基于Arduino的自动防护腰带设计与研究.pdf

第 5 卷 第 8 期 新一代信息技术 Vol.5 No.8 2022 年 4 月 NEW GENERATION OF INFORMATION TECHNOLOGY Apr.2022 通讯作者:宋君君(1983)，女，讲师，研究方向：机电一体化技术。DOI:10.3969/j.issn.2096-6091.2022.08.006 基于 Arduino 的自动防护腰带设计与研究 宋君君(德州职业技术学院，山东 德州 253034)摘 要：本文主要研究自动防护腰带，属于防护领域产品，主要应用于老年人，尤其无人护理的空巢独居老人。本产品设计为腰带结构，佩戴于腰间，采用陀螺仪加速传感器来检测老年人的身体运动状况，通过 Arduino 硬件平台实现老年人跌倒状态的分析、判断及通讯，检测到老人即将摔倒时，防护腰带中隐藏的气囊可以在老人摔倒前瞬间弹出及时保护，减轻摔倒带来的伤害。通过准确判断老年人摔倒姿态，为老年人摔倒救援提供一套可行的方案。同时可通过移动终端实时监控老年人状态，智能防护，轻巧方便。关键词：防摔腰带；陀螺仪加速传感器；Arduino 硬件平台；智能防护 本文著录格式：宋君君.基于 Arduino 的自动防护腰带设计与研究J.新一代信息技术，2022，5(8):22-24 中图分类号：TP37 文献标识码：A Design and Research of Automatic Protective Belt Based on Arduino SONG Jun-jun(Dezhou Vocational and Technical College,Shandong Dezhou 253034,China)Abstract:This paper mainly studies the automatic protective belt,which belongs to the field of protection products,mainly ap-plied to the elderly,especially the empty nest elderly living alone without human care.This product is designed as a belt structure,worn on the waist,the use of gyroscope acceleration sensor to detect the physical movement of the elderly,through the Arduino hardware platform to achieve the analysis,judgment and communication of the elderly falling state,detected that the elderly are about to fall,the air bag hidden in the protective belt can be popped up in time before the elderly fall,reducing the damage caused by the fall.By accurately judging the fall posture of the elderly,it provides a feasible plan for the elderly to fall rescue.At the same time,the status of the elderly can be monitored in real time through the mobile terminal,intelligent protection,light and convenient.Key words:anti-drop belt;gyroscope acceleration sensor;Arduino hardware platform;intelligent protection Citation:SONG Jun-jun.Design and Research of Automatic Protective Belt Based on ArduinoJ.New Generation of Informa-tion Technology,2022,5(8):22-24 0 引言 我国老龄化严重，慢慢会出现越来越多的老年人空巢化的情况。老年人的安全成为了至关重要的部分。据统计，跌倒是危害老年人健康的第一诱因。每年约有 1/3 的老年人摔倒一次以上，更为严重的是其中很多人还会再次摔倒，而且随着年龄的增长，发生危险的比例也会增加，据统计，80 岁以上老年人摔倒的概率高达 50%。