陳東來,王南蘭,李超君

(湖南文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電氣工程學(xué)院,湖南 常德,415000)

隨著時(shí)間的推移,老齡化的問題也越來越嚴(yán)重,老年人口撫養(yǎng)比例持續(xù)上升,與此同時(shí)大量子女選擇異地工作或生活,進(jìn)而導(dǎo)致了空巢老人數(shù)量不斷上漲,老年人的生活得不到保障,此外隨著社會的發(fā)展老年人保健的重要性也日益凸顯?；谝陨戏N種原因,老年人的安全監(jiān)護(hù)這一極其突出的社會性問題顯露了出來。隨著老年人年齡的進(jìn)一步增長,其免疫力及身體機(jī)能逐步下降進(jìn)而導(dǎo)致了多種老年性疾病的發(fā)生,最顯著的表現(xiàn)為他們在日常生活中更容易跌倒。眾所周知,老年人的身體是經(jīng)不住跌打損傷的,所以老年人特別是獨(dú)居老人摔倒后能否得到及時(shí)救助是至關(guān)重要的。此外,老年性疾病大多數(shù)與血壓等生理信號存在一定的相關(guān)性,所以對老年人的各項(xiàng)生理信號檢測是必要的,這對于摔倒檢測的輔助判斷和相關(guān)身體健康的監(jiān)測也很重要[1]。雖然現(xiàn)在市場上也有一些類似的老人智能手表之類的產(chǎn)品,但只能檢測一些基礎(chǔ)的數(shù)據(jù),其過于智能化,老人使用時(shí)會出現(xiàn)其各種問題,而且價(jià)格不菲,而我們的設(shè)計(jì)不僅可以檢測一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并且可以對老人姿態(tài)進(jìn)行判別,可以有效對老人跌倒進(jìn)行報(bào)警,使老人得到及時(shí)治療,對提高社會和經(jīng)濟(jì)效益起著至關(guān)重要的作用[2]。本項(xiàng)目致力于為老年人設(shè)計(jì)和開發(fā)智能遠(yuǎn)程身體狀況檢測和監(jiān)測系統(tǒng)。運(yùn)用此監(jiān)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測心率、血壓、體溫等老人的身體數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)超過標(biāo)準(zhǔn)時(shí)報(bào)警。一旦檢測到老人跌倒則發(fā)出警報(bào),若老人自己或在他人幫助下及時(shí)起身時(shí)解除警報(bào),若老人不能及時(shí)起身則發(fā)送位置等報(bào)警信息到監(jiān)護(hù)人手機(jī)并發(fā)出語音求助,此外具備智能語音吃藥提醒等功能。

1 整體設(shè)計(jì)

該老年人多功能智能護(hù)腰“守護(hù)你”在普通護(hù)腰的基礎(chǔ)上加裝遠(yuǎn)程老年人身體狀況檢測系統(tǒng),在保護(hù)腰部的同時(shí),親屬可以遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)老人。老年人遠(yuǎn)程身體狀況檢測系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為主控制器,配備oled顯示模塊、蜂鳴器模塊、語音模塊、GSM通信模塊、紅外測溫模塊、血壓測量模塊、心率脈搏模塊、WiFi模塊、北斗定位模塊、跌倒檢測模塊以及超聲波測距模塊。超聲波測距模塊檢測障礙物距離,當(dāng)前方障礙物距離低于安全距離時(shí),發(fā)出警報(bào)提醒,預(yù)防老人撞到障礙物而跌倒。陀螺儀adxl345檢測老年人的身體姿勢,判斷老年人是否跌倒,若老人不慎跌倒,系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。并通過相應(yīng)的模塊實(shí)現(xiàn)身體溫度、血壓以及心率脈搏的測量,若檢測到老人跌倒或者身體溫度、血壓、心率脈搏等異常信息,蜂鳴器將發(fā)出警報(bào),LED將閃爍,并通過GSM通信模塊將異常信息以及位置信息等發(fā)送給預(yù)先設(shè)置好的手機(jī)進(jìn)行報(bào)警。采用語音模塊實(shí)現(xiàn)定時(shí)提醒服藥功能,防止老人未及時(shí)用藥而引發(fā)病癥,此外通過語音模塊進(jìn)行老人跌倒后的語音呼救。WiFi模塊接入網(wǎng)絡(luò)后,可通過手機(jī)app實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)數(shù)據(jù),從而達(dá)到對老人的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù),也使得家屬、醫(yī)護(hù)人員等更快捷的了解到老人的身體狀況。圖1是總體設(shè)計(jì)思想框圖。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

