一種基于pvdf的跌倒保護(hù)裝置制造方法
【專利摘要】一種基于PVDF的跌倒保護(hù)裝置，包括用以檢測使用者腳踩力的PVDF壓電薄膜傳感器模塊，PVDF壓電薄膜傳感器模塊與電荷放大模塊連接，電荷放大模塊與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與第一單片機(jī)連接，第一單片機(jī)與第一無線收發(fā)模塊連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、第一單片機(jī)、第一無線收發(fā)模塊均與第一電源連接，第一無線收發(fā)模塊與第二無線收發(fā)模塊通信連接，第二無線收發(fā)模塊與第二單片機(jī)連接，第二單片機(jī)與安全氣囊模塊連接，第二無線收發(fā)模塊、第二單片機(jī)均與第二電源模塊連接，第二電源模塊與開關(guān)連接。本實(shí)用新型的精度高、對測試者有充分保護(hù)。
【專利說明】-種基于PVDF的跌倒保護(hù)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及跌倒保護(hù)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及的是一種基于PVDF的跌倒保護(hù)裝 置。

【背景技術(shù)】
[0002] PVDF是由純度彡99. 99%的偏氟乙烯（VDF)均聚而成的涂料用PVDF可熔性氟碳樹 月旨，它兼具氟樹脂和通用樹脂的特性，除具有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫性、耐氧化性、耐 候性、耐射線輻射性能外，還具有壓電性、介電性、熱電性等特殊性能，且已得到廣泛應(yīng)用。
[0003] 現(xiàn)在的跌到系統(tǒng)檢測判斷是否跌倒的方法一般有：基于穿戴式的跌到檢測，一般 是將加速度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊佩戴在腰間，當(dāng)加速度達(dá)到跌倒閥值時，便判斷為跌倒，還 有含有穿戴于腳掌的壓力傳感器，左右腳掌各一個，根據(jù)掌心的壓力來判斷是否跌倒；針對 所攝圖像分析對象的實(shí)際運(yùn)動，即判斷人體姿態(tài)是否正常；基于聲學(xué)信號的跌到檢測，即根 據(jù)跌倒沖擊地面導(dǎo)致震動的頻率值來判斷人體是否跌倒。通過這些方法來檢測跌倒，存在 以下幾個問題：1)被穿戴人腰間的加速度檢測對跌倒條件的要求高且容易產(chǎn)生誤判；2)對 人體圖像，即姿態(tài)進(jìn)行分析，不能足夠的保障用戶的隱私且對光線等環(huán)境因素要求較高，誤 差較大且?guī)聿槐悖?)至于腳掌的兩壓力傳感器不能完整的反應(yīng)人體姿態(tài)狀況以及人體重 心位置，精度不夠，也使得誤判率增加；4)對聲學(xué)信號的檢測，其安裝復(fù)雜，同時受環(huán)境因素 非常大，當(dāng)材質(zhì)等發(fā)生變化時，誤差也就產(chǎn)生，且投入較大；5)許多跌倒檢測的檢測范圍有 限，被測試者的活動范圍受到局限。6)所有的跌倒檢測只針對于被測試者的跌倒?fàn)顩r，但并 未實(shí)施保護(hù)，這使得被測試者的危險度并未降低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有跌到檢測系統(tǒng)的精度低、無保護(hù)功能的不足，本實(shí)用新型提供了一 種精度高、對測試者有充分保護(hù)的基于PVDF的跌倒保護(hù)裝置。
[0005] 本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 一種基于PVDF的跌倒保護(hù)裝置，包括用以檢測使用者腳踩力的PVDF壓電薄膜傳 感器模塊，所述PVDF壓電薄膜傳感器模塊與電荷放大模塊連接，所述電荷放大模塊與模數(shù) 轉(zhuǎn)換模塊，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與第一單片機(jī)連接，所述第一單片機(jī)與第一無線收發(fā)模塊連 接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、第一單片機(jī)、第一無線收發(fā)模塊均與第一電源連接，所述跌倒保護(hù) 系統(tǒng)還包括在第二無線收發(fā)模塊、第二電源模塊、第二單片機(jī)、開關(guān)和使用者腰帶上安置的 安全氣囊模塊，所述第一無線收發(fā)模塊與所述第二無線收發(fā)模塊通信連接，所述第二無線 收發(fā)模塊與所述第二單片機(jī)連接，所述第二單片機(jī)與所述安全氣囊模塊連接，所述第二無 線收發(fā)模塊、第二單片機(jī)均與所述第二電源模塊連接，所述第二電源模塊與開關(guān)連接。
