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        基于Arduino的可穿戴監(jiān)護(hù)裝置

        2022-07-21 06:10:08操德文劉桂江潘成林
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2022年7期
        關(guān)鍵詞:警報(bào)陀螺儀血氧

        操德文,劉桂江,潘成林,朱 勇

        (安慶師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 安慶 246133)

        0 引 言

        近年來(lái),我國(guó)逐漸進(jìn)入人口老齡化社會(huì),老年人的健康護(hù)理成為了一個(gè)棘手的問(wèn)題,尤其是老年人普遍面臨身體機(jī)能退化的困境,相關(guān)的護(hù)理工作對(duì)人力資源的需求極高,傳統(tǒng)的人力看護(hù)與檢測(cè)手段已越來(lái)越難以滿(mǎn)足不斷增加的老齡人口的需求。為此,設(shè)計(jì)一款老年人可穿戴看護(hù)裝置,以期在最大程度上保護(hù)老年人免受意外情況帶來(lái)的健康損害。

        目前,對(duì)于年齡較大或者患有慢性疾病的老年人的看護(hù),一般依賴(lài)于護(hù)工或家人進(jìn)行一對(duì)一的陪伴或照看,對(duì)人力投入的要求極高;但在實(shí)際情況中看護(hù)人員很難做到無(wú)時(shí)無(wú)刻跟隨關(guān)注老人動(dòng)向,尤其在發(fā)生摔倒之類(lèi)的突發(fā)狀況時(shí),這些漏洞都降低了看護(hù)工作的可靠性。其次,市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)的一些看護(hù)裝置存在著操作繁瑣等缺點(diǎn),沒(méi)有針對(duì)老人學(xué)習(xí)能力較差、身體機(jī)能退化做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化,也給這些產(chǎn)品的推廣帶來(lái)一些困難。

        1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

        本穿戴裝置目標(biāo)人群是身體機(jī)能退化的老年人用戶(hù),功能定位于對(duì)老人心率及血氧狀況的檢測(cè)與顯示,在摔倒時(shí)及時(shí)通知監(jiān)護(hù)人或醫(yī)療部門(mén)。為實(shí)現(xiàn)上述功能,對(duì)心率傳感器的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,通過(guò)OLED屏幕顯示,實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的可視化;其次,通過(guò)對(duì)內(nèi)置陀螺儀采集的加速度及方位數(shù)據(jù)進(jìn)行算法判斷,以決定是否觸發(fā)警報(bào),經(jīng)由云平臺(tái)向親屬或醫(yī)護(hù)人員傳送信息。

        監(jiān)護(hù)裝置系統(tǒng)功能框架如圖1所示。系統(tǒng)首先通過(guò)心率血氧以及加速度陀螺儀兩種傳感器采集被看護(hù)人生理指標(biāo)數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)串口將數(shù)據(jù)上傳到Arduino Nano板,處理器將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析轉(zhuǎn)化并實(shí)時(shí)顯示在OLED屏幕上。對(duì)于加速度陀螺儀傳感器所采集的數(shù)據(jù),當(dāng)數(shù)據(jù)處于正常范圍時(shí),系統(tǒng)處于靜息狀態(tài);一旦監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出正常范圍,系統(tǒng)將立刻觸發(fā)警報(bào)程序,首先上報(bào)云平臺(tái),接著由云平臺(tái)的觸發(fā)器下發(fā)信息到監(jiān)護(hù)人手機(jī)或其他設(shè)備,告知監(jiān)護(hù)人意外情況的發(fā)生,從而可以采取相應(yīng)的急救措施。

        圖1 監(jiān)護(hù)裝置系統(tǒng)功能框架

        考慮到老年人普遍面臨運(yùn)動(dòng)能力下降、手腳活動(dòng)不便的問(wèn)題,將裝置設(shè)計(jì)為自動(dòng)適應(yīng)佩戴者手腕并收緊的結(jié)構(gòu),通過(guò)一組觸摸傳感器與減速馬達(dá)實(shí)現(xiàn)皮膚接觸時(shí)收緊表帶。

        2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        首先使用SolidWorks對(duì)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模。圖2為裝置的外觀結(jié)構(gòu)示意圖。從外觀上看,裝置包含了一塊顯示心率和血氧水平的OLED屏幕以及一條可以自動(dòng)感應(yīng)皮膚接觸并收緊的表帶。結(jié)合內(nèi)部的陀螺儀傳感器,可以監(jiān)測(cè)佩戴者的身體運(yùn)動(dòng)狀態(tài),從而可以在老人摔倒時(shí)將警報(bào)信息通過(guò)通信組件發(fā)送至云平臺(tái)。

        圖2 看護(hù)裝置外觀示意圖

        內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示,OLED顯示屏與無(wú)線(xiàn)充電線(xiàn)圈位于裝置最上層,接下來(lái)是電池、表帶的收放系統(tǒng)及用于控制傳感器的主板和通信模塊。

        圖3 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

        充電時(shí),只須將無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射端靠近裝置,兩者會(huì)通過(guò)磁力自動(dòng)吸附(如圖4所示),避免了老人充電時(shí)難以對(duì)準(zhǔn)插口的難題,實(shí)現(xiàn)了防呆設(shè)計(jì)。

