C2I 2021年度青年创新者奖:防摔创新

普通中等教育证书(GCSE)学生弗雷迪·豪威尔斯(Freddie Howells)通过观察他的曾祖母和祖父(他们都患有痴呆症)面临的健康问题，找到了他获胜的创新的灵感。

早在2019年，当时14岁的豪厄尔斯就因其面部识别门禁系统获得了C2I青年创新者奖，该系统是他在12岁时开发的，用于保护他的姑奶奶帕特免受不名之客的侵扰，同时还配备了一套家庭监控技术。

豪厄尔斯说工程师随着疾病在他年迈的亲戚身上的进展，他们都开始经历更频繁的跌倒。

他说:“我的阿姨一个人过得很开心，她有一个Carelink吊坠，如果她摔倒了无法站起来，佩戴者需要按下一个按钮来呼救。”“然而，由于她的痴呆症，当她摔倒时，她不记得按下按钮，会独自躺在那里，有时在护理人员到来之前，她会躺上几个小时。”

他说，正是这个问题，许多患有认知障碍的人都经历过，启发豪厄尔斯创造了一种自动跌倒警报技术来弥补这一差距。

该系统包括一个可穿戴设备，该设备使用一个连接到树莓派微控制器的三轴加速度计。豪威尔斯制定了一种算法，能够检测到跌倒的所有四个阶段:跌倒、撞击、随后的一段时间的不活动和个人取向的改变。

一旦检测到摔倒，该系统就会向指定人员(如家庭成员或护理人员)的手机发送短信，提醒他们注意这一事件。这就会激活一个安装在墙上的摄像系统，它可以扫描摄像头所在的房间，寻找倒下的人。

摄像头可以放置在高风险区域，如浴室或卧室，这些地方很可能发生摔倒，并造成一个人被困的情况。

Open CV和Mobilenet Single Shot Detection被用来分析坠落人员的每一帧摄像机数据，使用预先训练的Caffe模型完成。如果该程序随后识别出摔倒的人，它就会使用Twilio和亚马逊网络服务(Amazon Web Services)向指定的人的手机发送图像。

如果该系统在一段时间内没有找到失主，它会向指定的人发送进一步的短信，让他们通过远程网络服务器访问摄像头控制，并亲自扫描房间。

Howells解释说，为了识别下落，矢量数学被用来计算加速度的矢量和大小，以平方和的平方根计算(例如，x2+y2+z2的平方根)。

在正常运动中，矢量和大小约为1g。当下落时，这将接近零，因此这是算法在下落的第一阶段需要寻找的。豪厄尔斯补充说，紧随其后的是撞击高峰，然后是一段时间的静止和x轴或y轴方向的改变。

这四个因素结合在一起触发了文本警报，这是一项创新，不同于目前需要个人自己按下按钮的系统。

Howells说，挑战包括创建一个有效的算法，不会导致误报。他解释说:“有检测自由落体的程序，但这些纯粹是测量垂直落体。”他补充说，这一过程涉及漫长的测试措施，他的母亲反复摔倒，而Howells则监测和调整设置，以区分摔倒和重坐。

他说:“第二个主要障碍是通过远程摄像流有效地确认遇难者身份。”“整合所有不同的项目需要在Stack Exchange上大量寻找解决方案，以及反复试验和耐心!”

Howells说，最后，将产品转化为一个强大的用户友好的可穿戴设备是第三个挑战，包括通过采购现有的开源CAD文件并使用这些文件作为设计模板，设计一个3D打印的手环来放置组件。

由于Covid-19的限制，他独自完成了该项目，但他的工作涉及利用在线论坛的资源。他还从SolidPrint3D公司获得了一台Ultimaker 3D打印机，他一直在用它开发秋季警报的手环组件。

他解释说:“我很愿意花时间与参与可穿戴设备生产的公司交流，在最佳微控制器和组件方面获得他们的帮助和反馈，使设备尽可能小而坚固。”

“我也希望有机会与为这类产品开发软件的公司合作，更有力地测试我的算法，并利用他们的专业知识，选择最适合实现销售产品的语言。”

到目前为止，虽然合作有限，豪威尔斯说他仍然愿意与能够帮助他将产品推向市场的公司合作——不是为了经济利益，他补充说，而是为了看到产品取得成果的满足感，知道它为像他的亲戚这样的弱势老年人提供支持、独立和安全，这些人的“最终愿望”是尽可能长时间地在家里独立生活。

在英国，跌倒是75岁以上年龄组中与伤害相关的死亡最常见的原因。一个人摔倒后无人照料的时间越长，结果可能就越糟糕，他们就越有可能搬到住宅护理中心。

通过引入一种自动化系统，无需佩戴者按下按钮，就可以保护脆弱个人的安全，并利用摄像系统来判断摔倒的严重程度。这也可以在不太严重的事故中省去不必要的紧急呼叫服务，节省有限的资源和家庭不必要的担心。

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