摘 要：隨著我國人口老齡化進(jìn)程的不斷加快，老年人獨(dú)居現(xiàn)象日益普遍，許多家庭面臨著老年人突發(fā)疾病或意外時(shí)無法及時(shí)獲得救助的困境。為了解決獨(dú)居老人所面臨的安全問題，設(shè)計(jì)了一款基于FreeRTOS的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、以STM32單片機(jī)為控制核心的獨(dú)居老人智能檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為居家智能檢測與穿戴手環(huán)檢測兩大部分，能夠?qū)夏耆说纳砗托睦頎顟B(tài)及居家環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測，通過WiFi與4G無線通信技術(shù)，使子女可遠(yuǎn)程掌握父母居家與外出的健康情況及環(huán)境安全。經(jīng)過驗(yàn)證，該系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、異常狀態(tài)智能預(yù)警及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，為解決當(dāng)前老年人獨(dú)居的安全問題提供了可靠的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：FreeRTOS；物聯(lián)網(wǎng)；無線通信；健康檢測；居家檢測；STM32

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）08-00-04

0 引 言

近年來，我國人口老齡化日益加劇，獨(dú)居老人也隨之增多，在“居家為基礎(chǔ)，社區(qū)為依托，機(jī)構(gòu)為補(bǔ)充”的養(yǎng)老政策下，居家養(yǎng)老成為我國當(dāng)前主要的養(yǎng)老形式。隨著生活水平的提高，人們的健康意識也逐漸增強(qiáng)，因此對較便捷的可穿戴式檢測設(shè)備和智能家居的需求日益增加[1]。當(dāng)前，針對老年人群體的可穿戴式身心檢測手環(huán)技術(shù)已日趨成熟，這類設(shè)備在生理指標(biāo)監(jiān)測方面具有較高精度，其功能體系較為完善且具備良好的實(shí)用性。與此同時(shí)，老年人的生活環(huán)境也是養(yǎng)老的重要保障，但目前市面上卻少有產(chǎn)品將獨(dú)居老人的居家安全檢測與身體健康檢測融于一體。

因此，本文以獨(dú)居老人身心健康檢測為課題，設(shè)計(jì)了基于FreeROTS與STM32的獨(dú)居老人身心智能檢測系統(tǒng)，將健康檢測與環(huán)境檢測結(jié)合，旨在時(shí)刻關(guān)注老人的身體健康狀態(tài)和居家環(huán)境狀況。各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過無線通信模塊上傳至可視化終端，以減少子女在外工作的擔(dān)憂，確保居家養(yǎng)老的安全性。

1 概要設(shè)計(jì)

該智能檢測系統(tǒng)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將獨(dú)居老人身心檢測相關(guān)感知設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相連接，實(shí)現(xiàn)獨(dú)居老人當(dāng)前身體狀況與環(huán)境狀況的實(shí)時(shí)感知[2]。系統(tǒng)主要在應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層進(jìn)行技術(shù)運(yùn)用與創(chuàng)新，系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要圖如圖1所示。

系統(tǒng)主要分為智能家居系統(tǒng)和智能穿戴手環(huán)系統(tǒng)，包括以下四個(gè)功能模塊：

（1）環(huán)境監(jiān)測功能模塊：該模塊安置于智能家居系統(tǒng)中，能夠進(jìn)行一氧化碳、可燃?xì)怏w、溫濕度、光照強(qiáng)度等指標(biāo)的檢測，通過相關(guān)傳感器獲取數(shù)據(jù)后在串口屏顯示。

（2）人體檢測功能模塊：該模塊安置于智能穿戴手環(huán)中，能夠?qū)π穆?、血氧、體溫及地理位置等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，將檢測結(jié)果通過觸摸屏顯示，并在指標(biāo)異常時(shí)智能提醒。