該系統(tǒng)采用的微處理器器是STM32F103(c8t6),該款微處理器封裝體積小、融高性能、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號處理、低功耗于一身,為MCU用戶開辟了一個(gè)全新的自由開發(fā)空間,并且同時(shí)靈敏的中斷系統(tǒng)響應(yīng)和精良的性能。該微處理器工作狀態(tài)下的頻率為72 MHz,內(nèi)置high-speed-storage,它具有12位ADC、16位定時(shí)器和PWM定時(shí)器,還具有若干個(gè)先進(jìn)的串口通信接口[3]。因其有豐富的外設(shè)配置使得此微控制器適合于多種場合,一系列的省電模式使其能夠達(dá)到低功耗應(yīng)用的要求,此外其價(jià)格低廉,正符合本設(shè)計(jì)的需求。設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖2所示。

2.2 心率檢測模塊

該心率檢測模塊由1個(gè)多功能生物傳感器組成,型號為MAX30102,其采用光電容積法檢測心率,利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的透光率來計(jì)算脈搏。其只將數(shù)字接口留給用戶,用戶使用MCU通過硬件I2C或模擬I2C接口讀取max3102的FIFO,以此來獲取轉(zhuǎn)換后的cd(光強(qiáng))值,結(jié)合編寫的算法,就能獲得心率和血氧飽和度[4]。其具有可控、可穩(wěn)、最優(yōu)化等特點(diǎn)。圖3為其實(shí)物圖。

2.3 超聲波測距模塊

該超聲波模塊的型號為Hc-sr04,當(dāng)其中的一個(gè)控制端口發(fā)送一個(gè)高于10 us的高電平,并在另一個(gè)接收端口等待其輸出。只需要讀取計(jì)算從發(fā)射到接收的時(shí)間,結(jié)合超聲波傳輸速率,則可算出距離。連續(xù)的周期性測量可以達(dá)到移動(dòng)測量的目的,該模塊性能穩(wěn)定,測距準(zhǔn)確,盲區(qū)較小[5]。其實(shí)物圖與電路接口原理圖如圖4所示。

2.4 跌倒檢測模塊

設(shè)計(jì)采用ADXL345模塊檢測加速度的變化與傾斜角度的變化綜合分析確定老人是否跌倒。此模塊是一款3軸加速度計(jì),小而薄。采用16位二進(jìn)制代碼進(jìn)行數(shù)字輸出,一般通過數(shù)字SPI(3-4)或I2C接口進(jìn)行訪問。它可以測量靜態(tài)重力加速度與由運(yùn)動(dòng)或碰撞引起的動(dòng)態(tài)加速度,即使是小于1.0°的傾角變化也可測量[6]。在I2C數(shù)據(jù)總線上傳送數(shù)據(jù)時(shí),主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)順序是由高位向低位進(jìn)行傳輸?shù)腫7]?；顒?dòng)和非活動(dòng)檢測功能通過比較任意軸上的加速度與設(shè)置的閾值來檢測是否跌倒,并通過整合傾斜角度的變化來確認(rèn)是否發(fā)生跌倒。圖5是本模塊電路的原題圖。

2.5 通信報(bào)警模塊

設(shè)計(jì)通信報(bào)警采用SIM800C模塊,它是一款4頻GSM/GPRAS模塊,性能穩(wěn)定,能適用于緊湊型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求。其功能齊全且支持全球通用。內(nèi)置防靜電芯片,防止插拔SIM卡時(shí)手與模塊接觸產(chǎn)生靜電對模塊和SIM卡造成損壞,極大提高穩(wěn)定性。通常使用該模塊檢測位置信息并發(fā)送報(bào)警信息,通過指示燈的閃爍情況,可以直觀的了解到其工作狀態(tài)。其模塊原理圖如圖6所示。

2.6 定位模塊

設(shè)計(jì)采用ATK-NEO-6M GPS/北斗模塊獲取定位信息。該模塊自帶抗干擾的無源陶瓷天線,并通過串行端口與外部系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)接,可以非常方便地與其他設(shè)備進(jìn)行連接。采用NMEA-0183協(xié)議輸出定位數(shù)據(jù),控制協(xié)議為UBX協(xié)議。ATK-NEO-6M GPS/北斗模塊原理圖如圖7所示。

