基于STM32的中老年人跌倒監(jiān)測裝置研究

王露　鄧豪

摘要：基于STM32單片機的跌倒監(jiān)測裝置可實現(xiàn)對中老年人的跌倒檢測、自動報警、人體生理數(shù)據(jù)的采集和人體生理健康的監(jiān)測。文章設(shè)計了一種基于STM32的可穿戴的中老年人跌倒檢測裝置。根據(jù)人體跌倒時的角加速度的變化及角度傾斜，用MEMS傳感器進(jìn)行姿態(tài)監(jiān)測；利用人跌倒時血壓變化，采用PTT方法進(jìn)行跌倒的輔助判定以及生理健康監(jiān)測。該設(shè)計成本較低，技術(shù)實現(xiàn)相對較為容易，易于實現(xiàn)對目標(biāo)群體的跌倒檢測及健康監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：STM32單片機；跌倒檢測；自動報警；生理數(shù)據(jù)采集；生理健康監(jiān)測 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2015）03-0018-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0202

眾所周知，我國社會正逐漸步入老齡化，老年人口撫養(yǎng)比不斷提高，老年人保健的重要性日益凸顯，同時許多子女選擇異地工作和生活，導(dǎo)致了大量老年人空巢。于是，老年人的安全監(jiān)護成了一個突出的社會性問題。隨著年紀(jì)增長，老年人身體機能下降并伴隨多種老年性疾病，使之在日常生活中更容易跌倒，所以老年人特別是獨居老人發(fā)生跌倒能否得到及時救助是至關(guān)重要的，而解決此問題的核心技術(shù)便是跌倒檢測技術(shù)。又因老年性疾病多與血壓等生理信號有關(guān)，故對老年人的生理信號檢測達(dá)到對跌倒檢測的輔助判定以及相關(guān)生理健康監(jiān)測亦為重要?；趯χ欣先说古卸?、生理健康監(jiān)測的目的，本文介紹一種基于STM32的老人跌倒檢測裝置。該裝置能較為精確地對目標(biāo)群體實施跌倒檢測與健康監(jiān)測，實時將用戶的心率，體溫等通過無線方式推送至微信平臺以及GSM平臺，便于盡快進(jìn)行醫(yī)療救援呼叫。此裝置設(shè)計成本較低，實現(xiàn)技術(shù)較為容易，易于實現(xiàn)對目標(biāo)群體的跌倒檢測及健康監(jiān)測。

1 系統(tǒng)分析

本文的設(shè)計目標(biāo)“基于STM32的中老年人跌倒監(jiān)測裝置”是以用戶為中心，為用戶提供一個能夠采集多項生理信息的監(jiān)護設(shè)備。系統(tǒng)以STM32片機作為控制核心。對于人體跌倒監(jiān)測的實現(xiàn)，采用MEMS傳感器，通過加速度傳感器將得到的信息轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，經(jīng)前置放大用的儀器放大器實現(xiàn)差值放大。然后進(jìn)行濾波等一系列中間信號處理，用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。通過光隔離器件輸入到單片機進(jìn)行分析處理，最后輸出處理結(jié)果。心電及脈搏生理信號的監(jiān)測我們分別采用HKD系列心電傳感器和HKG系列紅外脈搏傳感器；HKD系列心電傳感器該產(chǎn)品為單導(dǎo)心電圖采集模塊，模擬信號輸出，內(nèi)部包含了前置放大電路、濾波電路、工頻濾波等電路。HKG系列紅外脈搏傳感器是一款利用紅外光透射手指指尖部位，輸出反應(yīng)血管末稍血容積變化的脈搏傳感器，其輸出電壓形式的模擬信號。HKD系列傳感器內(nèi)部包含了放大、濾波等電路，便于開發(fā)使用，可廣泛應(yīng)用于各種脈搏波采集系統(tǒng)。

2 整體框架設(shè)計

本裝置主要任務(wù)是完成對目標(biāo)群體的跌倒檢測及生理健康監(jiān)測。整體邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要組成部分包括主控模塊（CPU）、生理信號采集模塊、姿態(tài)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊。通過MEMS傳感器對人體姿態(tài)信息進(jìn)行采集，通過數(shù)據(jù)分析完成跌倒判定，通過連續(xù)血壓檢測完成對使用對象的生理信號采集，并通過數(shù)據(jù)分析處理完成對跌倒的輔助判定以及健康監(jiān)測，以便于對跌倒者采取相關(guān)的醫(yī)療救援。

3 跌倒判定

由于人體跌倒時身體加速度，傾斜度會產(chǎn)生較大變化，故采用MEMS傳感器對目標(biāo)群體跌倒時產(chǎn)生的加速度及傾斜角度進(jìn)行測量，通過數(shù)據(jù)分析完成對跌倒動作的判定。由于此裝置為穿戴式設(shè)備，故安置在佩戴者的重心處，主要作用是將檢測到的運動信號，包括角加速度、角速度和傾角信息，發(fā)送至主控模塊，即系統(tǒng)CPU。又因為人體跌倒時會引起血壓等眾多生理因素的變化。因此，對人體血壓的連續(xù)檢測及分析可以完成對跌倒的輔助判定，使判定結(jié)果更加準(zhǔn)確。

