周涵　涂嘉翔　樸雪

摘要：該項(xiàng)目基于Android的移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，采用Java和嵌入式開(kāi)發(fā)等技術(shù)，充分利用移動(dòng)設(shè)備的普及性并結(jié)合可穿戴設(shè)備來(lái)解決老年人身體健康呈異常狀態(tài)或發(fā)生意外跌倒時(shí)的監(jiān)測(cè)與報(bào)警問(wèn)題。在解決上述問(wèn)題的過(guò)程中，報(bào)警系統(tǒng)做出及時(shí)反應(yīng)，從而避免老年人病情惡化，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療的移動(dòng)化和便利化。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā);老年人;可穿戴設(shè)備;意外跌倒;報(bào)警系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）06-0060-03

1 背景

1.1 課題研究背景及意義

目前，我國(guó)人口老齡化程度日益嚴(yán)重。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2019年1月21日公布的2018年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2018年年底，我國(guó)60周歲以上老年人口達(dá)到2.4億人，占總?cè)丝诒戎?7.9%[1]。隨著全國(guó)城鎮(zhèn)化速度的日益加快，越來(lái)越多的年輕人選擇進(jìn)城務(wù)工，而造成的問(wèn)題即留守老年人數(shù)量越來(lái)越龐大。當(dāng)老年人獨(dú)自在家時(shí)，意外跌倒、心率異常的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。問(wèn)題嚴(yán)重時(shí)，特別是當(dāng)老年人失去意識(shí)或行動(dòng)能力又很難被別人及時(shí)發(fā)現(xiàn)時(shí)，甚至可能會(huì)產(chǎn)生生命危險(xiǎn)。因此，研發(fā)一套能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷老年人心率異常及意外跌倒報(bào)警系統(tǒng)是非常重要的。

通過(guò)對(duì)上述要求進(jìn)行了詳盡的研究，設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)的可穿戴設(shè)備，并結(jié)合手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，通過(guò)在可穿戴設(shè)備內(nèi)置加速度傳感器、陀螺儀和脈搏傳感器，當(dāng)老年人跌倒或者心率異常時(shí)能夠自動(dòng)判斷異常并通過(guò)移動(dòng)設(shè)備快速發(fā)送報(bào)警信息給緊急聯(lián)系人，使得老年人能及時(shí)地得到醫(yī)療救助，從而最大可能地降低上述意外對(duì)身體的傷害。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外主流的老年人心率異常及意外跌倒報(bào)警系統(tǒng)主要依靠的還是患者自己或者當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，患者本人通過(guò)無(wú)線對(duì)講系統(tǒng)聯(lián)系他人，向他人報(bào)警。利用無(wú)線對(duì)講系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警具有可靠性高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，但是卻忽略了一個(gè)很重要的問(wèn)題，很多未能得到及時(shí)救助的老年人往往是因?yàn)樽陨砩眢w狀況的原因不能夠自主地按下操作按鈕、進(jìn)行對(duì)講并準(zhǔn)確地告訴醫(yī)護(hù)人員自己的具體位置[2-3]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能手機(jī)普及率越來(lái)越高，其搭載的模塊也越來(lái)越多，這為項(xiàng)目研究提供了很好的研究平臺(tái)。

1.3 本文研究的主要內(nèi)容

在本系統(tǒng)中：智能手機(jī)通過(guò)其內(nèi)置的藍(lán)牙模塊連接可穿戴設(shè)備，連接成功后接收可穿戴設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，發(fā)生異常時(shí)立即調(diào)用手機(jī)的GPS模塊得到具體的位置信息，并將具體的位置信息和相關(guān)的生理參數(shù)通過(guò)短信或電話等方式發(fā)送給提前預(yù)設(shè)的緊急聯(lián)系人，為病人爭(zhēng)取更多寶貴的搶救時(shí)間。在未來(lái)，還能進(jìn)一步地完善智能手機(jī)端的App，拓展出更多的功能。

本研究在綜合了傳統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)與現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種裝置小巧，佩戴方便，能通過(guò)手機(jī)發(fā)出求助信息的智能報(bào)警系統(tǒng)。

