智能安全保護背包系統設計分析

雷月圓,李瀟陽,郭曉旭

(北京經濟管理職業學院,北京 100102)

0 引言

根據我國當前的統計調查,老年人發生意外事件的概率是:跌傷的發生率為28.9%,碰撞受傷發生率為5.3%等[1]。但在現有的安全檢測系統中,僅在出現危險后進行事故處理,尋找他人協助與救護,并沒有對老人進行真實的安全保護[2]。本文進行了防范危險、檢測危險、處理危險的研究,設計了一款可穿戴的安全背包,對環境、健康、身體姿態等全方面進行檢測和防護。

1 系統總體構架

本文所設計的安全背包是為了檢測老人周圍環境及身體安全是否存在危險,處理老人發生的危險。

利用超聲波在空氣中傳播遇到障礙物返回的原理,本文設計采用了超聲波測距的技術,一旦檢測到有障礙物靠近時,系統會開啟蜂鳴器報警聲,提示老人遠離危險以及避免他人惡意靠近并撞倒老人。在老人快摔倒時,采用姿態DMP融合算法,計算出老人是否處于偏離正常站立角度。若檢測出老人處于失重、偏離狀態,立即彈出安全氣囊,避免老人與地面或者其他危險物體接觸。彈出氣囊保護老人后,通過藍牙、WiFi遠程操控技術,把老人出現的情況第一時間告訴在外工作的老人家屬。同時,結合醫療技術領域的溫度、心率量,掌握老人每日的身體健康情況。本文的系統整體設計如圖1所示。

圖1 系統整體設計

2 系統模塊設計

本文設計的老人安全背包由8個基本模塊、3個較復雜模塊和3個高級模塊組成。

2.1 基本模塊

基本模塊包含溫度傳感器、心率傳感器、超聲波傳感器、觸摸傳感器、OLED 屏幕、電機模塊、彩燈、蜂鳴器。溫度心率檢測流程如圖2所示。

圖2 溫度心率檢測流程

溫度傳感器Sensor-Temp&HumS2采用的規格是:電壓為3.3 V,溫度工作范圍為-40~125 ℃,分辨率精確到0.1 ℃,尺寸大小為23.5 mm×13 mm。在室溫狀態下,溫度改變率較小,人體接近,變化的趨勢較明顯,數據刷新速度較快,可以實時掌握人體體溫。

心率傳感器Sensor-Pulse采用的規格是:電壓在3.3~5 V,最大可6 V,輸出電壓有高電平5 V和低電平0 V兩種;工作電流為15 uA;工作溫度在-20~85 ℃;使用SON7015傳感器,超低功耗,耗電為0.2 mA。皮膚貼近傳感器后,信號傳輸的數字會隨血液的變化而變化,從而精準測出人體心率指數。

使用的超聲波傳感器工作頻率一般為40~45 kHz和23~25 kHz,有主要兩種規格:T/R-40-16,T/R-40-12[3](其中T表示發送,R表示接收,40表示頻率為40 kHz,16及12表示其外徑尺寸,以毫米計)。距離分辨率為1 mm,能準確地檢測到障礙物靠近。

觸摸傳感器采用電壓為5 V,23.5 mm×13 mm的規格,默認信號為1,按下為0[4]。 本文用于密碼解鎖,設定每個單片觸摸傳感器為特定的數字,正確的觸摸這些傳感器,輸入相對應的密碼才可正確無誤地啟動安全背包。

彩燈與蜂鳴器的嵌入,可以有效地降低有危險性的人或動物接近老人,從隔離危險入手,為老人的人身安全提供了很大的保護作用。也可在老人出現摔倒、撞到、迷路等情況時,實現原地報警作用,尋求外界幫助。為出現危險的后續做出了保障,不遺漏任何保護措施步驟。

2.2 復雜模塊

復雜模塊有:DMP模塊、姿態模塊、時鐘模塊。姿態DMP融合算法的流程如圖3所示。

圖3 姿態DMP融合算法流程

姿態mCookie-Motion模塊集成了3種傳感器,分別是三軸加速度、三軸陀螺儀傳感器(兩者統稱MPU6050)、數字氣壓傳感器(BMP180)[5]。姿態模塊把三軸加速度、角速度和磁場強度融合成四元數,再把四元數轉化為歐拉角,最后把Yaw偏航角、Pitch俯仰角和Roll滾動角(三角統稱歐拉角)作為控制量輸送到所有電機,達到控制姿態的目的

