基于STM32抗擠壓氣囊式頭盔設(shè)計

胡雪睿，賈 燁

（1.西南大學(xué)，重慶 400715；2.重慶文理學(xué)院，重慶 402160）

1 研究背景

近年來，隨著工業(yè)化進程的發(fā)展、自然環(huán)境的惡化，自然災(zāi)害頻發(fā)，如地震、塌方、山體滑坡等。據(jù)中國地震臺網(wǎng)統(tǒng)計，我國地震活動有4大特點：（1）地震多，我國大陸年平均發(fā)生24次5級以上地震，4次6級以上地震，0.6次7級以上地震；（2）強度大，21世紀以來全球共發(fā)生23次8級以上地震，絕大多數(shù)發(fā)生在海洋里，僅有的3次大陸8級以上地震均發(fā)生在我國大陸地區(qū)及附近；（3）分布廣，我國有30個省份發(fā)生過6級以上地震，19個省份發(fā)生過7級以上地震，12個省份發(fā)生過8級以上地震；（4）震源淺，我國大陸的地震94%以上都是淺源地震，易對地表的建筑物造成較為嚴重的破壞。數(shù)量及危害程度都較大，但救援人員的服裝較為簡單，缺少功能性防護，本身的安全難以得到保障[1]。

2 擠壓傷害分析

2.1 擠壓傷害現(xiàn)狀分析

救援群體受到的擠壓傷多由房屋坍塌、工程塌方、山體滑坡、塌陷等引起。腦損傷是事故中常見的損傷。據(jù)國外統(tǒng)計資料顯示，腦撞擊傷的發(fā)生率高達54%，是導(dǎo)致死亡和致殘的主要原因。腦是人體非常重要的器官，缺氧4 min后即可導(dǎo)致腦細胞死亡。由于擠壓傷害造成的死亡率較高，因此預(yù)防和保護是關(guān)鍵，而顱腦損傷是導(dǎo)致人員死亡的主要原因。

2.2 頭部損傷準則

頭部損傷采用1971年美國政府定義的頭部損傷準則（Head Injury Criterion，HIC），計算公式作為頭部傷害界限的評測標準如公式（1）所示，一直沿用至今。

韋恩州立大學(xué)在大量志愿者、動物和尸體實驗的基礎(chǔ)上，獲得了第一條人頭部撞擊耐受曲線，這就是著名的韋恩州立大學(xué)耐受曲線。

式中：t1，t2—碰撞過程中所選擇的兩個時刻，加速度的大小用重力加速度（g）的倍數(shù)表達，時間單位為s。

根據(jù)文獻進一步分析整理得出了頭部易受傷部位、造成傷害的原因、受傷后果及常見受傷情況，以此來進行感應(yīng)裝置的分布設(shè)計及壓力的配置。過去，大多數(shù)研究者用沖擊力來評價顱骨骨折的情況，并得出了大量的結(jié)論。然而，近年來的研究指出，顱骨骨折不僅與沖擊力有關(guān)，還與接觸部位的大小和個體骨密度的差異有關(guān)[2-4]。

3 抗擠壓防護氣囊服感應(yīng)裝置的設(shè)計

3.1 防護系統(tǒng)組成

為了在受到超過閥值壓力擠壓后可以及時防護，防護系統(tǒng)需要實時采集到易受傷部位的受壓情況，考慮實際將壓力檢測分為6個獨立電路。考慮到便攜性，6個檢測電路與決策模塊之間采用無線數(shù)據(jù)傳輸，由決策模塊判斷是否達到壓力承受閥值，然后發(fā)送信號到控制氣囊模塊彈出預(yù)置好的防護氣囊。

首先由壓力檢測模塊檢測到壓力信號，并將壓力信號通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)經(jīng)Q策模塊，接著決策模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的閥值壓力來判斷是否激活氣囊防護模塊，若受到超過閥值壓力的信號，則立刻將信號傳輸?shù)綒饽曳雷o模塊，最后防護模塊立刻激活氣囊，完成工作流程。