[0007] 進(jìn)一步，所述PVDF壓電薄膜傳感器模塊安置在使用者所穿的鞋子的鞋墊內(nèi)，另 夕卜，在鞋底安置電荷放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、第一單片機(jī)、第一電源模塊、第一無線收發(fā)模 塊。當(dāng)然，也可以為其他安置方式。
[0008] 再進(jìn)一步，所述PVDF壓電薄膜傳感器模塊包括用于檢測第3?4跖骨的腳踩力的 跖骨傳感單元，用于檢測足跟的腳踩力的足跟傳感單元。
[0009] 再進(jìn)一步，所述安全氣囊模塊中的安全氣囊包括采用由天然橡膠制作的外殼，高 回彈海綿填充于安全氣囊外殼的內(nèi)部，彈簧元件固定在安全氣囊外殼的左右兩邊；所述安 全氣囊固定好后置于使用者的腰部。
[0010] 本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思是：本實(shí)用新型采用了已廣泛應(yīng)用的PVDF技術(shù)，首先由人 為打開開關(guān)，由第二電源模塊為第二無線收發(fā)模塊、第二單片機(jī)供電。再由第二單片機(jī)發(fā)送 指令，通過兩個無線收發(fā)模塊將指令傳送至第一單片機(jī)后，便開始搜集人體前十次正常行 走的數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)谝粏纹瑱C(jī)將前十次正常行走的數(shù)據(jù)分析儲存之后，便開始將數(shù)據(jù)差值通過 兩個無線收發(fā)模塊傳送至第二單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析判斷，如果判斷為人體跌倒，則立即 打開安全氣囊進(jìn)行保護(hù)。
[0011] 本實(shí)用新型的有益效果是：判斷過程迅速，裝置簡單，更精確且有效地判斷人體行 走時是否跌倒；PVDF壓電薄膜傳感器模塊的合理分布，正確掌握了人體行走時的重心分布 狀況，并加以利用形成判斷；擴(kuò)大了被檢測人活動范圍，并可在被測試者行走的各個環(huán)境中 進(jìn)行保護(hù)；被測試者跌倒過程中迅速打開安全氣囊進(jìn)行緩沖作用，一定程度上保障了被檢 測者的安全；在保護(hù)用戶隱私同時，降低誤判率，實(shí)現(xiàn)了低功耗、低成本裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1是基于PVDF的跌倒保護(hù)系統(tǒng)搭建圖。
[0013] 圖2是電荷放大模塊的電路圖。
[0014] 圖3是第一電源模塊供電電路圖。
[0015] 圖4是安全氣囊模塊構(gòu)造圖，其中（a)為壓縮前的正面圖，（b)為壓縮前的俯視圖， (c)為壓縮后的正面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖做進(jìn)一步說明。
[0017] 參照圖1?圖4, 一種基于PVDF的跌倒保護(hù)裝置，包括在鞋墊內(nèi)安置PVDF壓電薄 膜傳感器模塊1，在在鞋底安置電荷放大模塊3、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4、第一單片機(jī)5、第一電源模 塊2、第一無線收發(fā)模塊6 ;所述跌倒檢測裝置還包括在腰帶上安置的第二無線收發(fā)模塊7、 安全氣囊模塊10、第二電源模塊8、第二單片機(jī)9、開關(guān)11。
[0018] 傳感器的部分：壓力傳感器種類很多，如電容式、壓阻式、壓電式等，其中絕大多數(shù) 存在體積太大或者精確度差等原因，不適合用于測量足底壓力?，F(xiàn)有的接觸壓力傳感器大 都為單點(diǎn)式，體積大且難滿足測量要求，所以本系統(tǒng)采用的傳感器需要有體積小、精度高等 特點(diǎn)。綜合考慮足底壓力測量的多個因素，最終選擇了 PVDF壓電薄膜作為本系統(tǒng)的傳感器 模塊。
[0019] PVDF薄膜具有明顯的壓電特性，與傳統(tǒng)的壓電材料相比，其具有動態(tài)范圍大、力電 轉(zhuǎn)換靈敏度高、機(jī)械性能強(qiáng)度高、膜輕且柔韌、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，且易形成不同形狀的壓電 薄膜傳感器陣列，在測試領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?？杀∧ど舷聝呻姌O面引出電極。