MPU6X00芯片自身帶有DMP解算功能,其中計算有一部分是利用IMU自身的資源。結合姿態模塊,當識別到人體姿態出現與正常站立姿態在一定范圍內偏差過大,則判定為即將摔倒傾向,立即發送信號至氣囊裝置。控制氣囊的裝置則會對信號進行一些處理,在短暫的0.05 s之內迅速引爆安全氣囊的點火器,將氣瓶中的固態疊氮化鈉碰撞,生成大量氮氣至氣囊中[6]。 大量的氣體對氣囊填充,形成一個包裹型氣墊,將用戶緊緊裹在其中,尤其是頭部、胸部等關鍵部位保護[7]。 當檢測到用戶撞擊到氣囊之上,氣囊里面的氮氣則會因為總體積變小,壓力變大的原因使其從氣囊的排氣孔緩慢排出,從而使得氣囊不會因為氣體太滿,導致氣囊過硬,令用戶擁有較柔和的接觸感。

時鐘模塊可精確到年、月、星期、日、時、分、秒,結合OLED顯示屏為用戶提供了精確的時間信息。OLED顯示屏不僅可以顯示時間、溫度、心率等,還有最重要的顯示信息——監護人信息。為防止老人外出走失,或者遇到其他危險情況,路人或警察需緊急聯系監護人,即可通過OLED顯示屏上的聯系人姓名電話和家庭住址。

2.3 高級模塊

(1)WiFi模塊采用串口通信,可連接互聯網,可結合BLynk實現手機和mCookie互聯。所采用芯片是ESP8266,獲取設備ID和Secure Token即可實現遠程操控和實時傳輸數據至手機。目前的WiFi模塊還不能使用5G網絡,且使用的3.3 V電源的核心波特率不能高于57 600。本文設計采用的波特率為9 600,否則無法實現連接狀態。

(2)藍牙模塊支持iBecons模式和藍牙相應傳輸協議與CoreUSB核心模塊通過串口進行通信。可實現手機端與設備端互相發送信息。手機端發送信息至藍牙模塊,設備即可通過監聽來接受mCookie模塊發送的信息。本文設計可將檢測到的溫度心率等健康指標通過藍牙和WiFi傳送到目標手機,也可通過目標手機來控制彩燈的開關。

(3)NFC模塊:NFC是一種近距離無線通信技術,支持Mifare Classic加密,具有移動支付、數據傳輸和門禁等功能[8]。乘坐公交地鐵無須買票,出門無須帶鑰匙記密碼。功能較方便,收到數據可自動回復,可嵌入式應用;工作范圍廣,空曠地區可達100 m左右。本文設計實現的NFC功能,先通過串口監視器來獲取所指定的ID卡的卡值,將其設定為固定卡值,后續刷卡,若檢測到卡值為其卡值,即可成功開啟,若不是其卡值則不會有任何反應。NFC模塊使用的波特率可選擇115 200,但本文設計使用的是9 600。

3 系統軟件設計

本文設計的目的是老人穿戴上安全背包,可以在多重技術保護下擁有一個健康安全的生活。老人使用密碼或者NFC成功解鎖即可安心地自由活動,若解鎖失敗,系統會閃爍起紅燈提醒重新解鎖;如若多次解鎖失敗,系統則會認定不是背包主人,通過藍牙或WiFi通知監護人,與其確定是否為主人。正常解鎖即可開啟每日的體溫、心率等健康檢測。體溫和心率與正常情況出現較小差別,系統會根據云服務中的參數對比,給予老人相適應的解決方案,如注意保暖、多喝熱水、吃指定的藥物等。如若出現重大疾病等情況,系統會通過遠程上傳數據通知監護人。健康的體態也要注意外界事故發生,超聲波時刻檢測是否有危險物靠近,若有近距離物體靠近,則會開啟警報模式,提醒對方或老人遠離。檢測到障礙物加速接近,即可判斷為惡意中傷型危險物,立即啟動遠程報警或通知監護人。老人在行動過程中出現失重狀態迅速展開氣囊采用急救保護裝置,并根據周圍是否有人、是否能尋求到幫助,來選擇就近報警尋求幫助或遠程報警,且遠程上傳實時定位及老人身體情況。若無危險,系統會一直循環排除危險,為老人構建健康生活。系統流程如圖4所示。

圖4 系統流程

4 結語

本文采用先進智能系統實現對老人的安全保障,老人可正常穿戴安全背包,與其他背包無差別,使用的是輕便、功率高的硬件。正常情況下,DMP姿態融合算法不會觸發安全氣囊的彈出;通過加密的NFC卡值,他人無法盜刷啟動背包;危險人物或者障礙物靠近時,超聲波測距會精確檢測距離發出警告;溫度、心率等健康指標,無須特意檢測,背包與人體接觸,即可掌握信息并傳輸給家屬。為老人的生活、出行,提供了巨大的安全保障,全方面保護老人。