3.2 硬件組成

3.2.1 壓力檢測模塊

市場上已經(jīng)存在許多種敏感度高的傳感器系統(tǒng)，這些傳感器使用功能性納米材料或者微米/納米結(jié)構(gòu)，將外界應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化。按照其工作原理可以分為3類：壓阻式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器和電容式壓力傳感器。在這3種中，壓阻式壓力傳感器工作原理比較簡單，是普遍使用的一種壓力傳感器。

3.2.2 決策模塊

目前常用的是意法半導(dǎo)體公司的STM32單片機。該芯片是基于ARM的Cortex-M3系列的消費級電子產(chǎn)品價格低，易于編程。此芯片具有如下優(yōu)勢：最高工作頻率可達72 MHz，除新增的功能強化型外設(shè)接口外，STM32互連系列還提供與其他STM32微控制器相同的標準接口，這種外設(shè)共用性提升了整個產(chǎn)品家族的應(yīng)用靈活性，使開發(fā)人員可以在多個設(shè)計中重復(fù)使用同一個軟件，可以完美匹配人們的需求。

該單片機在標準數(shù)字電壓3.3 V下工作，運行的時鐘頻率最大是72 MHz，供電采用軟包鋰電池，鋰電池的工作電壓范圍為3.7～4.2 V，能夠滿足較長時間的使用。只有主模塊需要電池供電，從模塊與主模塊之間通過耳機線連接，耳機線內(nèi)部分為4根線，分別是串口線的收、發(fā)以及電源和地。也就是說，從模塊是靠主模塊來供電的，地線是整個電路的參考0值，整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的供電全部依賴于主模塊的鋰電池。

同時，需要穩(wěn)壓電路將鋰電池輸出的3.7 V電壓轉(zhuǎn)化為標準的數(shù)字電路電壓3.3 V，這里選用的是SPX3819_33，為SOT-23封裝，體積小。鋰電池是可充電的，充電時需要電源管理系統(tǒng)指示充電狀況。這里選用的是TP4056，該電路內(nèi)部含有雙色發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED），紅色指示處于充電過程中，綠色顯示充電完成，且為MSOP-8封裝，均選用小體積芯片以減小電路體積，滿足可穿戴的要求。

3.3 傳感器的放置

根據(jù)人體頭部的易受傷部位分析（圖1），將壓力檢測模塊主要放置于圖2所示區(qū)域。

圖1 人體頭部易受傷部位

圖2 傳感器放置示意

3.4 氣囊防護模塊

考慮到實際應(yīng)用要求（需要便攜性好，安全可靠），本系統(tǒng)的供電模塊選用了3.7 V的可充電式、充放電倍率不低于0.5 c的鋰電池。本裝置的充氣模塊與氣囊充氣模塊采用筒狀煙火式氣體發(fā)生器，化學(xué)產(chǎn)氣藥粒放置于發(fā)生器內(nèi)部，在點火器引燃之后，藥粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在短時間內(nèi)生成大量的氣體，氣體首先經(jīng)過一層過濾，然后冷卻消音，最后釋放出來，由預(yù)置的導(dǎo)氣管導(dǎo)入氣囊中，將原來疊放的氣囊展開。

4 結(jié)語

設(shè)計了一款以STM32芯片為主控平臺，針對人體頭部容易受傷害及受傷后影響較大的部位的抗擠壓防護氣囊式頭盔。通過數(shù)據(jù)分析及智能傳感器綜合應(yīng)用，將傳統(tǒng)頭盔變?yōu)樘囟ㄈ巳哼M行防護的智能穿戴設(shè)備。雖然設(shè)計還存在許多瑕疵，但該防護系統(tǒng)是以救援人員自身的安全性需求為設(shè)計出發(fā)點的，是在傳統(tǒng)防護頭盔與智能感應(yīng)裝置之間做出的創(chuàng)新嘗試。救援服裝的防護與舒適性能直接影響救援人員的救援效率和人身安全，希望能夠為研究救援類防護服裝和相關(guān)防護系統(tǒng)設(shè)計生產(chǎn)的企業(yè)提供參考。