老年人摔倒后会引发很多问题，全身各处都有可能受伤，跌倒后约 515%会造成脑部损伤、软组织损伤、骨折、脱臼等并发症，严重的还会造成死亡，但对老年人影响最大的是因摔倒导致的骨折，老年人因为骨骼骨质疏松的原因，轻微的跌倒都可能引起骨折的风险，比较常见的是桡骨远端骨折，髋部骨折，腰椎骨折和其他部位的骨质疏松性骨折。跌倒还会给老人造成心理阴影，因害怕摔倒而影响正常行走。这些问题会给老年人带来极大的挑战，所以预防跌倒尤为重要。目前，我国没有一款自动化装置可以做到自动防护老年人摔倒并在国内老年人防护工具市场占据主要地位。据统计，常见的老年人护理设备多数为简单工具，如轮椅、护膝、帽子等，使用虽方便，但对老年人的防护功能相对有限。随着我国人口老龄化发展，空巢老人急速增多，在老人日常的防护过程中产品的智能化显得格外重要。为此，本文设计了一款能够对老年人的髋关节进行有效保护的装置，对老年人的腰部到膝盖以上的部位进行有效保护。1 系统设计框架 老年人摔倒的原因很多，情况也很复杂，摔倒8 期 宋君君:基于 Arduino 的自动防护腰带设计与研究 23 时往往具有突发性，是个快速的过程，摔倒时身体可能会出现前倾、后仰、侧卧等多种情况，需要及时掌握老年人运动的姿态数据，包括身体转动角度和加速度的值。本文预搭建一个可以准确判断老年人摔倒时姿态改变的系统，为老年人摔倒救援提供一套可行的方案。通过模型验证系统的可行性，本文设计一款适合老年人穿戴的，在老年人向后或者侧面摔倒时能够对老年人的髋关节起到保护作用的防护设施。根据保护部位的要求，设计为腰带结构较为合理，构建防摔倒保护腰带的三维模型，制作防护模型进行实验验证。自动防护腰带是一款定位基于智能硬件的老年人摔倒报警和防护可穿戴系统，其控制系统主要由主控制器、陀螺仪加速传感器和 GPS监控通讯模块，安全气囊，气囊控制器，电源，气瓶等组成。主控制模块以 Arduino 控制板为核心。主控制模块主要用来检测老年人跌倒的状态，判断老人是否真的要跌倒，排除老人的假跌倒。陀螺仪加速器主要用于检测老年人的身体运动幅度，采集活动速度，将采集到的老人运动活动等信息发送到主控制器。气囊控制器，主要用于接收老年人跌倒信号，控制气囊迅速打开。远程监控模块主要由 GPS模块构成，可实现远程监测老年人情况。电源，用于供给产品电源，维持产品工作。安全气囊，采用橡胶材料，可循环使用，安全性能好，质量要求高。1.1 硬件部分 主要由主控模块、陀螺仪加速度传感器、GPS定位模块、气瓶、气囊组成。利用安全气囊来保护老人，减轻摔倒受到的伤害；利用气瓶内 CO2对气囊进行充气，快速迅捷；采用尼龙粘接带包裹气囊，节省空间，保持整体美观；利用针织皮筋带连接两端插口，贴身舒适，活动方便，不会产生束缚感。爆炸图如图 1 所示。图 1 结构爆炸图 Fig.1 structural explosion diagram （1）主控制模块以 Arduino 控制板器为核心，主要用来分析、判断老年人跌倒的状态及检测通讯。（2）陀螺仪加速度传感器主要用于检测老年人的身体运动幅度，采集活动情况。本文所用的为高精度的六轴运动处理组件MPU6050，是一个三维的角度传感器，可准确追踪快速与慢速的运动，在加速度传感器模块内部集成了姿态融合算法，能够在动态环境下准确获取并输出跟踪者的当前姿态，稳定性极高。（3）远程监控控制模块主要由 GPS 模块构成，可远程监测老年人状况。（4）电源用于供给产品电源，维持产品工作。（5）安全气囊采用橡胶材料，可循环使用，安全性能好，质量要求高。（6）气囊控制器用于接收控制器送来的老年人跌倒信号，并迅速打开气囊。（7）气瓶用于给气囊冲入气体，小巧方便，构造简单。设计产品外观，要求外观简洁，佩戴舒适，方便操作无需复杂操作，重量轻盈，按钮图标醒目方便确认。1.2 软件设计 主控程序用于储存判断老人摔倒的三维空间加速度值的判断条件，采用三轴加速度传感器实时采集人体的三维加速度值，并由 Arduino 控制系统进行三维加速度值的数据传输，进行对比分析，当确认老年人跌倒时，检测到的三维空间加速度值符合程序设计的判断数据，将会发送信号给气囊传感器，气囊弹开，老年人佩戴的腰带通过发送指令给监护人的手机，启动 GPS 精准定位，将发生跌倒的位置通过无线通信的方式告知监护人或设定人员，该软件支持监护人随时发信息，自动查询被监护人状态，用于储存老人摔倒状态时的身体状况。主控流程图如图 2 所示。2 主要用到的关键技术 2.1 Arduino 控制技术 兼具稳定性和易开发的开源型 Arduino 控制系统，包括硬件和软件两部分，在产品的使用和操作时，为达到更加精准的细节动作检测，实现动作过程的精准判断，本项目所用核心控制硬件为 Arduino nano。推动操作系统向简便化和精细化发展。2.2 三维运动数据分析监测技术。本产品通过陀螺仪加速传感器，对腰带佩戴者进行检测，实时采集包括佩戴人的身体运动幅度、活动速度等信息；将采集到的信息发送到主控制器。通过Arduino控制系统实现运动数据的分析和检测，判断佩戴人是否真的要跌倒，排除误动作的假跌倒。防护系统设计的重点是准备判断摔倒并迅速做出反映，达到防护效果。