2.7 WIFI模塊

WIFI模塊的設(shè)計(jì)采用ESP866(見圖8),搭建云平臺,通過APP以達(dá)到實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)信息的目的。該無線模塊采用SOC模塊,具有標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11B/g/N協(xié)議,內(nèi)置完整的IP協(xié)議棧,高效且經(jīng)濟(jì)[8]。該模塊可隨時(shí)對設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接,其搭載構(gòu)建獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器這一強(qiáng)大的功能,采用低功率的32位CPU,可兼作應(yīng)用處理器,主頻最高可達(dá)160 MHz,內(nèi)置10 bit高精度ADC,支持多種休眠模式,深度睡眠電流低至20 uA。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程

各模塊先進(jìn)行初始化(機(jī)智云、WIFI、緩沖區(qū)、語音、心率、陀螺儀等),然后單片機(jī)搭載的各個(gè)模塊獲取參數(shù)并且進(jìn)行檢測判斷,再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)交互根據(jù)結(jié)果確定是否發(fā)送報(bào)警信息,在此期間實(shí)時(shí)進(jìn)行參數(shù)比對,合理選擇應(yīng)對措施(單片機(jī)實(shí)時(shí)將相應(yīng)的各種信息傳輸給云平臺,通過聯(lián)網(wǎng)后,APP可實(shí)時(shí)查詢到相應(yīng)的信息)。圖9為主程序流程圖。

3.2 心率檢測模塊程序流程

先對各項(xiàng)要用到的部分進(jìn)行初始化操作,模塊和單片機(jī)連接成功后進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,I2C協(xié)議,判斷手指是否有按在心率模塊上(有手指判斷是否為第一次),然后對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性判斷,諸如手指抖動(dòng)幅度較大時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)等無效數(shù)據(jù)將被剔除掉。剔除無效數(shù)據(jù)和首次檢測而產(chǎn)生的前50個(gè)誤差較大的數(shù)據(jù)之后執(zhí)行算法,最后將數(shù)據(jù)信息返回。其程序流程圖見圖10所示。

3.3 超聲波模塊程序流程

此模塊結(jié)構(gòu)簡單,操作便捷。其上有2個(gè)端口,其中1個(gè)端口用于發(fā)射高于10 us的高電平,另1個(gè)用于等待高電平的輸出,通過內(nèi)部的定時(shí)器讀取高電平轉(zhuǎn)換為低電平的時(shí)間,結(jié)合超聲波傳輸?shù)乃俣葎t可計(jì)算出距離。圖11所示為其程序流程圖。

3.4 跌倒檢測模塊程序流程

先初始化該模塊,再初始化IIC總線,再對其進(jìn)行端口配置,然后再讀寫寄存器,再進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取并取其平均值,進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)后,鏈接使能,測量模式,讀取3個(gè)軸的數(shù)據(jù),最后與參考值進(jìn)行比較,判斷是否需要報(bào)警。其程序流程圖如圖12所示。

3.5 軟件應(yīng)用程序

通過按鍵配置網(wǎng)絡(luò)訪問。連接到云服務(wù)器后,WiFi設(shè)備將接收從云或智能云應(yīng)用發(fā)送的數(shù)據(jù)點(diǎn)、狀態(tài)和其他信息。接收后以協(xié)議幀的形式發(fā)送到MCU端。MCU端將接收到的數(shù)據(jù)存儲在緩沖器中,并定期在緩沖器中捕獲數(shù)據(jù)包。在正確捕獲數(shù)據(jù)包后,它將進(jìn)行深入分析,然后進(jìn)入動(dòng)作執(zhí)行環(huán)節(jié),各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)根據(jù)各自對應(yīng)的事件來實(shí)現(xiàn)各自的邏輯。主控制器端按照協(xié)議棧幀格式將各傳感器采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包,打包好后再將其傳輸?shù)絎iFi設(shè)備,之后通過WiFi設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其程序流程圖如圖13所示,APP界面圖如圖14所示,定位查詢圖如圖15所示。

4 結(jié)論

本智能護(hù)腰裝置基于 STM32F103控制器,能夠?qū)崿F(xiàn)定位、摔倒報(bào)警通知、各種生理信號檢測,手機(jī)APP后臺查詢用戶狀態(tài)等功能。對老年人存在的安全隱患得到了良好的解決,實(shí)現(xiàn)了對老人的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù),也使得家屬、醫(yī)護(hù)人員等能更快捷的了解到老人的身體狀況。