李嘉斌 李 盛 邢世波 劉 建 陳明哲

(西京學(xué)院,陜西 西安710000)

1 總體方案設(shè)計(jì)

基于云平臺的多功能老年人智能輔助行走設(shè)備具有實(shí)時(shí)監(jiān)測心率體溫的功能，還具有體溫心率異常和摔倒報(bào)警實(shí)時(shí)功能，采用云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠?qū)⒍ㄎ缓托穆鼠w溫?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云端，所研發(fā)的手機(jī)移動端APP具有實(shí)時(shí)查看老人健康體征及定位信息的功能。此設(shè)備能夠?qū)鹘y(tǒng)老年人輔助行走設(shè)備進(jìn)行功能的有效擴(kuò)展，應(yīng)用模塊化思想進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，模塊之間相互獨(dú)立，當(dāng)某個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)對其他模塊不受影響，提高產(chǎn)品實(shí)用性，易于排查故障，維修成本減少等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備支架全都使用圓柱形鋼材，沒有棱角有效避免老人磕碰，把手兩側(cè)分別裝有體溫心率傳感器和加速度傳感器，在支架正面橫欄有大部分位置安裝主控電路，包括報(bào)警模塊、微處理器模塊、WiFi模塊等。（圖1）

圖1

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

設(shè)備通過檢測老人的健康體征和定位信息上傳至云端儲存，同時(shí)對體溫異常和摔倒信號實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警并通過WiFi發(fā)送到手機(jī)終端的裝置，設(shè)備采用鋰電池供電，家屬可在手機(jī)終端發(fā)送命令實(shí)時(shí)顯示定位信息和體溫心率數(shù)值。如果體溫、心率以及加速度傳感器數(shù)值超出范圍則觸發(fā)報(bào)警，并且實(shí)時(shí)將相關(guān)的定位信息和體溫心率信息傳至客戶端。此設(shè)備所有的模塊相互獨(dú)立，由處理器進(jìn)行相應(yīng)控制。（圖2）

圖2

3.1 處理器模塊的設(shè)計(jì)。單片機(jī)作為最常用的處理器模塊有成本低、開發(fā)難度小和移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)備則選擇最常用的STM32單片機(jī)作為主控芯片，具體型號為STM32F103RCT6。這款芯片是中等容量增強(qiáng)型芯片，32位基于ARM核心的帶64或128K字節(jié)閃存的微控制器，具有USB、CAN、7個(gè)定時(shí)器、2個(gè)ADC、9個(gè)通信接口。芯片的工作頻率為72MHz，具有豐富的I/O口和連接到兩條APB總線外設(shè)。芯片的供電電壓為2.0 V至3.6 V，包含-40℃至+85℃溫度范圍，具有省電模式滿足低功耗的需求。

3.2 體溫心率檢測模塊。體溫模塊采用SHT31數(shù)字溫濕度傳感器，結(jié)合了多種功能和各種接口（I2C、模擬電壓輸出），應(yīng)用友好，工作電壓范圍寬（2.15 至5.5 V），適合各類應(yīng)用。SHT3x是根據(jù)IP67的PTFE膜，可防止傳感器開孔接觸水和灰塵。因此允許傳感器在惡劣環(huán)境條件下使用，如淋水和密切接觸灰塵可能對傳感器的精準(zhǔn)性具有挑戰(zhàn)性的地方。PTFE膜通過雙面膠帶連接傳感器封裝，其目的是在傳感器的生命周期中一直留在封裝上。整個(gè)封裝能夠承受多個(gè)回流焊周期，且受多項(xiàng)專利獨(dú)有保護(hù)。

心率模塊選用GY-MAX30102血氧濃度心率脈搏傳感器模塊，芯片能夠測量人的心率和血氧濃度，能夠使用STM 32作為主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)用，有很良好的兼容性。目前除了心率脈搏是個(gè)重要的健康指標(biāo)，隨著社會科技的發(fā)展，血氧濃度也能夠很方便的檢測出來，也可以作為老人最重要的健康指標(biāo)。芯片供電電壓為5V，主要的指令方式為AT指令，能夠通過STM 32芯片進(jìn)行編程，測量的心率范圍為20～200次/分鐘，血氧濃度的測量范圍為50%～100%，輸出方式為可以通過USB轉(zhuǎn)TTL連接電腦由串口助手直接輸出或者是報(bào)警電平輸出，本設(shè)備兼具二者的功能，既可以串口輸出，又提供報(bào)警功能。

3.3 GPS定位模塊。GPS定位模塊采用正點(diǎn)原子GPS北斗雙定位模塊ATK1218-BD，帶有源天線，定位精度為2.5 CEP，冷卻啟動時(shí)間為30秒左右，更新頻率能夠達(dá)到20Hz，采用GPS+北斗雙模導(dǎo)航，能夠更加精準(zhǔn)，通信波特率能夠達(dá)到230400。

該模塊自帶后備電池，可保存星歷數(shù)據(jù)，掉電后半小時(shí)內(nèi)重新上電，可在幾秒內(nèi)定位，通過排針進(jìn)行串口通信，且數(shù)據(jù)可保存，實(shí)用非常方便，而且有全套驅(qū)動代碼，使用更加方便，開發(fā)難度低。