        圖4 無(wú)線(xiàn)充電結(jié)構(gòu)

        表帶自適應(yīng)收放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示,上部的杠桿結(jié)構(gòu)一端穿過(guò)減速馬達(dá)樞軸,另一端連接貫穿于表帶的繩索。樞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)輪軸收放繩索,牽引杠桿結(jié)構(gòu)向下,通過(guò)放置在兩個(gè)結(jié)構(gòu)組件之間的薄膜壓力傳感器,可以反映裝置與佩戴者手腕之間的壓力變化。在達(dá)到設(shè)定的閾值之后,馬達(dá)停止運(yùn)轉(zhuǎn),減速馬達(dá)中的蝸桿齒輪組立即自鎖,從而限制表帶的滑動(dòng)。

        圖5 自適應(yīng)收放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)硬件的組成可簡(jiǎn)化為如圖6所示的結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)上電運(yùn)行后,Arduino從通信總線(xiàn)收集MPU6050與MAX30102采集的生理和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù);通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)化與檢測(cè)后,將心率值與血氧含量在SSD1306 OLED上繪圖顯示輸出,并判斷是否有摔倒情況發(fā)生,一旦判定為真,將觸發(fā)警報(bào),改變M5311通信模塊對(duì)云平臺(tái)上報(bào)的數(shù)據(jù)流,平臺(tái)檢測(cè)到數(shù)據(jù)流的變化,啟動(dòng)預(yù)先設(shè)置的郵件觸發(fā)器,發(fā)送警報(bào)郵件給監(jiān)護(hù)人或醫(yī)護(hù)人員。

        圖6 系統(tǒng)硬件組成

        3.1 Arduino Nano板

        控制電路選擇了Arduino Nano板,它以ATMEGA328 MCU控制器為基礎(chǔ),基本功能與Arduino Duemilanove相同,但是采用了不同的封裝方式。Arduino Nano取消了直流電源插孔,并使用Mini-B USB傳輸線(xiàn)代替了標(biāo)準(zhǔn)傳輸線(xiàn),這些設(shè)計(jì)都大大減小了它對(duì)空間的占用。從電池容量、體積和充放電性能等方面綜合考量,選用鋰電池,配合升壓電路,滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)供電的需求。

        3.2 心率血氧傳感器

        依據(jù)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和要求,選取MAX30102模塊作為檢測(cè)心率和血氧的傳感器。MAX30102為集成的脈搏血氧飽和度和心率監(jiān)測(cè)提供了解決方案,包含兩個(gè)LED光電檢測(cè)器(可見(jiàn)光和紅外光)、一個(gè)低噪聲模擬信號(hào)處理電路,可檢測(cè)脈搏血氧飽和度和心率信號(hào)。它將數(shù)字輸出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在設(shè)備內(nèi)的32位寄存器中,且具有一個(gè)IC數(shù)字接口,可與主機(jī)微控制器通信。MAX30102的脈搏血氧飽和度子系統(tǒng),包括環(huán)境光消除(ALC)、18位sigma delta ADC和專(zhuān)有的離散時(shí)間濾波器。它具有超低功耗的優(yōu)點(diǎn),因此非常適合用于電池供電的裝置。MAX30102具備接近檢測(cè)功能,可以減少待機(jī)狀態(tài)下的功耗和可見(jiàn)光發(fā)射。因此廣泛運(yùn)用于可穿戴設(shè)備、健身輔助設(shè)備、醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備等。

        3.3 SSD1306 OLED顯示模塊

        SSD1306是一種由單芯片CMOS OLED/PLED驅(qū)動(dòng)器控制的有機(jī)聚合物發(fā)光二極管點(diǎn)矩陣圖形顯示系統(tǒng)。它由128個(gè)橫向像素和64個(gè)縱向像素組成,顯示面積0.96 in。SSD1306將對(duì)比度控制電路、顯示RAM和振蕩器集成在PCB板上,從而減少了外部組件的數(shù)量,進(jìn)而降低了功耗。它可以進(jìn)行256級(jí)亮度調(diào)節(jié),適用于許多消費(fèi)電子產(chǎn)品,例如智能手表、智能汽車(chē)上相機(jī)的即時(shí)圖像顯示、電池設(shè)備管理等。

        3.4 加速度陀螺儀傳感器

        在使用傳感器采集佩戴裝置者手腕運(yùn)動(dòng)的方位及加速度信息之后,通過(guò)數(shù)據(jù)處理,可以判斷人體運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)的大致情況,得益于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)的不斷發(fā)展和應(yīng)用,MPU6050實(shí)現(xiàn)了慣性器件的微型化,它包含一個(gè)三軸加速度計(jì)和一個(gè)三軸陀螺儀,可以測(cè)量速度、方向、加速度、位移和其他類(lèi)似運(yùn)動(dòng)的特征。