人在行走、下蹲、跳跃等 24 新一代信息技术 2022 年 图 2 主控流程图 Fig.2 main control flow chart 活动过程中，身体在某个方向上的加速度、速度和位移也会发生变化，但是很多情况并未摔倒，如果仅根据各方向上的加速度变化很难准确分辨出跌倒动作，本文通过分析陀螺加速度计 MPU6050 输出的数据，获取大幅度的加速度变化量，将稳态后与跌倒前的身体水平角度比较来实现摔倒检测判断，控制器通过分析对比数据，如判断为摔倒状态，则启动气囊开关迅速弹出安全气囊，起到保护作用。软件设计的重点是通过分析加速度变化值准确地判断摔倒信息，发送给控制器。因此获取六轴加速度传感器准确的数据是程序设计和硬件设计的重点，但因为这是个动态变化数据，且数据中含有大量噪声，因此需要对数据进行滤波处理，去除数据信号中的噪声。本文在编程时，将获取到的六轴加速度传感器数据进行编程，实现滤波，使用算法实现简单、去噪效果明显的小波阈值滤波。小波阈值滤波，计算量和编程量小。程序结构更加简单。3 技术性能指标 产品可以使用的环境温度：055，环境湿度：1585%之间不结露，使用地点：室内外，额定电压：5 V，上下极限电压：2030 V，额定功率：0.5 W，气囊弹开后厚度和宽度约为 40 mm550 mm，重量大约 500 g 左右。防护腰带模型类似腰带，为验证实际效果，通过实验进行测试，测试时选取相对较为平坦的地面，铺上瑜伽垫，随机让不同年龄段的人进行模拟摔倒的实验。每名实验对象进行 20 次实验，得到表 1 实验结果。表 1 实验记录表 Tab.1 test record 性别实验次数/次 检测正确次数/次 准确率/%男 200 166 83 女 200 160 80 由表 1 可见，准确率均在 80%以上，因此本产品的准确率较高。4 结论 自动防护腰带，可以有效减轻老年人摔倒受到的伤害，为老年人的健康提供了可靠的保障，为老年人意外跌倒的救治争取了时间。与市场现有的产品比较，在价格上有明显差异，通过采用系统建模，结合三维运动数据分析监测技术的产品较为廉价，可以大幅度降低产品的成本。在稳定性方面也有良好的表现。有绝对的可行性，其经济效益良好，应用价值高。参考文献 1 张毅,任同辉,罗元.基于多传感器数据融合的人体运动模式识别研究J.计算机测量与控制,2016,24(01):303-307.2 孙曙光,庞毅,王景芹,等.一种基于新型小波阈值去噪预处理的EEMD谐波检测方法J.电力系统保护与控制,2016,44(02):42-48.3 赫彬,张雅婷,白艳萍.基于ICA-CEEMD小波阈值的传感器信号去噪J.振动与冲击,2017,36(04):226-231+242.4 江敏.基于GPS/GSM的远程定位监控系统设计D.西华师范大学,2016.5 Wu H,Ouyang P.Fall Prevalence,Time Trend and Its Related Risk Factors Among Elderly People in ChinaJ.Archives of Gerontology and Geriatrics,2017,73:294-299.6 关桂霞,朱虹,关永,等.GPS定位误差分析与状态估计J.计算机工程,2008(01):236-237+249.7 Guan G,Zhu H,Guan Y,et al.GPS Positioning Error Analysis and State EstimationJ.Computer Engineering,2008,1(34):236-238.8 Xiong C,Stolle C,Lhr H.The Swarm Stllite Loss of GPS Signal and Its Relation to Ionospheric Plasma IregularitiesJ.Space Weather,2016,14(08):563-577.9 Koreni N,Horvati M.Small Electric Dc Motor Speed Control with Arduino Development PlatformJ.Tehniki glasnik,2015,9(01):70-76.10 常亚兵,郑建立.基于ZigBee和GSM网络的智能家居系统的设计J.电子设计工程,2016,2 4(02):132-134.11 王赛男,邢冬梅.基于MATLAB的小波阈值滤波与应用J.软件,2015,36(10):102-104.12 Cai S,Shan Z,Zeng T,et al.Human Activity Recognition Based on Smart Phones 3-Axis Acceleration SensorC.International Conference on Smart Computing and Communication.Springer,Cham,2016:163-172.宋君君(1983)，女，本科，讲师，研究方向：机电一体化技术。