。

具体的，电源模块采用3.7V的锂电池。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：

本实用新型一种多功能鞋，压力检测模块基于柔性阵列式压力传感器检测到压力达到设定阈值时，由单片机发出控制指令将SOS报警信息通过通信模块发给监护人；跌倒检测模块通过ADXL345三轴数字加速度传感器检测人体加速度变化并采集数据，单片机通过相关算法判断是否跌倒并通过短信通知监护人，基于压力感应的远程监控是本实用新型的主要创新。人在平时活动时，会不可避免地对脚底施加不同程度大小的力。因此本实用新型将触发机关设置在了双脚两内侧，当双脚内测的压力传感器检测到的压力超过规定阈值时，并且在连续的3s内检测到4次及4次以上的阈值超越现象，则符合报警条件。基于阈值的检测算法能够精准地判断结果，且算法设置的特殊性能够避免误触发。

进一步的，计步模块利用加速度传感器捕捉加速度的变化从而生成数据。

进一步的，定位模块通过eSIM卡的通信模块将采集到的位置信息发送至监护人的手机 APP端完成实时定位。

进一步的，定位模块GPSOne综合了GPS、CDMAlX、GIS和互联网技术，采用Client/Server 方式，它将无线辅助A-GPS和高级前向链路AFLT三角定位技术有机结合，实现高精度、高可用性和较高速度的定位。DTGS-800模块是定位终端的主体，其内部集成有GPSOne器件，采用GPSOne解决方案定位；提供标准RS-232数据接口和标准的AT命令接口，为数据、短消息等提供快速、可靠、安全的传输。

进一步的，通过通信模块呈现于手机APP端，实现首次将报警定位等功能模块植入鞋中，相较于现有的智能手环而言，具有更大的实用性。尤其是对于老年人，出门忘记带手环的可能性比较大，但是本实用新型的多功能鞋不存在忘记穿的问题；对于长期需要独自外出的女性，鞋子相比于手环更加隐蔽，在遇到不法分子时，使用多功能鞋向紧急联系人发出求救信息不易激怒犯罪分子，能将危险系数降至最低；人在运动过程中佩戴手环会阻碍运动效果，这种多功能运动鞋更加能满足人们的需求。

进一步的，采用美国TEKSCAN公司的柔性阵列式压力传感器，其大小可以根据需求定制且柔性舒适，十分适合于可穿戴设备；ADXL345三轴加速度传感器能够实时捕捉人体加速度变化，并利用基于阈值的检测算法准确判断跌倒条件是否满足；计步功能也用ADXL345三轴加速度传感器来实现数据的采集。同一个传感器完成两个模块的功能，这样既节省空间，利于减小整个模块的体积，又能高效准确地同时完成跌倒检测和计步的功能。

进一步的，跌倒检测模块运用ADXL345三轴加速度传感器实时检测人体的加速度数据，再将采集到的数据上传至单片机中，单片机通过预先设定好的基于阈值的检测算法进行判断，跌倒判定条件从人体合加速度、人体合角速度、人体相对与地面的夹角三者综合来判定，若符合跌倒条件，单片机通过I/O接口向eSIM卡发送指令，将跌倒者的位置信息和跌倒警报一并发送给监护人的手机，以保证监护人能在第一时间发现跌倒者的处境。

进一步的，计步模块通过ADXL345加速度传感器，捕捉空间中的X，Y，Z三个维度的加速度，利用微处理器读取三轴加速度传感器输出的检测数据，其算法包括包括动态阈值和峰值检测。根据人体运动状态选择相应的数据进行处理，根据用户的运动状态，动态切换计算轴，从而实现对步数的统计、行走里程的测量，来实现多功能鞋的计步模块功能。

进一步的，多功能运动鞋采用MSP430F14作为中央处理器，该单片机不仅具有16位高效的微处理器系统、功能强大的外围电路资源，更重要的是它具有超低功耗的特点，这点对于高性能、便携式的可穿戴设备是十分重要的。

综上所述，本实用新型采用了模块化设计，对于长时间使用，在维修及功能模块升级上具有很大的优势。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为整体框架图；