2 報(bào)警器工作原理

2.1 跌倒報(bào)警工作原理

老年人因?yàn)樯眢w失去平衡而跌倒，在跌倒的一瞬間，人體受重力的作用，身體姿態(tài)發(fā)生改變，在跌倒方向會(huì)有向下的加速度，為了簡(jiǎn)化人體在跌倒時(shí)重力、加速度和姿態(tài)的變化，將人體分為三軸，前后為X軸，左右為Y軸，上下為Z軸，人在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，加速度傳感器的坐標(biāo)系也會(huì)隨著人體姿態(tài)的改變而改變，此時(shí)加速度急劇變化，將會(huì)超過(guò)閾值，為了減少運(yùn)算的復(fù)雜性，消除不同方向加速度坐標(biāo)的映射問(wèn)題，這里引入合加速度：

2.2 心率異常檢測(cè)原理

老年人在心率異常時(shí)會(huì)直接影響脈搏，通過(guò)測(cè)量脈搏可以準(zhǔn)確地判斷出老年人的身體健康狀況，常見(jiàn)的檢測(cè)脈搏的方法有電極式、壓力式和光電式心率傳感器，其中電極式心率傳感器需要黏性電極來(lái)傳導(dǎo)心電信號(hào)，由于黏性電極上的電解導(dǎo)電凝膠容易引起接觸性皮炎，與設(shè)計(jì)理念不符，不適合長(zhǎng)期佩戴。壓力式心率傳感器構(gòu)造簡(jiǎn)單，但是體積過(guò)于龐大并且測(cè)量精度低，不符合要求，故最終采用光電式心率傳感器。光電式心率傳感器的輸出信號(hào)為模擬信號(hào)[4]，經(jīng)過(guò)單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)如圖1所示。

3 及時(shí)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

老年人心率異常及意外跌倒即時(shí)報(bào)警系統(tǒng)框圖如圖2所示，它由STM32單片機(jī)、光電心率傳感器、加速度傳感器、藍(lán)牙模塊和智能手機(jī)組成。光電心率傳感器和陀螺儀主要收集心率和三軸加速度的原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)STM32單片機(jī)分析處理后決定傳感器是否發(fā)出警報(bào)，報(bào)警信息通過(guò)藍(lán)牙傳輸至智能手機(jī)，智能手機(jī)調(diào)用GPS模塊得到具體位置后將位置信息發(fā)送給緊急聯(lián)系人和醫(yī)療機(jī)構(gòu)。

3.1.1 STM32F103開(kāi)發(fā)板

開(kāi)發(fā)板是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，以STM32F103為核心的單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括以下四個(gè)部分：時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路和SWD接口。其中各個(gè)部分的功能如下：1）時(shí)鐘電路給單片機(jī)提供一個(gè)外接16 MHz的石英晶振;2）電源電路為單片機(jī)提供一個(gè)5V的直流電源;3）復(fù)位電路為單片機(jī)提供一個(gè)復(fù)位的電平信號(hào);4）SWD接口主要用于程序燒錄程序與調(diào)試。

3.1.2 藍(lán)牙通信模塊

藍(lán)牙模塊主要負(fù)責(zé)單片機(jī)和手機(jī)之間的通信連接，HC-05是一款經(jīng)典的主從一體藍(lán)牙串口模塊，集成度高，體積小，最大通信范圍15米，串行通信時(shí)使用簡(jiǎn)單，能滿足項(xiàng)目的要求。使用時(shí)將TX對(duì)應(yīng)連接單片機(jī)的USART_RX，RX對(duì)應(yīng)連接USART_TX，配對(duì)后進(jìn)入從機(jī)模式即可傳輸數(shù)據(jù)[5]。

3.1.3 心率傳感器

心率傳感器測(cè)量采集心率信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)加工處理后得到具體的心率，PulseSensor心率傳感器是一款模擬信號(hào)傳感器，引腳定義分別為GND、Vcc和S，GND為接地端，Vcc為3.3v電源接口，其中S輸出模擬信號(hào)，模擬信號(hào)反映了血容積的變化，根據(jù)血容積變化就能夠判斷出一次心跳[6]。

