俞冰，張曉霞，張宇雪，王列震，陳鑫，林曉雷

溫州醫(yī)科大學(xué) 眼視光學(xué)院、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，浙江 溫州 325000

引言

阿茲海默癥（Alzheimer disease，AD），也稱為老年癡呆癥，是一種起病隱匿的進(jìn)行性發(fā)展的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。臨床上以記憶障礙、失語、失用、失認(rèn)、視空間技能損害、執(zhí)行功能障礙以及人格和行為改變等全面性癡呆表現(xiàn)為特征，病因迄今未明[1]。由于行為上的障礙，阿茲海默癥患者容易毫無征兆地在夜里頻繁“出走”，極易發(fā)生走失，這威脅到患者的生命安全。為了避免這個(gè)狀況發(fā)生，監(jiān)護(hù)人擔(dān)心老人出走，需要時(shí)不時(shí)地監(jiān)控患病老人的動(dòng)態(tài)，監(jiān)護(hù)人夜晚不敢深睡，直接影響到了監(jiān)護(hù)人的起居和精神狀態(tài)。因此，用便捷方式監(jiān)測(cè)老人夜間的行動(dòng)非常必要。而目前市場(chǎng)上并沒有成熟的商品用于監(jiān)控阿茲海默癥患者的動(dòng)態(tài)，近年來國(guó)內(nèi)外在這方面的研究主要專注于阿茲海默癥的治療[2-5]。而在監(jiān)護(hù)方面，傳統(tǒng)的人工監(jiān)護(hù)仍是主流。即使在不久的將來，這類設(shè)備得以問世，也必然需要昂貴的代價(jià)來換取。

基于上述情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種感應(yīng)報(bào)警裝置。本裝置佩戴于患者鞋底，實(shí)物圖，見圖1。通過壓力傳感器對(duì)患者的行動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)定好壓力后，壓力傳感器實(shí)時(shí)采集并將信息傳遞給單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)系統(tǒng)信號(hào)處理，將所需信息通過藍(lán)牙傳給手機(jī)端，手機(jī)端記錄并顯示患者行走的步數(shù)，當(dāng)步數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值后實(shí)現(xiàn)報(bào)警。本裝置在保障患病老人安全的基礎(chǔ)上減去了大部分的家庭護(hù)理開銷，減輕了監(jiān)護(hù)人的工作量與起夜壓力。

圖1 感應(yīng)報(bào)警器實(shí)物圖

1 設(shè)計(jì)路線和實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)由電源電路、感應(yīng)電路和控制電路組成[6]。感應(yīng)電路包括壓力傳感器電路、信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路，控制電路主要包括單片機(jī)電路和藍(lán)牙電路（圖2）。其中電源采用USB供電方式，USB接口供電方便程序調(diào)試。

圖2 電路結(jié)構(gòu)框圖

1.1 感應(yīng)報(bào)警原理

電源供電，使用YZC-161B半橋傳感器對(duì)患者夜間行動(dòng)產(chǎn)生的重力信號(hào)進(jìn)行線性放大，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后傳送到單片機(jī)進(jìn)行處理，后經(jīng)藍(lán)牙電路將信號(hào)無線傳輸給手機(jī)端[7]，手機(jī)端實(shí)現(xiàn)記步功能，最后判斷是否啟動(dòng)報(bào)警。

1.2 電路設(shè)計(jì)

1.2.1 感應(yīng)電路設(shè)計(jì)

本裝置使用YZC-161B半橋傳感器。應(yīng)變片測(cè)量電橋在測(cè)量前使電橋平衡，從而使測(cè)量時(shí)電橋輸出電壓只與應(yīng)變片感受的應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。原理如下：

則電橋輸出為：

通過對(duì)壓力傳感器[8]與電阻應(yīng)變式傳感器比較分析，還考慮到振動(dòng)和沖擊分量，以及避免超重?fù)p壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重5 kg。

關(guān)于AD數(shù)模信號(hào)的轉(zhuǎn)換，我們使用了HX711芯片[9]。這是一款高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。感應(yīng)電路原理圖， 見圖3。

1.2.2 控制電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由STC89C52單片機(jī)[10]電路和藍(lán)牙電路組成，該電路作為整個(gè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心單元?？刂齐娐吩韴D，見圖4[11]。

當(dāng)老人行走時(shí)，原始信號(hào)經(jīng)過感應(yīng)電路的一系列處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，本裝置開始工作。本裝置采用STC89C52處理器，這是是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器[12]，具有8 K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，擁有全雙工串行口?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存。這些特性滿足感應(yīng)報(bào)警裝置系統(tǒng)的要求。內(nèi)部電路設(shè)計(jì)采用C語言編寫，可完成壓力感應(yīng)監(jiān)控[13-14]、壓力比較計(jì)算、藍(lán)牙信號(hào)傳輸控制等功能。