（3）控制功能模塊：該模塊集成觸控屏交互、語音指令識別、Web可視化終端三大控制界面，并配備可穿戴設(shè)備聯(lián)動控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控。通過多維控制平臺，用戶可自定義環(huán)境參數(shù)閾值，當(dāng)檢測值超出設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)將自動觸發(fā)多級預(yù)警機(jī)制并執(zhí)行預(yù)設(shè)策略。

（4）用戶管理功能模塊：該模塊為監(jiān)護(hù)人設(shè)計(jì)，可在此界面查看系統(tǒng)數(shù)據(jù)，即獨(dú)居老人當(dāng)前的環(huán)境與身體指標(biāo)，并可設(shè)置提醒信息、遠(yuǎn)程控制家電、實(shí)時(shí)定位老人當(dāng)前位置等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與分析

2.1 硬件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)分為智能家居及智能手環(huán)兩大部分，分別以STM32F103C8T6和STM32F103RCT6為控制核心。智能家居系統(tǒng)包括電源模塊、多環(huán)境采集模塊、語音模塊、WiFi通信模塊及顯示控制模塊，使用舵機(jī)模擬門、窗。智能穿戴手環(huán)系統(tǒng)包括充電電源模塊、觸摸顯示模塊、身體指標(biāo)檢測模塊、GPS模塊及4G通信模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

2.2 關(guān)鍵模塊選擇與分析

（1）體溫檢測采用MAX30205模塊。這是一款專為臨床級溫度測量而設(shè)計(jì)的溫度傳感器，它通過I2C接口與主控單元通信，使用高分辨率Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器將體溫測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式[3]，從而實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測量。

（2）GPS精準(zhǔn)定位采用ATGM336H模塊，其采用了SiRFstarIII技術(shù)，具有快速獲取衛(wèi)星信號的能力，可提供高達(dá)10 Hz的位置刷新速率，確保在較弱的GPS信號環(huán)境下也能保持較高的定位精度[4]。

（3）語音控制使用LD3320芯片集成模塊。LD3320語音識別芯片內(nèi)含高效穩(wěn)定的語音識別算法，可識別任意中文單字和詞語，識別準(zhǔn)確率超95%，可實(shí)現(xiàn)語音識別[5]、聲控、人際對話等功能。

（4）顯示模塊由Tjc4827x343-011串口屏和ISPTFT觸摸屏組成。Tjc4827x343-011串口屏的MCU擁有極速刷屏功能，可確保畫面的流暢性和性能的穩(wěn)定性。ISPTFT觸摸屏集成ISP和TFT技術(shù)的優(yōu)勢，能夠通過ISP技術(shù)迅速識別觸摸操作，提供流暢的交互體驗(yàn)。

（5）AIR780 4G模塊采用移芯EC618芯片，支持4G全網(wǎng)通、雙卡單待、I2S數(shù)字語音接口、CDC功能及USB 2.0接口，具有尺寸小、功耗低、聯(lián)網(wǎng)快等特點(diǎn)，可以滿足IoT行業(yè)多樣化應(yīng)用需求[6]。

2.3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以穩(wěn)壓5 V分別上電。其中，智能家居子系統(tǒng)的部分模塊需要3.3 V電壓才能穩(wěn)定運(yùn)行，故添加LP2985低壓降穩(wěn)壓器將5 V電壓降為3.3 V，為ESP8266、蜂鳴器等模塊供電。降壓電路如圖3所示。

智能穿戴手環(huán)內(nèi)置鋰電池，采用TP4056充電管理芯片提供恒定電流/電壓實(shí)現(xiàn)線性自動充電。TP4056具有熱反饋功能，可對充電電流進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，以便在大功率操作或高溫條件下對芯片溫度加以限制[7]。自動充電電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與分析

3.1 FreeRTOS軟件與程序設(shè)計(jì)

FreeRTOS是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的裸機(jī)控制，其以任務(wù)的形式實(shí)現(xiàn)各功能的控制，當(dāng)系統(tǒng)需要執(zhí)行某種功能時(shí)，首先需完成任務(wù)調(diào)度。合理的任務(wù)調(diào)度規(guī)劃可使控制系統(tǒng)的執(zhí)行效率更高、安全性能更好[8]。系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)如圖5所示。

