摘 要：為實(shí)現(xiàn)對(duì)獨(dú)居老人以及心腦血管疾病、眩暈癥患者等人群的健康監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)救治，設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可穿戴式健康管家。采用STM32F103C8T6單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由ADXL345進(jìn)行三軸加速度數(shù)據(jù)采集，借助WiFi與SIM800C進(jìn)行報(bào)警信息發(fā)送，基于現(xiàn)場(chǎng)姿態(tài)檢測(cè)分析與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行跌倒?fàn)顟B(tài)檢測(cè)，及時(shí)進(jìn)行跌倒保護(hù)、報(bào)警、GPS定位信息發(fā)送，并在作品外殼定制包含佩帶人基礎(chǔ)健康信息的專(zhuān)用二維碼，為救護(hù)人員提供便利。測(cè)試結(jié)果表明，跌倒檢測(cè)正確率達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，能夠?qū)崟r(shí)有效地對(duì)佩戴者進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和防護(hù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；可穿戴設(shè)備；健康監(jiān)護(hù)；定位信息；短信發(fā)送；姿態(tài)采集

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）10-0-05

0 引 言

當(dāng)前，我國(guó)老齡人口不斷增長(zhǎng)，而患有心腦血管疾病、眩暈癥等慢性病需要照顧的人也日益增多，在全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的新征程上，提高全民生活品質(zhì)，尤其是提高獨(dú)居老人、患病人群的生活品質(zhì)，成為一項(xiàng)重要任務(wù)[1]。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，基于移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的可穿戴式設(shè)備不僅可以對(duì)用戶(hù)的身體數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還可以通過(guò)平臺(tái)算法對(duì)個(gè)人的身體異常做出提前預(yù)警[2]，有效緩解需照顧人群帶來(lái)的社會(huì)壓力和家庭壓力[3]。

目前市場(chǎng)上的手環(huán)等可穿戴設(shè)備一般面向普通人群，主要對(duì)使用者的日常運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，而對(duì)老人、患病需照顧人群的使用需求考慮較少，缺乏監(jiān)測(cè)報(bào)警等功能。因此，針對(duì)需照顧的人群開(kāi)發(fā)操作簡(jiǎn)單易用、更具專(zhuān)業(yè)性的可穿戴設(shè)備具有極大的市場(chǎng)潛力[4-5]。

本文面向老人、患病需照顧的人群設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的可穿戴式健康管家，其具有跌倒檢測(cè)、GPS定位、緊急報(bào)警、頭部抬升避免窒息、提供基礎(chǔ)健康信息等功能，能夠有效對(duì)佩戴者進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和防護(hù)，從多個(gè)角度提高救治效率，降低了病人因救治不及時(shí)留下后遺癥的機(jī)率。

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括3部分：測(cè)量部分用于判斷監(jiān)測(cè)對(duì)象是否摔倒；響應(yīng)和緩沖部分用于反饋系統(tǒng)的輸出信號(hào)并做出相應(yīng)動(dòng)作；外殼和供電倉(cāng)用于保護(hù)內(nèi)電路和簡(jiǎn)要示意相應(yīng)的基本信息。

1.1 測(cè)量部分

測(cè)量部分由三軸加速度傳感器ADXL345、主控芯片STM32F103C8T6、GPS模塊組成。主控芯片STM32主要用于采集GPS的經(jīng)緯度與三軸加速度傳感器ADXL345的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，判斷病人是否跌倒。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 響應(yīng)部分

跌倒是指人體在外力作用或者非主觀意識(shí)下身體位置發(fā)生劇烈變化，倒在地上或者其他地方，并與接觸面產(chǎn)生碰撞。通常在跌倒過(guò)程中人體的重心會(huì)迅速下降，身體從站立狀態(tài)迅速變成傾斜狀態(tài)，并伴有明顯的角度變化[6]。