图2为主控芯片功能模块图；

图3为电路原理图；

图4为电源模块原理图；

图5为柔性压力传感器内部电路图。

其中：1.压力检测模块；2.微处理器；3.计步模块；4.通信模块；5.电源模块；6.定位模块；7.跌倒检测模块。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参阅图1和图2，本实用新型一种多功能鞋，包括压力检测模块1、微处理器2、计步模块3、通信模块4、电源模块5、定位模块6和跌倒检测模块7，压力检测模块1、计步模块3、通信模块4、定位模块6和跌倒检测模块7分别与微处理器2相应的I/O口进行连接，由微处理器2控制整个系统的工作。定位模块6通过eSIM卡的通信模块4将采集到的位置信息发送至监护人的手机APP端完成实时定位；压力检测模块1基于柔性阵列式压力传感器检测到压力达到设定阈值时，由微处理器2发出控制指令将SOS报警信息通过通信模块4发给监护人；跌倒检测模块7通过三轴数字加速度传感器检测人体加速度变化，采集数据并发送给微处理器2，微处理器2通过相关算法判断是否跌倒并通过短信通知监护人；计步模块3利用三轴加速度传感器捕捉加速度的变化从而生成数据，通过通信模块4发送至手机APP端，电源模块5分别与压力检测模块1、微处理器2、计步模块3、通信模块4、定位模块6和跌倒检测模块7连接用于供电。

请参阅图3，微处理器2采用MSP430F149，MSP430F149是具有超低功耗模式的16位单片机，控制其他模块完成整个功能。MSP430F149的AVcc和DVcc引脚与电源模块的输出相连,AVss引脚和DVss引脚接地；MSP430F149的P1.2接柔性阵列式压力传感器的DO引脚；MSP430F149的P3.4和P3.6分别接SPSS3232的T1IN和T2IN；SPSS3232的T1OUT和R1IN 分别接DTGS-800的TXD和RXD；DTGS-800的DCD、RI、RFR、DTR、CTS引脚分别接 MSP430F149的P4.0、P4.1、P4.2、P4.3、P4.4引脚。

定位模块6综合了GPS、CDMAlX、GIS和互联网技术，采用Client/Server方式，将无线辅助A-GPS和高级前向链路AFLT三角定位技术有机结合，实现高精度、高可用性和较高速度的定位。定位模块6采用DTGS-800模块作为定位终端主体，其内部集成有GPSOne器件，采用GPSOne解决方案定位；提供标准RS-232数据接口和标准的AT命令接口，为数据、短消息等提供快速、可靠、安全的传输。

请参阅图3，GPSOne从蜂窝网络和GPS网络采集到地理位置数据，通过对数据的组合，生成精准的三维数据。CDMA无线网络是GPSOne技术的基础，需要一个CDMA硬件模块来支持定位技术。综合考虑本实用新型的需求，选用CDMA模块产品中体积最小、速度最快、成本较低的DTGS-800模块。整个定位过程需要由中断或者网络发起GPS请求，定位模块将采集到的GPS卫星数据和CDMA基站码片数据发送到电信的MPC服务器进行运算，然后以字符串的形式返回运算结果。DTGS-800与微处理器2之间的通信通过RS232总线来完成。 RS232和TTL电路之间必须要进行逻辑关系与传输电平的转换，在本实用新型中采用独立的转换元件SP3232芯片。

压力检测模块1利用柔性阵列式压力传感器如美国Tekscan公司的柔性薄膜网格传感器来检测压力。当柔性阵列式压力传感器的两片聚酯薄膜合二为一时，大量的横向和纵向导体的交叉点形成了压力感应点阵列，用电阻值的变化来反映压力的变化，传感器将采集到的数据反馈给微处理器，再由微处理器通过压力检测算法判断压力是否超过规定阈值，若在3s内持续发生阈值超越现象，则表示被监护人此时正处于紧急危险状态，单片机通过I/O接口向eSIM卡发送指令，从而及时向监护人发送SOS求救短信；

基于阈值的压力检测算法是通过实时检测压力值P(t)，与提前设定好的压力阈值pt(pressure threshold)进行对比，一旦超过，并且持续时间为3s以上，则判断为发生危险。判定受害者处于危险的条件为：

P(t)>pt且duration>3s

请参阅图5，柔性阵列式压力传感器内部电路结构是由横向和纵向导体的交叉点形成了压力感应阵列，由电阻值变化来反映压力变化，纵向阵列接测试电压test voltage，横向阵列通过一个运算放大器接到开关上，开关和测试电压的输出都接到A/D上，由A/D输出电信号。

跌倒检测模块7运用ADI公司推出的ADXL345三轴加速度传感器实时检测人体的加速度数据，再将采集到的数据上传至微处理器2中，微处理器2通过预先设定好的基于阈值的检测算法进行判断，若符合跌倒条件，微处理器2通过I/O接口向eSIM卡发送指令，将跌倒者的位置信息和跌倒警报一并发送给监护人的手机，以保证监护人能在第一时间发现跌倒者的处境；

运用基于阈值的检测算法来进行跌倒判断。该方法中规定人体发生跌倒的判断指标有：人体相对于地面的夹角angle；人体合角速度av(angular velocity)；人体合加速度acc(acceleration)。