[0020] 參照圖2,電荷信號經(jīng)電荷放大模塊放大后，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。再 把數(shù)字信號交由第一單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；最后第一單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳送至第一無線收發(fā)模 塊。
[0021] AD轉(zhuǎn)換單元的選型：由于本系統(tǒng)要求測量精度高，所以對模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的精度 要求也相對較高。本系統(tǒng)采用16位的AD7705進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD7705提供了 AIN1(+)、 AIN1 (-)、DIN、D0UT、SCLK等引腳，方便與壓力傳感器相連接。同時，可通過公式計算AD7705 的精度：可通過以下公式計算出AD7705的精度 ：
[0022] l=a/2bKpa
[0023] 式中：1 一可以精確到的壓力值，a-量程，b-ADC的位數(shù)。其中，a=700Kpa，當(dāng)b=12 的時候，1=0. 171Kpa ;當(dāng) b=16 時，1=0. 0107Kpa。所以選擇 AD7705 芯片。
[0024] 第一單片機(jī)的選型：本系統(tǒng)第一單片機(jī)采用C8051R)20單片機(jī)，C8051R)20單片 機(jī)是一款高度集成的片上系統(tǒng)。它具有64K字節(jié)可在線系統(tǒng)編程的FLASH存儲器，4352 (4096+256)字節(jié)的RAM。總線接口類型豐富，擁有兩個UART串行接口、SPI (串行外設(shè)接 口）和SMBus (系統(tǒng)管理總線）/I2C (集成電路間總線)。其單周期指令運(yùn)行速度是8051的 12倍。
[0025] 無線收發(fā)模塊的選型：本系統(tǒng)選擇的是RF1100-232無線收發(fā)模塊，其內(nèi)部集成 CC1101低功耗無線通信芯片，提供四個引腳：VCC、GND、TXD、RXDj*ii&S2.7V?5.5V， 功率可調(diào)，提供三種接口：TTL/485/USB接口，可以直接連接單片機(jī)、轉(zhuǎn)串口 232/485設(shè)備及 PC串口實(shí)現(xiàn)串口通信，通信波特率有4800、9600和19200三種可調(diào)，提供256種信道，工作 于433MHZ頻段，并基于FSK調(diào)制，采用高效前向糾錯和信道交織編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗隨 機(jī)干擾和突發(fā)干擾的能力，且支持任何標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議。
[0026] 第一電源模塊的選型：第一電源模塊米用CR2025紐扣電池，其標(biāo)稱電壓為3V。第 一電源模塊共采用四個CR2025紐扣電池，其供電電壓值達(dá)到12V。C8051R)20本身是3. 3V 電壓的系統(tǒng)，第一無線收發(fā)模塊RF1100-232有寬電壓工作范圍：2. 7V?5. 5V，AD7705芯片 需要+5V，AD7705的基準(zhǔn)電壓需要2. 5V電源。因此，另一部分供電模塊設(shè)計為2. 5V、3. 3V 與5V混合直流電源。
[0027] 參照圖3,第一電源模塊供電電壓為12V，通過三端電壓芯片AMS1117-5.0芯片得 到5V直流電源；再通過采用三端電壓芯片AMS1117-3. 3制作一個3. 3V的直流電源。因 AD780輸入電壓為5V，輸出電壓為2. 5V，所以以此作為AD7705的參考電壓。
[0028] 第二無線收發(fā)模塊與第二單片機(jī)間的通信：當(dāng)人為打開開關(guān)后，第二電源模塊對 第二無線收發(fā)模塊、第二單片機(jī)進(jìn)行供電，當(dāng)?shù)诙o線收發(fā)模塊收到數(shù)據(jù)后便將數(shù)據(jù)傳輸 至第二單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析。
[0029] 第二單片機(jī)的選型：本系統(tǒng)采用低功耗、高性能的C0MS8位單片機(jī)STC89C52,其提 供了 32個I/O端口，兩個全雙工串行端口 TXD和RXD，通過串口可直接下載用戶程序，3個 16位定時器/計時器，4個外部中斷，STC89C52降至0ΗΖ靜態(tài)邏輯操作時，可選擇空閑模式 和掉電保護(hù)模式兩種節(jié)電模式，在空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串 口、中斷繼續(xù)工作減少功耗；在掉電保護(hù)模式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一 切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。