單片機(jī)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)判斷病人跌倒后，首先蜂鳴器和報(bào)警燈開(kāi)始工作，在此期間，跌倒人員有10 s的緩沖時(shí)間—如果使用者未失去意識(shí)，可自行爬起或求助，按下按鍵取消報(bào)警。若使用者因失去意識(shí)而跌倒，則10 s后SIM模塊會(huì)向預(yù)定手機(jī)號(hào)發(fā)送求助短信，同時(shí)WiFi模塊會(huì)上傳數(shù)據(jù)至指定設(shè)備，關(guān)聯(lián)設(shè)備會(huì)提示使用者狀態(tài)異常并顯示經(jīng)緯度，便于家人救援。在發(fā)出求救短信的同時(shí)氣泵開(kāi)始工作，為藏在衣服里的氣囊充氣，為跌倒者提供相對(duì)舒適的環(huán)境。本產(chǎn)品還具有隱藏功能：為兒童或患有健忘癥的老人設(shè)計(jì)了一款電子圍墻，可以根據(jù)使用者的活動(dòng)范圍設(shè)定半徑，當(dāng)使用者發(fā)生意外離開(kāi)規(guī)定的區(qū)域時(shí)，本產(chǎn)品會(huì)發(fā)送報(bào)警短信到設(shè)定的手機(jī)，以免使用者走丟。

1.3 緩沖、外殼和供電倉(cāng)設(shè)計(jì)

為避免跌倒時(shí)佩戴者將本產(chǎn)品碰到堅(jiān)硬物體使物品受損，使用SOLIDWORKS設(shè)計(jì)了產(chǎn)品外殼，并在外殼與PCB板間填充泡沫。經(jīng)過(guò)測(cè)試，此舉不會(huì)影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。在外殼上為使用者定制了二維碼，若發(fā)生意外時(shí)醫(yī)生可掃碼查看病人的血型、慢性病、藥物過(guò)敏史等，省去了常規(guī)檢查與判斷治療的時(shí)間。采用航模電池，在保證續(xù)航的同時(shí)減輕了重量。外殼設(shè)計(jì)如圖2所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化編程，將一個(gè)大型程序分解成多個(gè)可獨(dú)立編寫(xiě)和測(cè)試的模塊。本系統(tǒng)將主程序、跌倒檢測(cè)程序、短信報(bào)警程序、GPS定位程序、電子圍墻程序、云平臺(tái)程序、計(jì)步程序、OLED顯示程序等進(jìn)行模塊化處理。其中，主程序由模塊初始化函數(shù)、按鍵判斷與執(zhí)行函數(shù)、跌倒異常判斷函數(shù)、電子圍墻函數(shù)、GPS定位及短信報(bào)警函數(shù)等組成。模塊之間相互關(guān)聯(lián)形成閉環(huán)控制。其他模塊程序主要由串口、算法、通信協(xié)議組成。系統(tǒng)采用傳感器到單片機(jī)、單片機(jī)到執(zhí)行器的執(zhí)行模式。為了提高跌倒檢測(cè)準(zhǔn)確性，程序采用合理算法進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，流程如圖3所示。

2.2 主要模塊程序設(shè)計(jì)

2.2.1 跌倒檢測(cè)模塊

采用三軸數(shù)字加速度傳感器ADXL345測(cè)量人體加速度，通過(guò)讀取傳感器的測(cè)量值獲取物體在3個(gè)空間維度上的加速度信息，包括初始化函數(shù)、自動(dòng)校準(zhǔn)函數(shù)、加速度獲取函數(shù)、角度獲取函數(shù)等。由于該模塊采用I2C通信協(xié)議，所以初始化函數(shù)首先進(jìn)行I2C初始化，并將中斷輸出設(shè)置為低電平，數(shù)據(jù)采用右對(duì)齊，數(shù)據(jù)輸出頻率為100 Hz。將數(shù)據(jù)和地址存放在初始化寄存器中，在測(cè)得三軸各10組樣本數(shù)據(jù)后，取其平均值并減去對(duì)應(yīng)偏移值即可得到三軸校準(zhǔn)值[7]。