用三个轴方向上的加速度的向量模来表征加速度特征，即合加速度如下：

由于跌倒方向不可预测，取三个轴方向上的角速度的模为合角速度如下：

人在跌倒时分为前后跌倒和侧面跌倒，因此夹角由俯仰角β和横滚角γ定义如下：

angle＝|β|+|γ|

再由SVM(支持向量机法)确定各阈值的大小。经计算加速度阈值：acc_t＝0.65g；角速度阈值：av_t＝67.4deg/s；夹角阈值：angle_t＝36.7deg。

发生跌倒的判定条件为：acc(t)＜acc_t且av(t)＞av_t且angle(t)＞angle_t。

计步模块3采用ADXL345加速度传感器，通过加速度传感器捕捉空间中的X，Y，Z三个维度的加速度，利用微处理器读取三轴加速度传感器输出的检测数据，根据人体运动状态选择相应的数据进行处理，根据用户的运动状态，动态切换计算轴，从而实现对步数的统计、行走里程的测量，来实现多功能鞋的计步模块功能；

人在行走时脚、腿、手臂、腰部都在运动，并会产生一定的加速度，从脚上测得的加速度是最准确的。

用动态阈值dt(dynamic threshold)来判断人是否迈出步伐。步伐迈出的判定条件为:加速度曲线进入动态阈值下方时，加速度曲线斜率为负。即sample_new＜sample_old。

用峰值检测pk(peak detection)来计算步数，取x,y,z三轴中加速度变化最大的一个轴来计算。

通信模块4使用CDMA无线网络技术，CDMA模块需要用eSIM卡进行用户识别并联网，使多功能鞋能够接入到中国电信的CDMA网络，从而使用蜂窝数据将被监护人的位置信息、计步信息发送至手机端，并进行SOS报警短信的发送。eSIM卡不需要设置独立的插卡座，是嵌入在主芯片内部的一种虚拟的SIM卡，使用时只需要后台激活即可；

电源模块5是本实用新型的能源支撑。为佩戴方便采用两节3.7V的锂电池对系统供电。 MSP430F149与ADXL345的工作电压可选为3.3V，而在CDMA模块中的DTGS-800供电电压为+4.0±10％，柔性阵列式压力传感器的驱动电路部分需要5V的工作电压。线性稳压器选用TPS71533，该系列的稳压器输入电压的范围为2.5V～24V。

请参阅图4，线性稳压器TPS71533的GND端接地，VIN端接RT9701CB的VOUT，TPS71533的VOUT接整个电源模块的输出V3.3，电池BETTERY的开关接RT9701CB的VIN 端，RT9701CB的GND接地。

优选的，电源模块5还加入RT9701CB作为电源管理芯片，可以在温度过高或过低时停止供电，以保护电路。

微处理器2采用MSP430F149中央处理器，微处理器2是具有超低功耗模式的16位单片机，其最小系统只需外加电源即可运行，外接高速晶振和低速晶振，如果需要低功耗休眠，可将高速晶振关闭，只使用低速晶振，以降低功耗。

一种基于压力感应的远程智能监控方法，包括以下步骤：

S1、通过压力检测模块采集双脚内侧的压力信息，通过跌倒检测模块采集人体加速度变化信息，通过计步模块采集空间三个维度的加速度信息，通过定位模块采用Client/Server方式采集位置信息；

压力检测模块采用柔性阵列式压力传感器采集双脚内侧的压力信息，跌倒检测模块采用三轴加速度传感器采集人体加速度变化信息，计步模块采用加速度传感器采集空间三个维度的加速度信息，通过定位模块采用采用虚拟eSIM卡进行信息传送。

S2、将步骤S1采集的信息发送至微处理器，微处理器根据接收到的信息进行判断；

S3、微处理器通过通信模块将步骤S2的判断结果发送至监护人的手机APP端进行实时监控，发送的信息包括SOS报警信息、跌倒报警信息、步数信息和位置信息。

本实用新型一种多功能鞋，在首次使用时，需要与手机端APP进行绑定操作。分为两种：老年款仅需与监护人手机进行绑定；成年款可以同时与自己的手机和紧急联系人的手机进行绑定。在非紧急触发情况下，鞋子主要起计步、定位和通信作用。在定位功能中，只要鞋子处于正常工作状态，都能从所绑定的手机APP中看到实时更新的位置信息。在计步功能中，第一次进行手机绑定操作时，需要输入用户准确的身高、体重、年龄，这一步对于加速度传感器数据捕捉及计步算法运算有很大影响。用户随时打开手机即可看到计步情况及消耗的卡路里。在通信功能中，eSIM卡作为一种虚拟的SIM卡，是直接嵌入到主芯片上的，不需要购买以往的物理SIM卡，用户只需按照eSIM微信客户端上的操作说明完成远程激活；开卡时，运营商只需要在后台开通业务和计费系统就能开展业务。由此即可完成多功能鞋与手机之间的无线通信。