4 生理信號的采集

由于生理信號對跌倒檢測及生理健康監(jiān)測重要作用，對其精確檢測尤為關(guān)鍵。故采用HKD系列的心電傳感器與紅外脈搏傳感器。HKD系列心電傳感器是單導(dǎo)心電信號采集模塊，輸出電壓信號供AD采樣，使用時需通過紅外脈搏傳感器利用特定波長紅外線對血管末端血液微循環(huán)產(chǎn)生的血液溶劑變化的敏感特性，來對由于心臟的跳動，引起血管血容積發(fā)生相應(yīng)的變化進(jìn)行檢測。當(dāng)人體發(fā)生跌倒時紅外脈搏傳感器能夠輸出經(jīng)過電路調(diào)理后的反應(yīng)血容積變化的完整脈搏波電壓信號，進(jìn)而可測量出脈率，監(jiān)測脈搏波的變化。最后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理便得到使用者的心率及血壓數(shù)據(jù)。同時附加溫度傳感器實時監(jiān)測用戶體溫情況并予以顯示。但需要注意的是傳感器最好和人體緊密固定在一起，有的傳感器（比如溫度傳感器）還要求必須和人體皮膚保持接觸。所以，基于可穿戴性設(shè)計思路，可將多個模塊合并設(shè)計成圓形，避免在與人體的緊密接觸中給人體造成不適甚至意外創(chuàng)傷。

5 電源模塊

由于裝置需要滿足可穿戴，低功耗，又必須保證持續(xù)、穩(wěn)定的供電，故采用開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片較易滿足要求。因為通常使用三端集成穩(wěn)壓芯片有78XX、79XX系列，該系列芯片組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用時直接將電源模塊與外部設(shè)備連接即可，但其輸出電壓不可調(diào)節(jié)，不能滿足廣范圍系統(tǒng)設(shè)計需求。而LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是由LM2596降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動電流以及小于37V的各種電壓，同時具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，并具有自我保護電路，是寬范圍、高精度系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)選項，使用時直接與外部設(shè)備連接，方便、快速。

6 顯示模塊

通過LCD液晶顯示屏將傳感器測得相關(guān)生理數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。LCD由背電極和段電極組成，需要顯示時在背電極和段電極之間加上合適的交流電壓，通常使用方波。液晶顯示通過I2C接口對SDA，SCL兩個接口進(jìn)行讀寫操作就能采集數(shù)據(jù)并控制其輸出精度。傳感器將采集的數(shù)據(jù)返回給主控進(jìn)行處理，主控驅(qū)動液晶顯示屏將處理后的信息進(jìn)行顯示，方便用戶對自身情況有進(jìn)一步了解并及時采取救援措施。此類型的模塊分辨率高，硬件電路結(jié)構(gòu)以及顯示程序都較為簡潔，且該模塊的價格也低于相同點陣的圖形液晶模塊，為顯示模塊的理想選擇。

7 信息傳送處理

無線通信協(xié)議選擇很重要，因為整個硬件設(shè)計都是在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上搭建起來的?，F(xiàn)行的有Zigbee（IEEE 802.15.4）、Bluetooth（IEEE 802.15.1）、Wi-Fi（IEEE 802.11）等無線通信協(xié)議。經(jīng)過相關(guān)通信的可靠性等多方面因素的對比Zigbee在低信噪比的環(huán)境下誤碼率比藍(lán)牙和Wi-Fi低很多，故而Zigbee的抗干擾性相較于后兩者來說有絕對優(yōu)勢。ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，該協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。其傳輸范圍為10～100m，滿足本裝置中各個模塊之間的傳輸范圍。ZigBee將接受到的信息傳送給單片機，單片機對信息進(jìn)行分析處理并做后續(xù)應(yīng)對措施。

8 結(jié)語

人們的生活因為科技而隨之改變，對健康監(jiān)護的需求也日益擴大，尤其對于中老年人來說這已被視為日常保健的必備品了。本裝置適用于對中老年人的日?；顒幼藨B(tài)監(jiān)測并作出應(yīng)對措施，電路模塊化，可行性較高；可用于日常老人健康監(jiān)護，醫(yī)院里病人護理等情況下；裝置集成度高，小巧易攜，不影響老人的正常生活。

本裝置所涉及的姿態(tài)監(jiān)測采用MEMS傳感器，利用HKD系列的心電傳感器與紅外脈搏傳感器實現(xiàn)人體生理信號的采集，使用STM32單片機作為控制系統(tǒng)。裝置中所有節(jié)點設(shè)計均以低功耗，微型化的理念為核心，STM32主控板，搭配其他數(shù)據(jù)采集、通信、顯示模塊構(gòu)成本裝置的硬件系統(tǒng)；通過一系列軟件算法使得每個功能得以實現(xiàn)，并顯示相關(guān)數(shù)據(jù)；最后通過多次測試驗證了其切實可行性。

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作者簡介：鄧豪（1994-），男，四川南充人，西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院本科學(xué)生，研究方向：自動控制及電子信息。

（責(zé)任編輯：周 瓊）