基于陀螺仪的微型防摔传感器手杖设计

    张浩

    

    

    摘要：为了便于对空巢老人进行实时监控，实现无人化健康管理，文章提出了手杖的设计方案。当老人借助手杖运动时，手杖可以帮助老人调节身体平衡，防止摔倒。首先将微机械陀螺仪置于机械智能手杖中，其次通过结合加速度传感器、地磁传感器和单片机技术，将机械装置、驱动部件、电控系统构成一个具有特定功能的完整系统，最终实现对老人的实时监控和无人化健康管理。

    关键词：微机械陀螺仪；智能防摔手杖；GPS

    1.背景技术

    随着社会老龄化程度的加深，空巢老人越来越多，已经成为一个不容忽视的社会问题，年龄的增长，老人身体机能渐渐衰退，身体平衡能力降低，极大威胁老人生命安全。因而将物联网技术应用到空巢老人的助立甚为重要。物联网技术的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，是实现自动检测和自动控制的重要技术。本设计的意义有：第一，便于对空巢老人监控，实现无人化健康管理；第二，当老人借助拐杖运动时可以帮助老人调节身体平衡防止其摔倒。

    2.工作原理及性能分析

    工作原理：物体的平衡问题是物理学中一大类问题，物体在重力和支持力下的平衡又可分为稳定平衡、不稳定平衡和随遇平衡3种。当物体稍微偏离平衡位置，若重心升高，就是稳定平衡；当重心降低时，是不稳定平衡；如果重心的位置不变，就是随遇平衡。

    从物理学的原理可知，重心的位置和物体的平衡之间有着密切关系，主要体现在两个方面：物体的重心在竖直方向的投影只有落在物体的支撑面内或支撑点上，物体才可能保持平衡。物体的重心位置越低，物体的稳定程度越高。

    对于正常人来说，如果出现站立不稳的情况，一条腿会不自觉地向后移动进行支撑防止摔倒，而这就是所谓的“backward step”原理。而对于老年人来说，由于年纪增大，动作变慢和反应逐渐迟缓，后退一步的动作往往来不及做出，他们就已经摔倒。

    利用该原理提供一种自动调节老人身体平衡的智能手杖，能够根据老人身体平衡进行自动预警和调节，避免老人摔倒，当老人出现站立不稳的情况，经过传感器和处理单元控制手杖向后伸缩，增大老人的支撑面。

    传感器方面：微机械陀螺仪是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，微机械陀螺仪是利用科里奥利力（Coriolis Force），即旋转物体在径向运动时所受到的切向力。MEMS陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板。径向的电容板加在震荡电压作用下迫使物体作径向运动，横向的电容板用于测量横向科里奥利运动带来的电容变化。由于科里奥利力与角速度为正比关系，因此可由电容的变化计算出角速度。

    首先将微机械陀螺仪置于机械智能手杖中，通过结合加速器，地磁传感器技术和单片机技术，将机械构件、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。此时微电子机械系统不仅能够采集、处理老人身體是否平衡的信息，还能够通过芯片按照所获取的信息自主地根据老人身体失衡情况采取伸缩或者折叠手杖来调节老人身体平衡。

    工艺上采用微电子技术和微加工技术结合，满足严格的低功耗要求，因此也适用于对外形要求极端的老人专用智能手杖，进而通过单一紧凑封装技术，将6轴测试单元与3轴地磁传感器结合，提高结构灵活性，满足了手杖需求。

    当老人发生意外，可以通过GPS定位，同时将数据传输到手机App向家属发出警告。本设计便于家属第一时间知晓老人位置并在AOp上显示心率、血压、脉搏、体温，为老人的安全提供必要的保障。系统构成如图1所示。

    3.设计方案

    微型防摔传感器：将微机械陀螺仪，加速器和地磁传感器结合，严格满足低功耗，通过单一紧凑封装技术，将6轴测试单元与3轴地磁传感器结合，确保设计的灵活性，有助于延长电池充电时间间隔。

    医用传感器方案设计：设计主要针对巢老人身体平衡的监控，防止老人摔倒，此外还可以检测心率、血压、脉搏以及体温。

    （1）心率传感器：使用检测心率的集成模拟信号处理与数字处理技术的电路模块，输出同步与心脏搏动的脉冲信号，具有工作电压低、体积小、灵敏性强的特点。

    （2）血压传感器：使用双光学传感器，同时检测血压与脉搏。

    （3）体温传感器：采用负温度系数的热敏电阻作为感温原件，通过放大电路，将实时数据传输到芯片。

    App方案设计：包含服务器和手机终端。以账号的形式面向该App已有用户，提供功能和服务的软件。遵循各平台的统一的界面规范，使最终设计出来的界面效果达到最理想状态，同时适用于安卓系统和IOS系统，为群众提供便利。

    4.App功能及原理

    系统分为两大部分：服务器端和手机终端。服务器端包括数据库管理、数据库响应、数据生成等。手机终端包括三大模块。

    （1）位置信息模块。位置信息模块主要是通过GPS模块实现定位，然后将定位信息按照一定的算法进行采集与存储，并显示周边医疗信息。

    （2）数据存储控制模块。实现信息的数据存储和发送功能。传感器采集并通过GPS发送的数据将被处理、存储并显示在手机上。发送数据到服务器方式有传统的无线传输和发送短信两种方式。

    （3）无线通信模块。传感器硬件采集的数据通过无线网络传输至手机从而达到主动预警功能。

    5.性能分析

    （1）微型防摔传感器调节老人身体平衡，避免雨，雪天气老人出行的不便，微型传感器采用6轴测试单元与3轴地磁传感器结合，微机械陀螺仪是利用科里奥利力，由电容的变化反映角速度来提高手杖的灵敏度，防摔传感器采集到信息通过芯片处理后控制机械手杖伸缩避免老人摔倒。

    （2）医用传感器是应用于生物医学领域的那一部分传感器，是把人体的生理信息转换成为与之有确定函数关系的电信息的变换装置。它所拾取的信息是人体的生理信息，而它的输出常以电信号来表现。医用传感器作为传感器的一个重要分支，其设计与应用必须考虑人体因素的影响，考虑生物信号的特殊性、复杂性，考虑生物医学传感器的生物相容性、可靠性、安全性。传感器对被测对象的影响要小，不会对生理活动带来负担，不干扰正常生理功能。

    智能防摔手杖构造如图2所示，由低功耗微处理器、存储单元、GPS通信模块、传感器、电源等组成。

    6.智能防摔手杖终端设计构造

    智能防摔手杖终端设计构造如下。

    （1）低功耗微处理器：用来控制整个终端的正常运行以及选择通信的方式是选GPRS模块还是卫星通信。

    （2）存储单元：将传感器采集的数据进行存储并上传到手机App。

    （3）电源是由终端供电。

    （4）防摔传感器方面：灵活性强、功耗低、设备灵敏度高，通过手杖中芯片的处理控制手杖中机械结构调整老人身体平衡。

    （5）生理信息测量方面：医用传感器体积小，灵敏度高，可以全面检测心血管的疾病。

    （6）存储单元：用来存储老人的基本信息和数据处理过程中需要的程序等。

    （7）机械单元：通过处理器可控制手杖伸缩，调节老人的支撑面。