楊林，紀(jì)小敏，張新鋒

（東營職業(yè)學(xué)院，山東 東營 257091）

根據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的人口數(shù)據(jù)，截至2018 年年底，我國60 周歲及以上的人口達(dá)到2.49 億，占總?cè)丝诘?7.9%。由于老年人身體機(jī)能下降，抵抗力差，容易出現(xiàn)一些意外狀況，特別是對獨(dú)居老人和空巢老人更容易造成安全隱患?；诖宋覀冊O(shè)計了一款基于社區(qū)老年人的健康管理智能系統(tǒng)，借助移動通信技術(shù)，親屬能夠遠(yuǎn)程實(shí)時查看老人的身體健康參數(shù)，有效避免老人受到意外傷害。

1 整體設(shè)計方案

本設(shè)計主要包括兩個組成部分：手機(jī)APP 和智能手環(huán)，其中智能手環(huán)具有三項(xiàng)功能：一是通過MKB0805 傳感器實(shí)現(xiàn)對老人心率、血壓的監(jiān)測與上傳；二是能夠?qū)崟r定位老人的位置，并且能夠查看老人24 小時內(nèi)的活動軌跡，防止老人丟失；三是一鍵SOS 求救，老人如果遇到特殊情況可一鍵撥打預(yù)先設(shè)置好的親情號碼。而對于手機(jī)APP 端則主要是對老人的生理健康參數(shù)以及活動位置進(jìn)行查看。系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 硬件電路設(shè)計

本文以STM32F103C8 單片機(jī)為核心，將MK0803 傳感器固定在手腕處，實(shí)現(xiàn)對老人心率、血壓的測量，同時將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時顯示在OLED 顯示屏上，如果采集到的數(shù)據(jù)超過規(guī)定的閾值則會向預(yù)先設(shè)置好的親情號碼發(fā)送短信，另外，GPS/GPRS 電路則實(shí)現(xiàn)定位、移動通信、通話等功能。

2.1 心率血壓測量電路

圖2 PPG 反射式光電監(jiān)測原理

本文對心率血壓的監(jiān)測采用光電容積脈搏波描記法（Photo-Plethysmography PPG)，PPG 是一種監(jiān)測血液在毛細(xì)血管中變化的方法。在毛細(xì)血管中，氧合血紅蛋白吸收綠色光（波長400 ～550 納米）的能力比其他光強(qiáng)，因此，人的血液看起來是紅色的。我們可以觀察到PPG 通過非侵入方式用LED（發(fā)光二極管）照射皮膚下的毛細(xì)血管，采集光電二極管（PD）的輸出電壓實(shí)現(xiàn)對心率、血壓的估算，如圖2 所示。

每次的心臟跳動血液都會流過毛細(xì)血管。這種流動是血管容積改變的主要因素，因此，PPG 是一種類似于心電的生物信號。那么這個周期就反映出心率信息（圖3）。因此，通過檢測PPG 信號中的基頻來估算心率。

圖3 光板容積標(biāo)記法

脈搏波信號在人體中傳播時是有一定速度的，它到達(dá)人體的不同位置時就會存在一定的時間差，我們稱為脈搏波傳輸時間PTT。如果我們知道脈搏波的傳輸距離和對應(yīng)的傳輸時間，那我們就可以計算出它的傳輸速率。又因?yàn)槊}搏波的傳輸速率與血管內(nèi)的血壓大小存在一定的關(guān)系，因此，通過PPG 得到PTT 再計算出脈搏波傳輸速率，最后根據(jù)傳輸速率就可以間接的計算出血壓值。

本文中心率血壓監(jiān)測方案主要由1 顆YK1801 脈搏傳感器芯片、1 顆模擬前端MN8802脈搏芯片和1 顆SFB9712 算法芯片組成，采用光電式容積脈搏波描記（PPG）的方式感應(yīng)人體的脈搏信息并加以提取，通過模擬前端芯片MN8802 和算法芯片SFB9712輸出血壓、心率等串口信號，心率血壓監(jiān)測方案框圖及電路圖如圖4、5 所示。

