呂海玉，嚴(yán)路昊，張郡夫，許少娟

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧 大連 116000）

0 引 言

目前我國(guó)國(guó)內(nèi)人口老齡化不可避免，社會(huì)上老年人越來越多，年輕人有時(shí)因?yàn)楣ぷ?、學(xué)習(xí)原因可能無暇顧及老人的健康狀況[1]。在相關(guān)領(lǐng)域，已有單一的老年人監(jiān)控系統(tǒng)[2]研發(fā)，其缺點(diǎn)是對(duì)老年人生理各項(xiàng)指標(biāo)等采集不夠全面，儀器體積過于龐大以致老人無法便捷攜帶。本文提出一種基于GPS技術(shù)的老人防丟系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，由主控模塊、GPS模塊組成。本系統(tǒng)采用STC15系列單片機(jī)作為控制核心，首先將GPS模塊采集到的信號(hào)送入STC15系列單片機(jī)進(jìn)行處理，通過老人主動(dòng)按鈕，將信息傳遞給GPS模塊并發(fā)送短信。一旦老人發(fā)現(xiàn)自己走失或者迷路，就可以通過此設(shè)計(jì)將位置發(fā)送給兒女。

隨著技術(shù)的不斷更新，現(xiàn)在防丟器和以往相比有極強(qiáng)的抗干擾性和穩(wěn)定性，功能也越來越多。本方案設(shè)計(jì)的防丟器沿用了以前的發(fā)射抑制原理，在特定條件下給使用者提出警告。該方案采用藍(lán)牙4.0，其是傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)[3]、高速藍(lán)牙技術(shù)和低功耗藍(lán)牙技術(shù)[4]的合集。本設(shè)備其他模塊利用傳感器監(jiān)控老人的心率、血壓狀況，并可通過藍(lán)牙連接方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)人的移動(dòng)設(shè)備中，還具有時(shí)間顯示、摔倒報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等附加功能；同時(shí)具有體積小、便于攜帶、跟蹤定位響應(yīng)快速、環(huán)境適應(yīng)性好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，老年健康管家系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以STC15W4K58S4為主控制器，以MAX30100心率血氧監(jiān)測(cè)芯片、VK2828U8G5LFGPS定位芯片[5]和MPU-6000加速度計(jì)模塊采集數(shù)據(jù)為主，經(jīng)過單片機(jī)分析處理數(shù)據(jù)，通過24C02芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)通過藍(lán)牙芯片將數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)，使得監(jiān)護(hù)人可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人情況，以便于進(jìn)一步了解老人的身體情況。除此之外，此產(chǎn)品還有實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，增加了此系統(tǒng)的應(yīng)用性。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 GPS模塊

如圖2所示，VK2828U8G5LF模塊具備高靈敏度GPS天線、高精度TCXO。該模塊引線VCC為系統(tǒng)主電源，TX為并行輸入接口，RX為并行輸出接口，通過串口輸出的是NEMA-0183語句，帶$GN前綴，不同字段代表了經(jīng)緯度、日期、速度等信息，其體積小巧、性能優(yōu)異，老人走失時(shí)可準(zhǔn)確地確定他們的位置。

圖2 GPS模塊實(shí)體圖

1.2.2 心率血氧模塊

如圖3所示，MAX30100模塊有2個(gè)發(fā)光二極管，1個(gè)光檢測(cè)器，通過紅外LED燈照射，能夠得到心率的ADC值，通過相關(guān)算法，可以得出心率。而且由于攜帶氧氣的紅血球能吸收較多紅外光[6]，未攜帶氧氣的紅血球則是吸收較多的紅光，所以內(nèi)置分光計(jì)，利用不同紅血球吸收光譜不同的原理，來分析血氧飽和度。老人只需要將手指頭緊貼在傳感器上，就能估計(jì)心跳及血氧飽和度。

圖3 檢測(cè)模塊實(shí)體圖

1.2.3 運(yùn)動(dòng)處理組件

本文使用MPU-6000運(yùn)動(dòng)處理傳感器，其俯視圖如圖4所示。MPU-6000內(nèi)置的陀螺儀[7]用于姿態(tài)檢測(cè)和傾角測(cè)量，老人摔倒時(shí)，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且發(fā)射報(bào)警信息傳輸給藍(lán)牙模塊，體現(xiàn)在監(jiān)護(hù)人移動(dòng)設(shè)備上。其加速度計(jì)可測(cè)得老人步行速度。陀螺儀和加速度計(jì)均使用3個(gè)16位ADC，將測(cè)得的模擬量以數(shù)字量形式輸出。將數(shù)據(jù)依照相關(guān)公式處理后與通用標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行比較，當(dāng)偏差較大時(shí)輸出報(bào)警信息。