3.4 報(bào)警模塊。報(bào)警模塊選用普通的無源蜂鳴器，其結(jié)構(gòu)原理簡單、成本便宜、操作簡單，而且發(fā)出的聲音特別適合報(bào)警。普通大部分無源蜂鳴器的規(guī)格如下：（1）板載無源蜂鳴器；（2）板載8550三極管驅(qū)動；（3）低電平有效，可以直接和單片機(jī)IO控制；（4）工作電壓：5V；（5）板子尺寸：22(mm)x12(mm)。

3.5 加速度傳感器模塊。加速度傳感器模塊采用MPU-6050模塊，MPU-6050的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec(dps)，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g±8g與±16g。MPU-6050可在不同電壓下工作，VDD供電電壓介為2.5 V±5%、3.0 V±5%或3.3 V±5%，邏輯接口VDDIO供電為1.8 V±5%。MPU-6050的包裝尺寸4x4x0.9 mm(QFN)，在業(yè)界是革命性的尺寸。其他的特征包含內(nèi)建的溫度感測器、包含在運(yùn)作環(huán)境中僅有±1%變動的振蕩器。VLOGIC是IO口電壓，該引腳最低可以到1.8 V，我們一般直接接VDD即可。

3.6 WiFi模塊。WIFI模塊采用ESP-01SP8266串口轉(zhuǎn)WIFI模塊，是高性能無線SOC，在較小尺寸封裝中集成了業(yè)界領(lǐng)先的Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，帶有16位精簡模式，主頻支持80 MHz和160 MHz，支持RTOS，集成Wi-Fi MAC/BB/RF/PA/LNA，板載天線。支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11 b/g/n協(xié)議，完整的TCP/IP協(xié)議棧。

4 軟件電路設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為硬件程序和軟件程序，硬件程序主要是通過C語言編寫，完成各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)傳輸，把體溫心率血糖等數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺匦酒?，然后主控芯片再將?shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器；軟件程序主要是通過BLYNK軟件制作相應(yīng)的APP界面，登錄服務(wù)器將WIFI發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，顯示到手機(jī)終端，能夠?qū)崟r(shí)查看相應(yīng)的信息。

4.1 硬件程序設(shè)計(jì)。硬件程序主要是應(yīng)用于設(shè)備本身的單片機(jī)中，主要完成將設(shè)備上的傳感器信號進(jìn)行采集，并將采集到的信號通過WiFi發(fā)送到服務(wù)器中等待手機(jī)端進(jìn)行查詢。設(shè)備系統(tǒng)的流程框圖如圖3所示。

圖3

4.2 手機(jī)軟件平臺設(shè)計(jì)。Blynk是一項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）服務(wù)，旨在使遠(yuǎn)程控制和從您的設(shè)備中讀取傳感器數(shù)據(jù)的速度盡可能快和容易。首先手機(jī)下載BLYNK APP，安裝好App后，打開App后點(diǎn)擊Create New Account（注冊新用戶），然后在注冊頁面填寫自己的郵箱和密碼即可完成注冊。首次登錄后可以看到App內(nèi)暫時(shí)還沒有任何項(xiàng)目，點(diǎn)擊Create New Project（創(chuàng)建新項(xiàng)目）。在創(chuàng)建項(xiàng)目頁面填寫項(xiàng)目基本信息，其中的CHOOSE DEVICE（選擇設(shè)備）要選擇WeMos D1，下面的CONNECTION TYPE（連接類型）選擇Wi-Fi并保存。保存之后，App會提示授權(quán)碼已經(jīng)生成并發(fā)送到了你的郵箱。

利用Blynk案例生成器產(chǎn)生一段簡單的范例程序。將程序中的ssid修改成你當(dāng)前位置的Wi-Fi名稱，將pass修改成該Wi-Fi的密碼，注意此處的引號一定要保留，點(diǎn)擊上傳按鈕就可以將程序上傳到WeMos D1開發(fā)板中。制作樣例如圖4所示。

圖4

手機(jī)終端顯示有體溫、心率、血氧飽和度、經(jīng)緯度和地圖。能夠很清楚的顯示設(shè)備和老人的具體信息，中間還有報(bào)警信息界面，能夠顯示當(dāng)前的設(shè)備信息。

5 結(jié)論

國內(nèi)目前的老人輔助設(shè)備只具有單一輔助行走的功能，還不具有實(shí)時(shí)對老人健康狀況進(jìn)行檢測并作相應(yīng)處理的功能。本項(xiàng)目針對此方面缺口，能夠培養(yǎng)對普通的老人輔助行走設(shè)備增加實(shí)時(shí)心率體溫監(jiān)測和定位，同時(shí)可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云端，對健康體征異常和摔倒等突發(fā)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警的創(chuàng)新能力。本設(shè)備能夠基本完成對老年人的體溫心率以及血氧濃度的檢測，并且能夠?qū)崟r(shí)上傳服務(wù)器，通過手機(jī)終端進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢，每時(shí)每刻掌握老年人的健康狀況。本設(shè)備應(yīng)用范圍廣，不僅適合中老年人，還適合由于受傷或者腿腳不方便的各類人群。