楊博鑠 劉 志

(臨沂大學(xué)，山東 臨沂 276000)

1 手環(huán)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體硬件設(shè)計(jì)

養(yǎng)老輔助手環(huán)系統(tǒng)初始化后，系統(tǒng)控制器單元STM32F103，通過Lora模塊進(jìn)行無線通信建立連接，利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20監(jiān)測人體體溫，利用三軸加速度傳感器ADXL345監(jiān)測使用者運(yùn)動狀態(tài)，利用Pulse Sensor心率傳感器監(jiān)測使用者心率并通過控制單元STM32F103內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器計(jì)算出實(shí)際心率，通過內(nèi)部時鐘定時器中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，存儲到數(shù)據(jù)存儲模塊中。當(dāng)出現(xiàn)摔倒情況時，向服務(wù)器端報(bào)警，心率出現(xiàn)大幅度波動或數(shù)據(jù)存儲溢出時，喚醒Lora并將數(shù)據(jù)通過Lora發(fā)送到服務(wù)器終端。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后Lora模塊進(jìn)入休眠階段。

整個設(shè)計(jì)包括主控芯片模塊、人體體溫監(jiān)測模塊、運(yùn)動監(jiān)測模塊、心率監(jiān)測模塊、Lora通信模塊。硬件框圖如圖1所示。

圖1 手環(huán)硬件系統(tǒng)框圖

1.2 主控芯片模塊

主控芯片模塊采用ST意法半導(dǎo)體公司推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103系列微控制器。其內(nèi)部具有定時器、ADC、USB、UART等多項(xiàng)外設(shè)，主頻最高可達(dá)72 MHz，是一款低功耗的產(chǎn)品，供電電壓在3.0～3.6V之間[1]。

1.3 人體體溫監(jiān)測模塊

人體體溫監(jiān)測模塊采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20的工作溫度在-25～85 ℃，測量精度可達(dá)0.1 ℃，能夠滿足實(shí)現(xiàn)人體體溫監(jiān)測功能，功耗為45μA，待機(jī)時僅為0.1μA，可以滿足更長使用時長的續(xù)航要求。

1.4 摔倒檢測報(bào)警模塊

摔倒檢測報(bào)警模塊采用三軸加速度傳感器ADXL345。ADXL345具有三軸加速度傳感器，可對X、Y、Z 3個方向加速度進(jìn)行采集[2]，+/-2、+/-4 g、+/-8 g等可變的測量范圍，且靈敏度最高達(dá)3.9 mg/L SB，能夠滿足對人體姿態(tài)的變化數(shù)據(jù)采集。

1.5 心率監(jiān)測模塊

心率監(jiān)測模塊采用重慶艾迪遜電子生產(chǎn)的Pulse Sensor心率傳感器，心率精確度在靜態(tài)時達(dá)到+/-5 bpm，動態(tài)時為+/-10 bpm，傳感器是利用內(nèi)部紅外對管進(jìn)行血流的檢測，紅外模塊檢測心率信號抗干擾能力強(qiáng)。

1.6 Lora通信模塊

Lora通信模塊采用由美國SEMTECH公司研發(fā)的SX1278射頻芯片。Lora的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有低延遲和距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)；對比藍(lán)牙、Wi-Fi等通信技術(shù)的高頻段通信，Lora的低頻段通信有更強(qiáng)的穿透能力。在社區(qū)環(huán)境下能實(shí)現(xiàn)10 km左右的有效通信。

1.7 OLED顯示模塊

顯示模塊采用低功耗的OLED顯示器，工作電壓在3.3～5 V之間。

2 手環(huán)軟件設(shè)計(jì)

2.1 總體軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的養(yǎng)老輔助手環(huán)軟件程序主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時測量體溫功能、實(shí)時心率采集功能、摔倒檢測報(bào)警功能和服務(wù)端數(shù)據(jù)實(shí)時查看功能。軟件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計(jì)框圖

2.2 人體體溫采集程序設(shè)計(jì)

首先利用單片機(jī)對DS18B20發(fā)送一個復(fù)位脈沖信號，等待DS18B20響應(yīng)，響應(yīng)后發(fā)送跳過ROM指令，如果響應(yīng)成功則發(fā)送0X44啟動溫度的轉(zhuǎn)換，讀取寄存器，得出正確溫度值。

2.3 心率采集程序設(shè)計(jì)

首先初始化A/D轉(zhuǎn)換器，配置好ADC1的通道，并配置時鐘定時器，定時2 ms中斷并循環(huán)。中斷時讀取一次A/D轉(zhuǎn)換后的值，發(fā)送到上機(jī)位，通過心率算法算出其心率值，在OLED顯示模塊上顯示出來。

2.4 摔倒檢測報(bào)警程序設(shè)計(jì)

三軸加速度傳感器ADXL345豎直放置的時候不報(bào)警，當(dāng)傳感器的傾斜角度變化速率達(dá)到預(yù)設(shè)值時，則在OLED顯示模塊顯示摔倒警告，并蜂鳴器震動警告。一段時間約15 s未回復(fù)正確狀態(tài)，則通過Lora通信模塊向接收端發(fā)送摔倒警告。

2.5 Lora通信程序設(shè)計(jì)

通過SX1278Lora通信芯片將心率、體溫?cái)?shù)據(jù)和運(yùn)動狀態(tài)信息等傳輸至Lora無線網(wǎng)關(guān)，顯示并存儲在服務(wù)器器中斷上。服務(wù)器端通過接收數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)等情況服務(wù)器端，通過RSSI測距定位確定節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置，社區(qū)志愿者根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，高效準(zhǔn)確地給予老年人幫助。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一個可以對老人體溫、心率、運(yùn)動狀態(tài)和運(yùn)動步數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測存儲，并通過Lora無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與社區(qū)志愿者服務(wù)器終端的數(shù)據(jù)交換的多功能社區(qū)養(yǎng)老輔助手環(huán)，解決現(xiàn)階段關(guān)于獨(dú)居老人養(yǎng)老服務(wù)不全面和智能化程度低的問題，對LoRa通信技術(shù)與養(yǎng)老相關(guān)自動化智能設(shè)備的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。