圖4 傳感器俯視圖

1.2.4 時(shí)鐘芯片

由于單片機(jī)本身定時(shí)器用作時(shí)鐘時(shí)，精度不夠，單片機(jī)內(nèi)部對(duì)于指令的執(zhí)行需要額外時(shí)間，而專門的時(shí)鐘芯片可以進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)時(shí)，功耗極低，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。時(shí)鐘芯片管腳圖如圖5所示，除了DS1302的基本計(jì)時(shí)功能以外，還有額外架構(gòu)，如雙管腳主電源、備用電源以及7 B的暫存器等。

圖5 時(shí)鐘芯片管腳圖

1.2.5 藍(lán)牙模塊

HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通信模塊如圖6所示。把其設(shè)置為自動(dòng)連接工作模式[8]，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)老人和監(jiān)護(hù)者的實(shí)時(shí)消息互通。其主要利用指令集實(shí)現(xiàn)配對(duì)、連接和數(shù)據(jù)寫入。

圖6 藍(lán)牙模塊實(shí)體圖

1.2.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

為了實(shí)現(xiàn)掉電后數(shù)據(jù)不丟失，采用E2PROM來保存數(shù)據(jù)。AT24C02可以一次寫入16個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，每成功寫入一個(gè)字節(jié)，E2PROM存儲(chǔ)空間的地址就會(huì)自動(dòng)加1，最多可以往AT24C02存儲(chǔ)器里面寫2 048個(gè)字節(jié)，即256個(gè)8位字節(jié)。這為保存老人重要個(gè)人信息提供了途徑。如圖7所示，默認(rèn)為A0=0、A1=0、A2=0，關(guān)閉寫保護(hù)。當(dāng)R/W為0時(shí)，表示寫方向；R/W為1時(shí)，表示讀方向。所以此處E2PROM芯片的寫地址為0xA0，讀地址為0xA1。

圖7 管腳圖

1.2.7 顯示模塊

LCD12864模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)還是顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且價(jià)格便宜。

2 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的老年健康管家能夠隨時(shí)顯示時(shí)間，隨時(shí)測(cè)得心率，記錄心率數(shù)據(jù)，并有效地實(shí)時(shí)定位，當(dāng)使用者走失時(shí)可準(zhǔn)確地確定使用者的位置；并且可以通過遠(yuǎn)程發(fā)送求救信息，以便讓使用者得到身邊人的幫助。當(dāng)使用者摔倒時(shí)，系統(tǒng)可發(fā)出求助警報(bào)，并將摔倒信息反饋給子女，若使用者長(zhǎng)時(shí)間倒地不起，系統(tǒng)會(huì)直接將位置發(fā)送給120指揮中心，以尋求幫助。子女可將老人的個(gè)人信息以及既往病史和自己的聯(lián)系方式等信息存儲(chǔ)到“老人健康管家”中，老人此前測(cè)得的心率數(shù)據(jù)也將被儲(chǔ)存起來。當(dāng)老人遇到突發(fā)情況時(shí)，路人可通過子女的聯(lián)系方式聯(lián)系到子女，醫(yī)生可根據(jù)心率情況和既往病史來判斷老人當(dāng)前的狀況，以進(jìn)一步救治。另外，本產(chǎn)品操作極其簡(jiǎn)單，學(xué)習(xí)成本極低，有利于老年人學(xué)習(xí)使用。

中國(guó)由于人口基數(shù)龐大，縱使計(jì)劃生育政策的頒布實(shí)施，有效遏制了人口急劇膨脹的趨勢(shì)，但人口老齡化問題也接踵而至。老人身體逐漸衰老，免疫力下降，但社會(huì)的林蔭大道上仍不乏他們的身影，在參與道路交通活動(dòng)時(shí)常因手腳不靈便、視力低下、聽覺失察等造成一系列不可預(yù)知的不良后果發(fā)生。在人口老齡化這種不可短期改變的現(xiàn)狀下，人們只能不斷改進(jìn)對(duì)老年人群體的健康看護(hù)措施，做到方便、響應(yīng)快捷、價(jià)格低廉、控制有效、及時(shí)檢測(cè)、及時(shí)行動(dòng)。