2.2.2 GPS定位程序

采用GPS模塊GYGPSNEO6MV2進(jìn)行定位。通過(guò)衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取人體當(dāng)前位置、速度、時(shí)間等，實(shí)現(xiàn)地理定位、軌跡記錄、航向計(jì)算等功能。該模塊包含有GPS數(shù)據(jù)處理函數(shù)、GPS信息顯示函數(shù)，采用UART串口接收和發(fā)送GPS數(shù)據(jù)。

2.2.3 短信報(bào)警程序

采用集成度高的GSM/GPRS模塊實(shí)現(xiàn)短信報(bào)警。GSM短信通信網(wǎng)絡(luò)有較為廣泛的覆蓋面，基于短信完成相應(yīng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和傳輸，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、可靠性和較高的利用率[8]?？赏ㄟ^(guò)控制模塊的AT指令進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和服務(wù)器之間的短信通知、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｏ到y(tǒng)判斷老人跌倒后通過(guò)AT指令及時(shí)發(fā)送報(bào)警信息。

2.2.4 云平臺(tái)程序

通過(guò)WiFi模塊與云服務(wù)建立網(wǎng)絡(luò)連接，并通過(guò)該連接將設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與云平臺(tái)之間的實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)交互，包括WiFi初始化、WiFi連接控制函數(shù)、機(jī)智云初始化等。

3 硬件設(shè)計(jì)

圖4采用傳感器到單片機(jī)、單片機(jī)到執(zhí)行器的工作模式，通過(guò)3軸數(shù)字輸出加速度傳感器檢測(cè)老人當(dāng)前的身體姿態(tài)，并采用I2C通信協(xié)議將老人的姿態(tài)信息上傳到單片機(jī)，當(dāng)姿態(tài)信息達(dá)到單片機(jī)設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)判斷監(jiān)測(cè)對(duì)象跌倒，此時(shí)通信模塊動(dòng)作，將GPS檢測(cè)的經(jīng)緯度信息以短信的形式發(fā)送到監(jiān)護(hù)人的手機(jī)上，并進(jìn)行聲光報(bào)警。傳感器在此過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將通過(guò)WiFi模塊同步上傳到云平臺(tái)。

3.1 控制層

硬件平臺(tái)采用以STM32F103C8T6為核心的控制系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)，STM32具有高性能、低功耗、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還具有豐富的外設(shè)資源，包括定時(shí)器、中斷控制器、串行通信接口、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器等。這使得STM32單片機(jī)可以適應(yīng)更多的應(yīng)用場(chǎng)景，如嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等，更適合現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用。

3.2 感知層

ADXL345是ADI公司推出的基于MEMS技術(shù)的3軸數(shù)字輸出加速度傳感器，其分辨率高達(dá)13位，靈敏度高達(dá)

3.9 mg/LSB，能測(cè)量到最小1.0°的傾斜角度變化，具有±2g、±4g、±8g、±16g測(cè)量范圍[9]，適用于需要精確測(cè)量加速度的場(chǎng)景。其工作原理是基于陶瓷電容式MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)。這種傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在硅基底上制作出微小的懸空結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)具有彈性的微懸梁。當(dāng)傳感器受到加速度作用時(shí)，微懸梁會(huì)發(fā)生形變，進(jìn)而引起電容值的變化。通過(guò)對(duì)電容值的測(cè)量和處理，可以得到加速度的大小和方向。本系統(tǒng)選用ADXL345檢測(cè)病人的身體姿態(tài)，并通過(guò)程序判斷病人是否跌倒，模塊如圖5所示。

3.3 GPS定位模塊

GYGPSNEO6MV2是一款高性能、低功耗的GPS模塊，具有體積小、定位精度高、兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的高精度定位。該模塊采用了最新的GNSS技術(shù)，支持 GPS、GLONASS、北斗、伽利略等全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于需要高精度定位的場(chǎng)景，如智能交通、車(chē)載導(dǎo)航、戶(hù)外探險(xiǎn)、無(wú)人機(jī)、智能家居等。GYGPSNEO6MV2模塊主要通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)、信號(hào)處理、定位計(jì)算、數(shù)據(jù)輸出、故障檢測(cè)與處理以及電源管理等方式，實(shí)現(xiàn)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度定位功能。本系統(tǒng)選用GYGPSNEO6MV2檢測(cè)病人跌倒后的位置信息，模塊如圖6所示。