[0030] 第二單片機(jī)與安全氣囊模塊間的通信：通過第二無線收發(fā)模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，第二 單片機(jī)進(jìn)行整體數(shù)據(jù)分析，當(dāng)判斷人體跌倒時，則打開安全氣囊迅速充氣。其中，由第二電 源模塊為第二單片機(jī)供電，由開關(guān)控制第二電源模塊。
[0031] 第二電源模塊的選型：第二電源模塊采用四顆紐扣電池 CR2025,其供電電壓達(dá) 12V，再通過主干路連接開關(guān)DS-314進(jìn)行控制，同時連接三端電壓芯片AMS1117-5. 0芯片得 到5V直流電源，再為第二無線收發(fā)模塊、第二單片機(jī)供電。
[0032] 所述開關(guān)選取DS-314按鈕開關(guān)，方便人為打開，同時控制電源。
[0033] 參照圖4,安全氣囊模塊外部采用天然橡膠，其內(nèi)部的左右兩邊安置彈簧，并在內(nèi) 部加入高回彈海綿，當(dāng)經(jīng)過壓縮、抽氣處理后，體積變小且可固定在腰帶上。當(dāng)?shù)诙纹瑱C(jī) 判斷人體跌倒時，便打開安全氣囊。
[0034] 進(jìn)一步，所述的一種基于PVDF的跌到保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于：傳感器模塊與第一 單片機(jī)的通信部分。第一電源模塊供電電路如圖3所示。首先第一電源模塊給各個模塊供 電，使各部分進(jìn)入工作狀態(tài)。再由PVDF壓電薄膜傳感器采集數(shù)據(jù)，PVDF壓電薄膜分布于左 右腳底第3?4跖骨處和足跟處，可根據(jù)受力與電荷的關(guān)系來計算壓力值：
[0035]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于PVDF的跌倒保護(hù)裝置，其特征在于：包括用以檢測使用者腳踩力的PVDF 壓電薄膜傳感器模塊，所述PVDF壓電薄膜傳感器模塊與電荷放大模塊連接，所述電荷放大 模塊與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與第一單片機(jī)連接，所述第一單片機(jī)與第一無線 收發(fā)模塊連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、第一單片機(jī)、第一無線收發(fā)模塊均與第一電源連接，所 述跌倒保護(hù)系統(tǒng)還包括在第二無線收發(fā)模塊、第二電源模塊、第二單片機(jī)、開關(guān)和使用者腰 帶上安置的安全氣囊模塊，所述第一無線收發(fā)模塊與所述第二無線收發(fā)模塊通信連接，所 述第二無線收發(fā)模塊與所述第二單片機(jī)連接，所述第二單片機(jī)與所述安全氣囊模塊連接， 所述第二無線收發(fā)模塊、第二單片機(jī)均與所述第二電源模塊連接，所述第二電源模塊與開 關(guān)連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于PVDF的跌倒保護(hù)裝置，其特征在于：所述PVDF壓電薄膜 傳感器模塊安置在使用者所穿的鞋子的鞋墊內(nèi)，在鞋底安置電荷放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、 第一單片機(jī)、第一電源模塊、第一無線收發(fā)模塊。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的基于PVDF的跌倒保護(hù)裝置，其特征在于：所述PVDF壓電 薄膜傳感器模塊包括用于檢測第3?4跖骨的腳踩力的跖骨傳感單元和用于檢測足跟的腳 踩力的足跟傳感單元。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的基于PVDF的跌倒保護(hù)裝置，其特征在于：所述安全氣囊 模塊中的安全氣囊包括采用由天然橡膠制作的外殼，高回彈海綿填充于安全氣囊外殼的內(nèi) 部，彈簧元件固定在安全氣囊外殼的左右兩邊；所述安全氣囊固定好后置于使用者的腰部。
【文檔編號】G05B19/042GK203869793SQ201420167170
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月8日
【發(fā)明者】馮藝瀟, 洪榛, 李橙橙, 劉杰, 陳陪杰, 王瑞, 谷銀銀, 李喜樂, 宋婷婷 申請人:浙江理工大學(xué)