劉麗娜，元 娜，盧莉蓉

(長治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，山西 長治 046000)

0 引言

人口老齡化是當(dāng)今世界面臨的三大人口問題之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2014年為止，在我國，已經(jīng)有2000萬人的年齡超過60歲，大約占人口總數(shù)的15%，而且每年的老齡人口數(shù)量仍以0.3%～0.5%的速度增加，到2040年老齡人口數(shù)或?qū)⒊^3.5億[1]。一系列關(guān)于老人安全的問題已經(jīng)成為一個(gè)亟需嚴(yán)肅解決的社會(huì)問題，因此妥善處理老年人的身體健康、生命安全、精神生活等問題成為了社會(huì)焦點(diǎn)。

老年人一旦跌倒又沒有采用快速有效的處理方法，多數(shù)會(huì)造成意想不到的后果。大多數(shù)老年人平常不關(guān)注家里電器狀況，對大功率家電使用不當(dāng)，一旦發(fā)生火災(zāi)，不能及時(shí)準(zhǔn)確地應(yīng)對，結(jié)果損失慘重。老年人隨著年齡增長，難免會(huì)患各種疾病。其中，在老年人因病死亡的比例中占比70%的病是冠心病，通常由心率失常導(dǎo)致。

針對這樣的社會(huì)現(xiàn)實(shí)，我們進(jìn)行了老人安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，通過檢測老人是否跌倒、心率是否異常、所處環(huán)境是否發(fā)生火災(zāi)事故來防范意外發(fā)生，通過移動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)接收信息和對老年人進(jìn)行定位，最大程度地維護(hù)與保障老年人的安全，達(dá)到安全養(yǎng)老，無憂生活的目的。

1 項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用STC89C51單片機(jī)作為老人安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心。通過火焰?zhèn)鞲衅鱽頇z測環(huán)境中的火焰光譜，當(dāng)老人所處環(huán)境有火焰時(shí)，GSM會(huì)進(jìn)行短信提醒；利用傾角傳感器測量傾斜狀態(tài)中的靜態(tài)重力加速度以及運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度，當(dāng)老人跌倒時(shí)，GSM會(huì)發(fā)送短信提醒老人家屬；當(dāng)心率傳感器檢測到老人心率高于120時(shí)，GSM會(huì)發(fā)送短信提醒老人家屬。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖

1.1 單片機(jī)模塊

主控制器采用ST公司所開發(fā)的STC89C51單片機(jī)，該單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：功耗較低、性能較高、接口較多，成本較低，本設(shè)計(jì)的要求都能滿足[2]。

1.2 無線遙控模塊

該設(shè)計(jì)的無線遙控模塊主要采用GSM模塊SIM800A,在全球有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的地方，使用者只要插上移動(dòng)卡，就可以接收到老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的信號(hào)[3]。

1.3 傾角傳感器

ADI公司開發(fā)的ADXL345模塊用于檢測老年人的位置信息。ADXL345模塊有多個(gè)寄存器，功能較強(qiáng)大，成本較低、易于控制[4]。

1.4 心率監(jiān)測模塊

心率采集信號(hào)模塊采用紅外模塊，抗干擾能力較強(qiáng)，測得的心率波形較好，也比較穩(wěn)定。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體電路

以下幾大創(chuàng)新點(diǎn)貫穿整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中：一是多方位監(jiān)護(hù)老人安全，我們將心率檢測功能、火焰檢測功能與跌倒呼救功能成功集于一體，各方面功能結(jié)合從而達(dá)到多方位監(jiān)護(hù)的作用；二是遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)通知，采用GSM模塊達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)短信通知，遇緊急情況，立刻通知親屬，采取救治措施，減少傷害；三是心率可視化，在繼承當(dāng)下一些產(chǎn)品通過脈搏反映心率情況的同時(shí)，增加一燈，燈隨著脈搏的跳動(dòng)而閃爍，可以直觀地觀察到心臟搏動(dòng)的情況；四是智能監(jiān)控，安全養(yǎng)老科技化，在智能監(jiān)控老年人安全的同時(shí)，該系統(tǒng)也可通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊苿?dòng)設(shè)備對使用者進(jìn)行定位，便于家人了解其動(dòng)態(tài)。上述功能的結(jié)合皆來源于個(gè)人生活，旨在幫助到更多因身邊無人照料或獨(dú)處的老人，為他們多一份生活的保障與安全感，也為其家人可遠(yuǎn)程接收老人的實(shí)時(shí)安全信息，增進(jìn)彼此間的親情，為社會(huì)帶來更多溫暖。