3.4 執(zhí)行層

SIM800C模塊是一款高性能、高性?xún)r(jià)比的工業(yè)級(jí)GSM/GPRS模塊。其采用城堡孔封裝，具有性能穩(wěn)定、外觀小巧、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。該模塊的工作頻率涵蓋GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz頻段，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信和數(shù)據(jù)信息的傳輸[10]。SIM800C模塊通過(guò)接收和發(fā)送無(wú)線信號(hào)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信和數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)支持外部電源和USB接口供電，并通過(guò)UART端口與上級(jí)處理器進(jìn)行通信和控制。本系統(tǒng)選用SIM800C在病人跌倒后將其位置信息以短信的方式發(fā)送給監(jiān)護(hù)人，模塊如圖7所示。

3.5 通信層

ESP8266是一款WiFi網(wǎng)絡(luò)模塊，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可以通過(guò)串口通信和WiFi網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制，具有低功耗、高性能、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等場(chǎng)景。同時(shí)ESP8266的可編程性較強(qiáng)，用戶(hù)可以根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行配置和編程，滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求。本系統(tǒng)通過(guò)ESP8266與云服務(wù)建立網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與云平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互，模塊如圖8所示。

4 系統(tǒng)測(cè)評(píng)

4.1 系統(tǒng)響應(yīng)流程

對(duì)于系統(tǒng)硬件電路，按鍵部分用來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，OLED顯示屏顯示當(dāng)前的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)，蜂鳴器用于報(bào)警，陀螺儀用以檢測(cè)佩戴者的身體姿態(tài)，發(fā)光LED小燈用來(lái)進(jìn)行報(bào)警指示，電源接口用來(lái)連接電源。此外，系統(tǒng)硬件電路還包括外接揚(yáng)聲器的語(yǔ)音播報(bào)模塊、STM32單片機(jī)、短信發(fā)送模塊、GPS定位模塊。

在操作時(shí)，當(dāng)GPS上的指示燈閃爍時(shí)表明定位成功。開(kāi)機(jī)后OLED顯示屏顯示時(shí)間、定位狀態(tài)、跌倒檢測(cè)狀態(tài)以及行走步數(shù)。按下系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)鍵，顯示屏?xí)@示跌倒檢測(cè)和計(jì)步檢測(cè)的參數(shù)，當(dāng)在設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)（通常設(shè)定為500 ms）超過(guò)了設(shè)定的角度差值，系統(tǒng)判定為跌倒?fàn)顟B(tài)。當(dāng)計(jì)步檢測(cè)前后差值超過(guò)了設(shè)定參數(shù)，在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)改變姿態(tài)，記行走一步，增加步數(shù)參數(shù)。系統(tǒng)參數(shù)可通過(guò)對(duì)應(yīng)的按鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)。

當(dāng)系統(tǒng)判定佩戴者處于跌倒?fàn)顟B(tài)時(shí)，系統(tǒng)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)的同時(shí)指示燈閃爍，外加語(yǔ)音播報(bào)提醒旁人并發(fā)送佩戴者的狀態(tài)信息和經(jīng)緯度信息到指定設(shè)備。如果系統(tǒng)判斷錯(cuò)誤，可以按下對(duì)應(yīng)按鍵取消聲光警報(bào)，顯示屏顯示“正常”。