系統(tǒng)上電啟動后首先進(jìn)行各模塊的初始化。智能家居系統(tǒng)通過紅外感應(yīng)模塊檢測家中是否有人，若無人，則自動切斷電源；若有人，則環(huán)境檢測模塊持續(xù)運(yùn)行，并定時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至云平臺，同時(shí)可以對家電進(jìn)行控制。若老人發(fā)出求救信號或出現(xiàn)異常指標(biāo)，智能可穿戴手環(huán)系統(tǒng)會將當(dāng)前狀況立即上報(bào)并發(fā)送求救短信，否則執(zhí)行健康檢測、遠(yuǎn)程控制家電等程序。智能穿戴系統(tǒng)FreeRTOS軟件設(shè)計(jì)如圖6所示。

系統(tǒng)各任務(wù)的優(yōu)先級根據(jù)任務(wù)調(diào)用頻率和重要性而設(shè)計(jì)，如以智能、節(jié)能、環(huán)保為主的智能家居系統(tǒng)中，家電控制任務(wù)優(yōu)先級最高；以精準(zhǔn)檢測、智能控制為主的穿戴手環(huán)系統(tǒng)中，觸摸屏中斷任務(wù)優(yōu)先級最高。具體任務(wù)優(yōu)先級和功能見表1、表2。

3.2 可視化頁面設(shè)計(jì)

ESP-01S模塊與AIR780模塊在局域網(wǎng)中可以發(fā)送報(bào)文到MQTT客戶端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)?；贛QTT協(xié)議，模塊可以將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析操作，以O(shè)neNET云平臺為媒介，采用MQTT對云服務(wù)進(jìn)行部署，硬件端可以通過部署好的域名訪問MQTT客戶端并訂閱和發(fā)布主題[9]。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示網(wǎng)頁通過OneNET云平臺提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化View制作，完成頁面設(shè)計(jì)后，需要對網(wǎng)頁與云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行加密，通過部署即可完成兩者的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)相互控制。

4 系統(tǒng)測試

檢測智能家居系統(tǒng)是否會因環(huán)境變化幅度超出閾值而發(fā)出警報(bào)并做出相應(yīng)處理，試驗(yàn)測試結(jié)果見表3；檢測通過串口屏、語音交互、智能穿戴手環(huán)及可視化頁面能否成功控制家居設(shè)備，試驗(yàn)控制結(jié)果見表4。智能穿戴手環(huán)系統(tǒng)通過接觸手腕進(jìn)行身體指標(biāo)的檢測，如心率、血氧、體溫等，身體指標(biāo)數(shù)值通過keep B4lite4（keep推出的與之深度匹配的智能運(yùn)動手環(huán)，支持心率、睡眠、血氧、運(yùn)動燃脂量等指標(biāo)的檢測）運(yùn)動手環(huán)與體溫計(jì)得到。通過8組檢測數(shù)據(jù)求出各項(xiàng)數(shù)據(jù)的平均值并進(jìn)行對比分析[10]，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示。系統(tǒng)實(shí)物如圖8所示。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于FreeRTOS與STM32的獨(dú)居老人身心智能檢測系統(tǒng)，結(jié)合了多種檢測模塊、ESP8266 WiFi、AIR780 4G通信模塊及顯示模塊，構(gòu)成了一套完整、測量精準(zhǔn)且實(shí)用性強(qiáng)的檢測系統(tǒng)，具有操作簡單、智能節(jié)能、小巧便捷等特性。

在日常生活中，本系統(tǒng)可以為用戶提供實(shí)時(shí)的環(huán)境檢測與身體指標(biāo)數(shù)據(jù)，并智能采取應(yīng)對異常情況的措施，在很大程度上便利了老年人的生活，降低了老年人在家或外出時(shí)發(fā)生事故而得不到及時(shí)幫助的概率。

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