圖4 心率血壓監(jiān)測方案框圖

圖5 心率血壓監(jiān)測方案電路圖

2.2 定位與通信電路設(shè)計

與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，GPS 定位衛(wèi)星不僅具有高精度、全方位的特點(diǎn)，而且成本低廉，定時精確，因此采用此種定位方案。本文中GPS 的功能是實(shí)時獲取老人的經(jīng)緯度信息，并將獲取額的信息發(fā)送個Android 客戶端，防止老人丟失。

GPRS 具有傳輸速率高、資源利用率高、接入時間短、永遠(yuǎn)在線、收費(fèi)合理等技術(shù)優(yōu)勢。本文數(shù)據(jù)量較小，GPRS 的傳輸速率已經(jīng)足夠滿足系統(tǒng)需求。本文中GPRS 主要實(shí)現(xiàn)智能手環(huán)與Android 客戶端之間的數(shù)據(jù)傳輸，并且Android 客戶端會對數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行判斷，如果數(shù)據(jù)有效則按照設(shè)定的數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行判斷，若超出正常范圍則控制手機(jī)振動或者響鈴進(jìn)行提醒。本文采用的SIM808 是由SIMCOM 推出的四頻模塊，全球可用。含有TTL 電平接口等接口，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)短信、打電話、GPRS 傳輸數(shù)據(jù)、GPS 等功能，其電路圖如圖6 所示。

圖6 定位與通信電路圖

2.3 電源配置

本次設(shè)計采用的主控芯片STM32F103，其供電電壓在2～3.3V，SIM808 供電電壓為4.8 ～5.2V，心率血壓電路采用5V 電源輸入，因此使用5V 鋰電池供電，系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作。另外，為了產(chǎn)品的使用時間和續(xù)航，本次使用的鋰電池為可充電鋰電池，同時，為了使主控芯片正常工作需要對5V進(jìn)行降壓，具體電路如圖7 所示。

圖7 電源電路圖

3 軟件設(shè)計

Android 客戶端軟件不僅可滿足手環(huán)佩戴者使用，而且可供遠(yuǎn)端親屬查看數(shù)據(jù)。手機(jī)APP 通過GPRS 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)接收手環(huán)發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時對數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行判斷，如果數(shù)據(jù)有效則按照設(shè)定的數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行判斷，若超出正常范圍則控制手機(jī)振動或者響鈴進(jìn)行提醒。

對于用戶來說，更傾向于具體的可視化數(shù)據(jù)，能夠通過圖形或者曲線變化反應(yīng)數(shù)據(jù)變化更能夠減少用戶獲取信息的負(fù)擔(dān)，因此在設(shè)計APP 時，通過算法將數(shù)據(jù)以二維曲線的形式動態(tài)繪制出來。本次設(shè)計在用界面選用貝塞爾曲線圖，接收到心率數(shù)據(jù)后進(jìn)行動態(tài)更新，變化情況非常直觀，效果圖如圖8。

圖8 APP 端動態(tài)繪圖效果

4 系統(tǒng)功能測試

受試者佩戴手環(huán)，打開智能手機(jī)APP，并和手環(huán)建立連接，接收手環(huán)數(shù)據(jù)更新UI 圖線界面，顯示心率、血壓情況，并顯示當(dāng)前位置，如果出現(xiàn)心率、血壓異常，則手機(jī)振動響鈴提醒，測試結(jié)果如圖9 所示。

圖9 測試圖

5 結(jié)語

為了實(shí)時監(jiān)測社區(qū)老年人的身體健康參數(shù)，本文設(shè)計了一款健康管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括手機(jī)APP 和智能手環(huán)兩部分，其中手環(huán)以STM32 為控制核心實(shí)現(xiàn)對老人心率、血壓的監(jiān)測與上傳，并且能夠?qū)崟r定位老人的位置，防止老人丟失，再者如果老人遇到特殊情況可一鍵SOS 求救撥打預(yù)先設(shè)置好的親情號碼。而對于手機(jī)APP端，則主要是對老人的生理健康參數(shù)以及活動位置進(jìn)行查看。測量結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅能準(zhǔn)確測量出佩戴者的身體生理參數(shù)，而且實(shí)現(xiàn)了GPS 定位和通話功能，初步達(dá)到了預(yù)期研究目標(biāo)，具有良好的社會意義與應(yīng)用價值。