2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)包括單片機(jī)中運(yùn)行的下位機(jī)程序和安卓手機(jī)中運(yùn)行的上位機(jī)程序兩部分。

圖3 感應(yīng)電路原理圖

圖4 控制電路原理圖

2.1 單片機(jī)下位機(jī)程序

本軟件系統(tǒng)包括：主程序、數(shù)據(jù)采集及處理程序、串行口通信程序[15]。

單片機(jī)與藍(lán)牙之間的通信采用串行口方式1。在具體操作串行口之前，需要對(duì)單片機(jī)的一些與串口有關(guān)的特殊功能寄存器進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)。當(dāng)采集到的信號(hào)數(shù)字化后，數(shù)據(jù)被寫入SBUF寄存器后，單片機(jī)自動(dòng)開始從起始位發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送到停止位的開始時(shí)，由內(nèi)部硬件將T1置1，向CPU申請(qǐng)中斷。用軟件置REN為1時(shí)，檢測(cè)到RXD引腳輸入電平發(fā)生負(fù)跳變時(shí)，則說明起始位有效，將其移入輸入移位寄存器，并開始接收這一幀信息的其余位。這樣就實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與藍(lán)牙之間的串行口通信。

藍(lán)牙串口模塊用于把串口轉(zhuǎn)換為藍(lán)牙，它主要的功能是取代串口線。單片機(jī)接上藍(lán)牙模塊的從機(jī)，可以和手機(jī)的藍(lán)牙適配器配對(duì)通信，使得單片機(jī)和手機(jī)之間虛擬了一根串口線，可以進(jìn)行串口通信。

本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸方式。在老人下床后，本裝置開始工作。老人每行走一步，單片機(jī)都能將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳給手機(jī)端，在手機(jī)端實(shí)現(xiàn)計(jì)步并顯示及報(bào)警功能（圖5）。

圖5 單片機(jī)程序框圖

2.2 手機(jī)上位機(jī)程序

上位機(jī)程序是指運(yùn)行在安卓智能手機(jī)[16]微處理器中的程序，用來接收下位機(jī)傳輸來的數(shù)據(jù)。使用了最新推出的Android Studio開發(fā)環(huán)境[17]，該開發(fā)環(huán)境功能完善、比較容易上手?？紤]到房間的大?。?.8 m×3.6 m）和老人單步行走的距離為350 mm左右，我們將閾值設(shè)保守值為“20”，也就是說老人走出20步默認(rèn)為已離開。主程序框圖，見圖6。軟件界面，見圖7。

圖6 手機(jī)端主程序框圖

圖7 軟件界面

3 總結(jié)與展望

我們對(duì)測(cè)試者進(jìn)行編號(hào)，分別記錄腳自然垂放狀態(tài)下手機(jī)應(yīng)用計(jì)步情況（計(jì)步/不計(jì)步；正常情況下，腳自然垂放不計(jì)步），比較實(shí)際行走步數(shù)和手機(jī)界面步數(shù)，并觀察手機(jī)端的報(bào)警情況（報(bào)警預(yù)設(shè)為20步）。測(cè)試結(jié)果，見表1。

表1 測(cè)試結(jié)果

表中結(jié)果顯示，腳自然垂放不計(jì)步，實(shí)際步數(shù)與系統(tǒng)感應(yīng)步數(shù)一致；當(dāng)步數(shù)達(dá)預(yù)設(shè)值時(shí)，手機(jī)端響鈴報(bào)警。結(jié)果符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠精確感應(yīng)患者的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，具有時(shí)效性，滿足大眾需要。

本研究結(jié)果在市面上有很好的應(yīng)用前景：當(dāng)老年癡呆患者離開床時(shí)，感應(yīng)器會(huì)捕捉移動(dòng)信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理由藍(lán)牙無線輸給手機(jī)端，從而引起響鈴報(bào)警，提醒監(jiān)護(hù)人前來照顧患者，避免病人夜起的各種危害。本感應(yīng)報(bào)警器的主要特點(diǎn)：① 信息無線傳輸取代線纜傳輸，實(shí)現(xiàn)短距離內(nèi)不同空間的快速互連；② 采用較薄的傳感器，在實(shí)用性上有一定的成效；③ 設(shè)計(jì)了匹配的手機(jī)應(yīng)用軟件，符合用戶需求。

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