當(dāng)延時(shí)控制功能開(kāi)啟時(shí)，設(shè)定好參數(shù)后，系統(tǒng)檢測(cè)到跌倒?fàn)顟B(tài)，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)LED燈閃爍，蜂鳴器、語(yǔ)音播報(bào)模塊等暫時(shí)不工作，為佩戴者處理自身狀況留夠時(shí)間。此時(shí)若在達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間前，佩戴者按下?tīng)顟B(tài)取消按鍵，則系統(tǒng)回到正常運(yùn)行狀態(tài)；反之，進(jìn)入異常狀態(tài)處理流程。

在顯示屏界面中，系統(tǒng)可調(diào)節(jié)的參數(shù)包括延時(shí)控制時(shí)間開(kāi)關(guān)及參數(shù)、跌倒檢測(cè)參數(shù)、計(jì)步檢測(cè)參數(shù)、聲光報(bào)警開(kāi)關(guān)、掉電可保存的報(bào)警號(hào)碼參數(shù)、系統(tǒng)時(shí)分秒時(shí)間參數(shù)、定位信息經(jīng)緯度參數(shù)，實(shí)物如圖9所示。

4.2 跌倒檢測(cè)準(zhǔn)確率測(cè)試

由團(tuán)隊(duì)5名成員模擬監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，每人進(jìn)行2類(lèi)5組模擬測(cè)試，每組2次，總計(jì)100次實(shí)驗(yàn)。測(cè)試分為相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)與相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)兩類(lèi)情況，以涵蓋實(shí)際情況的多樣性。相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)是指一般情況下正常人未進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)的狀態(tài)；相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是指劇烈運(yùn)動(dòng)后的狀態(tài)。每人每組的模擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都包括步行、跑步、下蹲、彎腰、跌倒5類(lèi)動(dòng)作，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1、表2所列。

在本模擬測(cè)試中，步行、跑步、彎腰皆為干擾選項(xiàng)，不應(yīng)該發(fā)出警報(bào)。由表1可知，在相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下的測(cè)試數(shù)據(jù)正確率達(dá)到96%；在相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的正確率達(dá)到90%。本模擬測(cè)試中干擾項(xiàng)共計(jì)80次，干擾項(xiàng)警報(bào)5次；跌倒項(xiàng)共計(jì)20次，警報(bào)18次，總體正確率為90%。綜上可知，本系統(tǒng)產(chǎn)品基本可滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用要求。

4.3 系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

系統(tǒng)通過(guò)WiFi連接設(shè)備，即可在該設(shè)備上遠(yuǎn)程觀察系統(tǒng)狀態(tài)，主要顯示的信息包括經(jīng)緯度、跌倒?fàn)顟B(tài)、行走步數(shù)等。系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控界面如圖10所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著人口老齡化和慢性疾病等情況的增加，健康管理變得尤為關(guān)鍵?？纱┐魇皆O(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合為實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、連續(xù)的健康監(jiān)測(cè)和管理提供了新機(jī)遇。這項(xiàng)研究意義重大，它可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理、長(zhǎng)期追蹤和預(yù)防等促進(jìn)人們進(jìn)行個(gè)性化健康管理，樹(shù)立健康意識(shí)并改變自身行為。

本系統(tǒng)基于SIM短信發(fā)送技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GPS定位技術(shù)以及三軸數(shù)字加速度傳感器ADXL345設(shè)計(jì)了一款可穿戴式健康管家。利用三軸數(shù)字加速度傳感器判斷佩戴者是否跌倒，檢測(cè)到狀態(tài)異常后，SIM短信發(fā)送模塊會(huì)將GPS采集的定位信息發(fā)送到指定的手機(jī)號(hào)碼，做出報(bào)警提示，同時(shí)WiFi模塊將跌倒信息上傳到云平臺(tái)，可從多個(gè)渠道獲取信息，及時(shí)展開(kāi)救援。外殼的二維碼可使救護(hù)人員快速審查病因，施行精確快速的診斷與救治。未來(lái)，這款產(chǎn)品采集的數(shù)據(jù)可以呈現(xiàn)到地圖上，通過(guò)定位系統(tǒng)為救護(hù)行動(dòng)規(guī)劃最優(yōu)路線。

注：本文通訊作者為許少娟。

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