老年人多功能智能護(hù)腰“守護(hù)你”的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

陳東來(lái),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(lái)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(huì)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(huì)性問題顯露了出來(lái)。隨著老年人年齡的進(jìn)一步增長(zhǎng),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?cè)谌粘Ｉ钪懈菀椎?。眾所周?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(hào)存在一定的相關(guān)性,所以對(duì)老年人的各項(xiàng)生理信號(hào)檢測(cè)是必要的,這對(duì)于摔倒檢測(cè)的輔助判斷和相關(guān)身體健康的監(jiān)測(cè)也很重要[1]。雖然現(xiàn)在市場(chǎng)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(cè)一些基礎(chǔ)的數(shù)據(jù),其過于智能化,老人使用時(shí)會(huì)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(cè)一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并且可以對(duì)老人姿態(tài)進(jìn)行判別,可以有效對(duì)老人跌倒進(jìn)行報(bào)警,使老人得到及時(shí)治療,對(duì)提高社會(huì)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(cè)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)用此監(jiān)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(cè)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(yǔ)音求助,此外具備智能語(yǔ)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(cè)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(cè)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(yǔ)音模塊、GSM通信模塊、紅外測(cè)溫模塊、血壓測(cè)量模塊、心率脈搏模塊、WiFi模塊、北斗定位模塊、跌倒檢測(cè)模塊以及超聲波測(cè)距模塊。超聲波測(cè)距模塊檢測(cè)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(cè)老年人的身體姿勢(shì),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(cè)量,若檢測(cè)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(yǔ)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(yǔ)音模塊進(jìn)行老人跌倒后的語(yǔ)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(duì)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(hào)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(chǎng)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(cè)模塊

該心率檢測(cè)模塊由1個(gè)多功能生物傳感器組成,型號(hào)為MAX30102,其采用光電容積法檢測(cè)心率,利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的透光率來(lái)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(lái)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(cè)距模塊

該超聲波模塊的型號(hào)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(cè)量可以達(dá)到移動(dòng)測(cè)量的目的,該模塊性能穩(wěn)定,測(cè)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(cè)模塊

設(shè)計(jì)采用ADXL345模塊檢測(cè)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(cè)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(cè)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]。活動(dòng)和非活動(dòng)檢測(cè)功能通過比較任意軸上的加速度與設(shè)置的閾值來(lái)檢測(cè)是否跌倒,并通過整合傾斜角度的變化來(lái)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(duì)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(cè)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(wú)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(tái),通過APP以達(dá)到實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)信息的目的。該無(wú)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(duì)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(yǔ)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(cè)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(duì),合理選擇應(yīng)對(duì)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(tái),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(cè)模塊程序流程

先對(duì)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(duì)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(wú)效數(shù)據(jù)將被剔除掉。剔除無(wú)效數(shù)據(jù)和首次檢測(cè)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(jiǎn)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(cè)模塊程序流程

先初始化該模塊,再初始化IIC總線,再對(duì)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(cè)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(chǔ)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(duì)應(yīng)的事件來(lái)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(hào)檢測(cè),手機(jī)APP后臺(tái)查詢用戶狀態(tài)等功能。對(duì)老年人存在的安全隱患得到了良好的解決,實(shí)現(xiàn)了對(duì)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。