3.1.4 加速度傳感器

加速傳感器主要用來(lái)測(cè)量各個(gè)方向上對(duì)應(yīng)的加速度，MPU6050[7]是一款六軸加速度傳感器，輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，主要用到其中四個(gè)引腳，除去Vcc和GND，還有兩個(gè)引腳為SCL和SDA，分別是串行時(shí)鐘線和串行數(shù)據(jù)線，連接到單片機(jī)的I2C接口，作為從設(shè)備。

3.2 系統(tǒng)程序軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由兩個(gè)部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)和手機(jī)軟件設(shè)計(jì)。單片機(jī)系統(tǒng)程序主要處理來(lái)自兩個(gè)傳感器的信號(hào)，判斷佩戴者的生理信號(hào)是否正常，在信號(hào)異常時(shí)及時(shí)地將異常發(fā)送給智能手機(jī)。

3.2.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)首先要對(duì)μO(píng)S和單片機(jī)硬件平臺(tái)進(jìn)行初始化，若初始化失敗則重新進(jìn)行初始化，初始化成功后將創(chuàng)建兩個(gè)主要任務(wù)，分別為Task_Maibo和Task_Fall，最后啟動(dòng)OS內(nèi)核，主程序流程圖如圖3所示。全部初始化成功后，兩個(gè)主要任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行，其中Task_Maibo主要負(fù)責(zé)心率的監(jiān)測(cè)，每?jī)煞昼娺M(jìn)行一次測(cè)量，如果發(fā)現(xiàn)異常時(shí)接著會(huì)再進(jìn)行一次測(cè)量，來(lái)確認(rèn)是否存在測(cè)量干擾，排除干擾后確定心率異常時(shí)就會(huì)立即將心率信息發(fā)送給手機(jī)。Task_Fall負(fù)責(zé)跌倒檢測(cè)，當(dāng)合加速度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)就會(huì)立刻調(diào)用Task_Maibo測(cè)量心率異常時(shí)發(fā)送跌倒信息和心率信息至手機(jī)，并在接下來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)檢測(cè)合加速度以確定狀態(tài)，沒(méi)有任何變化時(shí)表明老年人跌倒且無(wú)法正?；顒?dòng)，同樣的會(huì)發(fā)送跌倒信息至手機(jī)。信息通過(guò)HC05藍(lán)牙模塊以文本模式發(fā)送至手機(jī)，文本模式發(fā)送消息簡(jiǎn)單，代碼容易實(shí)現(xiàn)，一共有三種類型的文本消息，分別是：1）心率異常消息，一共5個(gè)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)為消息類型標(biāo)識(shí)符，是00;后三個(gè)字節(jié)為心率信息。2）跌倒心率異常消息，一共有八個(gè)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)為消息類型標(biāo)識(shí)符，為01;后三個(gè)字節(jié)位心率信息。3）跌倒消息，只有兩個(gè)字節(jié)，標(biāo)識(shí)符10。

3.2.2 手機(jī)軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)軟件界面UI的登錄界面由兩個(gè)標(biāo)簽、兩個(gè)文本框和一個(gè)按鈕組成，醫(yī)護(hù)人員在登錄界面分別輸入用戶名和密碼完成登陸，手機(jī)App通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)器，并訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)信息，即判斷該數(shù)據(jù)庫(kù)中是否存在該用戶，若用戶名存在則驗(yàn)證用戶登錄密碼是否正確，若登錄密碼不正確則提示用戶重新輸入密碼，密碼驗(yàn)證正確后進(jìn)入手機(jī)App主界面。主界面由三個(gè)按鈕組成，分別是連接、斷開(kāi)和設(shè)置按鈕，點(diǎn)擊連接時(shí)，系統(tǒng)打開(kāi)藍(lán)牙開(kāi)關(guān)并自動(dòng)連接可穿戴設(shè)備，若連接失敗則提示“設(shè)備連接失敗，請(qǐng)檢查相關(guān)的藍(lán)牙設(shè)備”，連接成功則提示連接成功。點(diǎn)擊斷開(kāi)時(shí)則關(guān)閉手機(jī)藍(lán)牙，并提示斷開(kāi)成功[8]。