        3.5 通信模塊

        M5311模組是建立在MT2625平臺(tái)的NB-IoT模組,它主要應(yīng)用在眾多低功耗的數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景中。M5311滿(mǎn)足 3GPP Release13的標(biāo)準(zhǔn),是應(yīng)用LCC封裝技術(shù)的貼片式模組,擁有多達(dá)40個(gè)管腳,而尺寸僅有16 mm×18 mm×2.2 mm。

        4 軟件設(shè)計(jì)

        4.1 摔倒檢測(cè)程序

        電路圍繞Arduino Nano板和MPU6050模塊構(gòu)建。MPU6050由三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器組成。通過(guò)IC連接傳感器,從而獲得完整的九軸運(yùn)動(dòng)融合輸出。在數(shù)據(jù)收集方面,將MPU6050模塊的模擬信號(hào)輸入Arduino Nano,MPU6050模塊采集輸出值,分別為三個(gè)加速度值和一個(gè)陀螺儀值,并使用IC協(xié)議進(jìn)行通信。在佩戴者意外摔倒時(shí),加速度會(huì)出現(xiàn)明顯的變化,將以此作為姿態(tài)判斷的關(guān)鍵判據(jù),再結(jié)合陀螺儀采集的角度變化隨時(shí)間的變化關(guān)系,最終判斷是否有摔倒情況發(fā)生,程序運(yùn)行流程如圖7所示。

        圖7 摔倒檢測(cè)程序流程

        4.2 心率及血氧檢測(cè)電路與程序

        對(duì)于心率血氧數(shù)據(jù),連接MAX30102心率血氧傳感器模塊與Arduino Nano,在測(cè)量心率和血氧濃度時(shí)Arduino Nano對(duì)從MAX30102采集的信號(hào)進(jìn)行采樣,并通過(guò)串口通信將數(shù)據(jù)值顯示在SSD1306模塊上。

        4.3 NB-IoT通信協(xié)議與程序

        在本設(shè)計(jì)中,為了對(duì)接移動(dòng)OneNET平臺(tái),采用了LWM2M(LightWeight M2M)通信協(xié)議。LWM2M協(xié)議由OMA-DM協(xié)議發(fā)展而來(lái),是一種輕量級(jí)的協(xié)議,適用于各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。在本裝置中,由串口通過(guò)M5311向OneNET平臺(tái)發(fā)起注冊(cè)與通信。

        4.4 云平臺(tái)的配置

        首先,在移動(dòng)OneNET平臺(tái)建立產(chǎn)品和設(shè)備,填寫(xiě)設(shè)備IMEI和IMSI,這將為設(shè)備接入時(shí)提供重要鑒權(quán)信息,這兩項(xiàng)數(shù)值可以通過(guò)AT指令取得。觸發(fā)器將在數(shù)據(jù)流異常時(shí)向賬號(hào)所綁定的郵箱發(fā)送一條提醒郵件。

        5 功能測(cè)試

        打開(kāi)裝置開(kāi)關(guān),測(cè)試心率和血氧的檢測(cè)與顯示功能。將手指放置于血氧傳感器下,屏幕顯示當(dāng)前心率值、波形圖及血氧百分比,原型機(jī)測(cè)試如圖8所示。

        圖8 心率血氧顯示功能的原型機(jī)測(cè)試

        將裝置快速甩動(dòng),未發(fā)出警報(bào),平臺(tái)亦無(wú)提醒郵件發(fā)送,確定該功能不會(huì)因?yàn)槿粘4蠓瓤焖龠\(yùn)動(dòng)而觸發(fā)。將裝置抬高至距離地面1 m高度后拋下,模擬摔倒時(shí)的身體運(yùn)動(dòng)情況,連接在警報(bào)引腳的紅色LED燈亮起,手機(jī)郵箱收到一封OneNET平臺(tái)下發(fā)的警報(bào)郵件(如圖9所示),證明摔倒警報(bào)功能正常。

        圖9 摔倒警報(bào)功能測(cè)試

        6 結(jié) 語(yǔ)

        本文設(shè)計(jì)了基于Arduino的老年人可穿戴監(jiān)護(hù)裝置,通過(guò)心率血氧以及加速度陀螺儀等傳感器采集被看護(hù)人的生理指標(biāo),將心率和血氧含量實(shí)時(shí)顯示在可穿戴屏幕上。當(dāng)佩戴者處于日常生活運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),警報(bào)功能處于靜息狀態(tài);一旦運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出正常范圍,系統(tǒng)將立刻觸發(fā)警報(bào)程序,并上報(bào)云平臺(tái);接著由云平臺(tái)的觸發(fā)器下發(fā)信息到監(jiān)護(hù)人手機(jī)或其他設(shè)備,及時(shí)告知監(jiān)護(hù)人或醫(yī)護(hù)人員意外情況的發(fā)生,從而第一時(shí)間采取相應(yīng)的緊急措施。本裝置具有心率血氧檢測(cè)、跌倒警報(bào)和自適應(yīng)收放佩戴等功能,功能設(shè)計(jì)友好,使用簡(jiǎn)便,運(yùn)行穩(wěn)定,具有較大的應(yīng)用和發(fā)展前景。

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