圖2 系統(tǒng)總體電路圖

2.2 STC89C51單片機(jī)電路

STC89C51單片機(jī)中包含中央處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、程序存儲(chǔ)器(ROM)、并行接口、串行接口定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三大總線，并且擁有8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash[5]。

STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和電源電路組成。這些電路存在后，單片機(jī)即可正常工作。單片機(jī)最小系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

2.3 電源電路

本系統(tǒng)的總電源采用5V直流電源，其電路簡單且穩(wěn)定。

2.4 LED指示燈電路

LED燈能將電能轉(zhuǎn)化成光能。在單片機(jī)中，當(dāng)拉低控制引腳時(shí)，LED燈亮，反之，燈滅。

2.5 GSM模塊電路

GSM模塊和手機(jī)類似且具有多種功能，能給別人發(fā)送短信以及通話等，在很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[6]。

2.6 傾角傳感器模塊電路

該模塊采用的是傾角傳感器ADXL345模塊，用以實(shí)時(shí)檢測佩戴此設(shè)備的老年人的相關(guān)狀態(tài)信息。ADXL345傳感器有分辨率高(最高可達(dá)13位)、靈敏度高(最高可達(dá)3.9mg/LSB，可測量低于1.0°的傾斜角度變化)以及功耗低，尺寸小等特點(diǎn)，并且在接入電路板時(shí)有連接簡單、外圍連接器件少的優(yōu)點(diǎn)。此外，在應(yīng)用過程中，該傳感器不僅可以檢測物體的靜態(tài)重力加速度，還可以檢測由于物體運(yùn)動(dòng)或外力而引起的動(dòng)態(tài)加速度[7]。

2.7 火焰?zhèn)鞲衅髂K電路

其內(nèi)部的濾波電容可以對電源和模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，使輸出更穩(wěn)定。電阻的作用為限流分壓，使電路信號(hào)讀取更加穩(wěn)定[8]。

2.8 心率傳感器模塊電路

測試心跳速率選擇的是脈搏傳感器，該傳感器能將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。該裝置需佩戴在耳垂或手指上，當(dāng)脈搏跳動(dòng)時(shí)，耳垂或手指的動(dòng)脈血管血容量發(fā)生周期變化，從而導(dǎo)致光電傳感器一側(cè)發(fā)光二極管發(fā)出的光透過耳垂或手指的光強(qiáng)度發(fā)生相應(yīng)變化，而另一側(cè)的三極管則可以將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，因此發(fā)生相應(yīng)變化，從而能檢測到心率變換[9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序的流程圖如圖4所示，先初始化IO串口，然后再初始化定時(shí)器和串口，接著進(jìn)行火焰電路模塊、ADXL345模塊、GSM模塊、心率監(jiān)測傳感器模塊的設(shè)置[10]。通過火焰?zhèn)鞲衅鳈z測周圍是否有火焰，有的話則通過傾角傳感器判斷老人是否跌倒，是的話則進(jìn)行GSM短信處理，發(fā)出短信并在短信中給出位置信息，除此之外，當(dāng)老人心率超過閾值時(shí)，LED燈會(huì)亮起，若無異常情況，則系統(tǒng)正常待機(jī)運(yùn)行。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

打開開關(guān)后，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)檢測到周圍有火焰或者老人體位不是站立位時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行老人心率采集，如果超過閾值，LED指示燈亮起，GSM發(fā)送對應(yīng)短信到預(yù)設(shè)家人手機(jī)。如果老人一切正常，系統(tǒng)則正常運(yùn)行。

4 測試與結(jié)論

按照設(shè)計(jì)圖連接電路，接通電源后，讓系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。將實(shí)驗(yàn)板放倒后，模仿出老人跌倒長時(shí)間不起的狀態(tài)，傾角傳感器檢測到體位為水平并且15s～20s未恢復(fù)站立狀態(tài)時(shí)，開始發(fā)送短信fall!至事先設(shè)定好的手機(jī)上；手在心率模塊上快速滑動(dòng)的時(shí)候，模仿出人心率過高的狀態(tài)，監(jiān)測到心率超過一百后就會(huì)發(fā)送短信high heart!；將打火機(jī)在火焰模塊附近釋放火焰，模仿出火災(zāi)事故的信號(hào)，會(huì)在3s～6s內(nèi)發(fā)送短信fire!至事先設(shè)定好的手機(jī)上。本系統(tǒng)達(dá)到了誤差小，穩(wěn)定性強(qiáng)，靈敏度高的特點(diǎn)，傾角正常范圍、心率監(jiān)測范圍和火焰靈敏度都可以根據(jù)老人的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到對老人實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)的目的，從而達(dá)到保護(hù)老人的作用。