南华大学电气工程学院 何培男 李月华 杜金朋 袁 泓 李春杨 王乐为

针对现有的可穿戴老年防摔设备售价昂贵、气囊展开速度较慢、实用性欠缺等缺点，提出了一种基于硝酸铵和叠氮化钠等化学原料产生充气气体的方式，利用阈值法检测判断佩戴者是否跌倒，同时设计出配套的防摔气囊系统进行试验验证，实验结果表明，基于这种化学方法充气的新型老年防摔气囊系统气囊具有展开速度快、成本低、检测成功率高、安全可靠等特点，给老年人跌伤问题提供一个较为完善的解决方案。

随着世界人口老龄化问题的不断加剧，社会在老年人看护方面需要投入更多的人力和财力。据相关数据表明，全世界每年有60多万人直接死于跌伤。同时，资料显示国内在二十世纪末就正式进入了老龄化社会，我国的老年人口数居世界之首。据统计，我国每年约有百分之三十到百分之四十的老年人发生过跌倒，而跌倒可能会导致老年人发生软组织或骨质受到损伤，甚至出现中风、脑溢血等严重后果，影响老年人的身心健康，增加家庭和社会负担。现有的老年人体防摔装置可以大致分为两大类：伦敦帝国理工学院研发的新型防护材料类和法国Helite公司研发的充气式腰带类。通过研究比较，发现已有产品普遍存在售价昂贵、气囊展开速度较慢、实用性欠缺等不足。本文参考汽车安全气囊的工作原理，提出一种基于化学合成气体的方式进行充气的新型老年人防摔气囊系统。

1 整体设计方案

如图1所示，本文采用STM32单片机作为控制芯片，同时通过六轴陀螺仪MPU6050模块来检测加速度和角速度的值，最后利用点火装置和气体发生装置在规定时间内使气囊膨胀。一旦检测到跌倒事件发生，装置上的微处理器立即发出点火信号，并使得气体发生装置开始后续化学反应。

图1 系统总体设计框图

本文采用的是基于MPU6050加速度传感器的老年人跌倒检测算法。该系统主要基于人体的跌倒与运动时的姿态特性，利用倾斜角度和总合成加速度作为失重与准备撞击地面姿态的判断标准。此算法可以减少需要占用的主控芯片资源，保证系统实时性。

本文的老年防摔气囊系统结构设计如图2所示。本系统总成本约在五百元以内，远小于市面上已有的几千元同类产品，可以快速推动该类保护装置的普及范围，具有一定的市场推广价值。

图2 产品结构示意

2 跌倒检测算法

老年人的跌倒过程可以大致分为失重和准备撞击地面共两个不同的阶段。本文通过老年人身体运动时的加速度变化和倾斜角度变化这两个特征，建立与阈值比较的跌倒判断模型。首先，分别设定两个阶段中老年人的特征值。如果在某个时间段里连续而且顺序地检测到了失重和准备撞击两个阶段的状态值，则可以判断该名佩戴者发生跌倒，本文通过模拟实验得到了人体摔倒时的总合成加速度变化数据如图3所示。

图3 跌倒时总合成加速度变化

当老年人在开始摔倒的状态下，身体的总合成加速度会有一个明显减小的失重过程。通过多次试验的比较发现，可以设定一个总合成加速度的阈值，根据老年人在佩戴气囊时的总合成加速度是否小于阈值加速度来判断该名老年人是否处于预设的失重状态。

3 防摔气囊设计

3.1 气囊组成及气体产生

防摔气囊主要由饰盖、捆绑线、点火装置、气体发生装置及气袋组成。气体发生器则装有硝酸铵NH4NO3和叠氮化钠Na N3等化学物质。当检测到老人摔倒时，点火装置启动该化学产气反应，这些化学物质会迅速发生预设的化学分解反应，迅速产生大量的气体给防摔气囊充气。在反应中Na N3被迅速分解，产生少量的固体钠和大量的氮气，而硝酸铵则稍慢一点分解成大量的水蒸气和部分N2O气体，所产生的气体对人体无毒且对环境无害。此时四个防摔气囊的压力约为120Pa到360Pa之间。为了使佩戴者摔倒时收到的冲击力最小，单个气囊设计成弧形半球状并分为上下两瓣。同时为了摔倒时气囊间不会散开令佩戴者在空隙中收到碰撞，本文产品设计有捆绑束缚线，对气囊展后进行限位，最大程度的保护老年人。

气体发生的化学方程式：

为了使气囊在峰值压力下保持良好的抗压能力，选用尼龙66、420布料，同时设计有泄气孔，无涂覆层。饰盖采用贴合人体的弹性布料。气囊结构如图4所示。气囊主体设置有泄气孔，保证在气体产生后可以及时排出，防止涨袋造成二次损伤。

图4 气囊结构剖面

3.2 气囊的工作原理

在老年人摔倒倒地前，防摔气囊的控制系统会检测到佩戴者身体的姿态变化，当加速度同时超过设定值时，主控芯片立即发送点火信号，接通装在元件内的电爆管电路，通过电爆管点燃点火介质，电子火花引燃药粉使得气体发生剂发生化学反应，产生大量的无毒气体，在15ms的时间内向四个防摔气囊充气，使得防摔气囊急剧的膨胀，冲破腰带的外饰后膨胀鼓向人体和地面的间隙，使老年人的腰部和臀部在摔倒触碰地面前接触到充满气体的防摔气囊上，缓冲正常跌倒对身体的伤害，随后通过泄气孔将气囊中的高压气体放出。

4 系统硬件设计

系统的硬件架构如图5所示。对于跌倒信息的采集，本文选用市面上常见的MPU6050六轴陀螺仪加速度计，该模块可以实时输出检测到并量化后的三轴的角速度和三轴的加速度，同时，方便系统对于老年佩戴者当前的身体状态进行判断。对于该系统的电源部分，本文采用了TP4056，该芯片可以通过输出线性的电压，对系统中的2000mAh的18650锂电池进行短时间大电流的连续充电，避免电池提早老化延长使用寿命。同时通过STM32单片机自带的ADC对锂电池进行检测，当检测到的电压低于一定值时则直接开启低功耗模式或关机。

图5 硬件架构图

5 实验验证

模拟跌倒检测实验验证结果如表1所示，对常见的人体姿态及跌倒的方式情况作模拟实验统计，该系统检测成功率为98%。总共200次的模拟实验中，检测失败的次数仅为4次，属于实验过程中遇到的随机误差。模拟实验结果表明，本文通过阈值法检测的成功率较高。

表1 模拟跌倒检测实验数据

本文所述的新型防摔气囊与市面上现有的智能防摔服产品进行比较实验结果，总共100次的模拟实验中，两产品摔倒检测成功率均较高，但新型气囊采用的化学方法充气，速度明显比现有产品的充气方式迅速。比较实验结果表明，本文设计的新型防摔气囊系统充气速度较现有产品更为迅速。

本文针对老年人意外跌倒导致的跌伤问题，基于STM32单片机设计，通过配置MPU6050加速度计，很好地将硬件设备和软件算法相结合，同时针对市场上现有的防摔产品的不足提出了结合汽车安全气囊化学充气的方式，增强了气囊展开的及时性。该装置经过不断的设计改进，能够一定程度上地解决现有社会中的老年人意外跌倒导致身体受伤的问题。同时，具有气囊展开迅速、成本低廉、安全可靠等特点，具有一定的市场推广价值。