当用户发生危险时，鞋子就会处于紧急触发工作状态。分为2种：危险报警触发和跌倒报警触发。

当用户遇到不法分子需要向家人秘密报警时，用户需要用一只脚的内侧去撞击另一只脚的内侧，保证在3s的时间段内连续对碰4次以上，使用力度大小约为用户可以听见对碰声音即可。操作完毕之后，鞋子会立即向紧急联系人发送短信，并告知受害者所处具体位置，这样受害人可以及时得到家人的救助不至于被不法分子侵害，将危险指数降至最低。

用户是老年人时，更有可能会触发跌倒报警。当老年人不慎跌倒时，加速度传感器会捕捉到人体运动状态异常，判断为跌倒后，监护人会立刻收到报警短信，迅速得知老人跌倒位置信息，第一时间采取救助措施。每个模块独立工作，但又相辅相成，共同协作打造一个高性能、低功耗的多功能鞋。

本实用新型一种基于压力感应的远程智能监控方法，能够准确采集用户发出的压力信息，实时检测跌倒者身体加速度的变化，精准地定位被监护人当前所处地址信息，并准确高效地完成计步功能。达到的效果是，第一时间收到受害人发来的报警信息或得知老人跌倒位置，并及时采取营救措施。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种多功能鞋，其特征在于，包括压力检测模块(1)、微处理器(2)和跌倒检测模块(7)，压力检测模块(1)设置在多功能鞋的前端，位于脚掌处，微处理器(2)和跌倒检测模块(7)设置在多功能鞋的后端，位于脚后跟处，压力检测模块(1)和微处理器(2)连接，用于检测脚底压力并发送给微处理器(2)，跌倒检测模块(7)和微处理器(2)连接，通过三轴数字加速度传感器检测人体加速度变化信息并发送给微处理器(2)，微处理器(2)用于将压力检测模块(1)和跌倒检测模块(7)的数据与设定值进行比对判断，压力检测模块(1)、微处理器(2)和跌倒检测模块(7)分别与电源模块(5)连接用于供电。

2.根据权利要求1所述的多功能鞋，其特征在于，多功能鞋内还设置有计步模块(3)，计步模块(3)与微处理器(2)连接，利用三轴加速度传感器捕捉人体加速度的变化信息并发送给微处理器(2)，计步模块(3)与电源模块(5)连接。

3.根据权利要求1所述的多功能鞋，其特征在于，多功能鞋内还设置有定位模块(6)，定位模块(6)与微处理器(2)连接，利用GPSOne进行实时定位并将定位信息发送给微处理器(2)，定位模块(6)与电源模块(5)连接。

4.根据权利要求3所述的多功能鞋，其特征在于，定位模块(6)采用DTGS-800模块，通过RS232总线与微处理器(2)连接，能够将采集到的GPS卫星数据和CDMA基站码片数据发送至电信的MPC服务器进行运算，RS232总线与TTL电路之间通过SP3232芯片连接。

5.根据权利要求1所述的多功能鞋，其特征在于，多功能鞋内还设置有通信模块(4)，通信模块(4)与微处理器(2)连接，通信模块(4)通过虚拟eSIM卡将微处理器(2)统计的数据发送至监护人的手机APP端，通信模块(4)与电源模块(5)连接。

6.根据权利要求1所述的多功能鞋，其特征在于，压力检测模块(1)采用柔性阵列式压力传感器，柔性阵列式压力传感器内部由横向和纵向导体的交叉点形成压力感应阵列，纵向阵列接测试电压test voltage，横向阵列通过运算放大器连接开关，开关和测试电压的输出经A/D 后输出。

7.根据权利要求1所述的多功能鞋，其特征在于，跌倒检测模块(7)和计步模块(3)均采用ADXL345三轴加速度传感器。

8.根据权利要求1所述的多功能鞋，其特征在于，微处理器(2)的型号为MSP430F14，MSP430F149的AVcc和DVcc引脚与电源模块(5)的输出相连,AVss引脚和DVss引脚接地；MSP430F149的P1.2接压力检测模块(1)的DO引脚；MSP430F149的P3.4和P3.6分别接转换元件SP3232的T1IN和T2IN；转换元件SP3232的T1OUT和R1IN分别接定位模块(6)的TXD和RXD；定位模块(6)的DCD、RI、RFR、DTR、CTS引脚分别接MSP430F149的P4.0、P4.1、P4.2、P4.3、P4.4引脚。

9.根据权利要求1所述的多功能鞋，其特征在于，电源模块(5)采用3.7V的锂电池。