單片機(jī)通過(guò)藍(lán)牙模塊連接手機(jī)，手機(jī)將單片機(jī)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)一步上傳到服務(wù)器進(jìn)行比對(duì)，在后臺(tái)數(shù)據(jù)接口時(shí)判斷數(shù)據(jù)是否達(dá)到閾值，若超過(guò)閾值則彈出提示信息，并調(diào)用手機(jī)的GPS模塊獲得準(zhǔn)確的位置信息，并將老年人的生理數(shù)據(jù)和位置信息發(fā)送給緊急聯(lián)系人和相應(yīng)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)。通過(guò)webservice連接至手機(jī)App后臺(tái)，后臺(tái)連接以及預(yù)先安置在服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)webservice對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，后臺(tái)提供接口給手機(jī)App客戶端，安卓用json解析展示到界面上[9]。

3.3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)次數(shù)一共60次，檢測(cè)心率30次，其中28次準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4所示。跌倒測(cè)試20次，干擾10次，一共報(bào)警23次，真正跌倒報(bào)警次數(shù)20次，干擾報(bào)警3次。通過(guò)對(duì)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明了樣機(jī)的有效性，能夠在一定程度上反映報(bào)警系統(tǒng)的有效性，但是樣機(jī)在跌倒測(cè)試中對(duì)干擾的辨別效果不佳，應(yīng)該增大跌倒加速度報(bào)警閾值，另外，系統(tǒng)還是存在一定的欠缺：1）沒(méi)有利用智能手機(jī)內(nèi)部的加速度傳感器結(jié)合可穿戴設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè);2）由于時(shí)間有限，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)少，后期可增加實(shí)驗(yàn)頻次以提升檢測(cè)設(shè)備的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)老年人意外跌倒和心率異常所帶來(lái)的嚴(yán)重問(wèn)題，研發(fā)了一種基于老年人跌倒和心率異常檢測(cè)報(bào)警的綜合系統(tǒng)，解決了老年人發(fā)生此類危險(xiǎn)而不能及時(shí)得到救助的問(wèn)題，為搶救提供了寶貴的時(shí)間。本系統(tǒng)結(jié)合了現(xiàn)代的智能手機(jī)，使得可穿戴設(shè)備的體積大幅度減小，穿戴更加方便舒適，適合于經(jīng)常單獨(dú)活動(dòng)的老年人，有著非常廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任澤平，熊柴，周哲.中國(guó)生育報(bào)告2019[J].發(fā)展研究，2019（6）：20-40.

[2] Bonafide C P，Lin R，Zander M，et al.Association between exposure to nonactionable physiologic monitor alarms and response time in a children's hospital[J].Journal of Hospital Medicine，2015，10（6）：345-351.

[3] 陳春女，周若敏，劉青梅，等.對(duì)講機(jī)在基層醫(yī)院護(hù)理臨床工作中的應(yīng)用[J].實(shí)用臨床護(hù)理學(xué)電子雜志，2017，2（49）：167.

[4] 徐麗，師衛(wèi)，趙梁.基于PSoC的汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（2）：119-121.

[5] Raza S，Misra P，He Z T，et al.Bluetooth smart：an enabling technology for the Internet of Things[C]//2015 IEEE 11th International Conference on Wireless and Mobile Computing，Networking and Communications （WiMob）.October 19-21，2015，Abu Dhabi，United Arab Emirates.IEEE，2015：155-162.

[6] 朱大清，王培勇，張新貴，等.可穿戴式心率傳感器模塊的優(yōu)化應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2018，18（12）：44-47.

[7] 卓從彬，楊龍頻，周林，等.基于MPU6050加速度傳感器的跌倒檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件，2015，38（4）：821-825.

[8] 陸志平，胡晨駿. Android應(yīng)用交互及任務(wù)棧處理[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2017，26（7）：238-244.

[9] Sirotkin A.The Java API to Android's telephony stack[EB/OL].[2020-04-16].https：//www.researchgate.net/publication/262398757_The_Java_API_to_Android%27s_telephony_stack.

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