基于STM32可穿戴式老人摔倒及其生理檢測系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：老人摔倒與健康已成為社會關(guān)注的熱門話題，為了更加有效獲取老人的身體狀態(tài)信息及減少摔倒而沒有得到及時救治帶來的危害。該文介紹一套能便于實時監(jiān)測老人生理狀態(tài)的可穿戴的醫(yī)療系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32作為主控芯片，其主要功能包括了老人摔倒檢測、體溫檢測、心率檢測、MP3音樂播放、GSM通信、GPS定位、語音對話、查看信息、OLED顯示以及GPS-APP定位查詢等功能。

關(guān)鍵詞：ADXL345 摔倒檢測 GSM通信

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0048-02

隨著我國人口老齡化的逐步加劇和期望壽命的延長，老年人的健康安全問題成為當(dāng)今社會首要解決的問題。尤其是當(dāng)老人獨處或外出在無人陪伴的情況下，解決老年人的行動安全及醫(yī)療保健問題逐漸成為熱門的研究領(lǐng)域。因此，設(shè)計一套可穿戴的老人摔倒及其生理檢測的醫(yī)療系統(tǒng)具有重要意義。

1 老人摔倒及其生理檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計和原理

1.1 系統(tǒng)控制器

該系統(tǒng)的控制器是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32芯片設(shè)計，并將控制器的功能分為以下幾種。ADXL345模塊、心率模塊、脈搏模塊、熱敏模塊、GSM模塊、GPS模塊、OLED顯示屏模塊、MP3模塊、ADC模塊、蜂鳴器模塊。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作原理

1.2.1 ADXL345摔倒檢測

此功能通過STM32 I2C與ADXL345通信。

ADXL345具有兩個可編程的中斷引腳（如圖2）：INT1和INT2。以及Data_Ready、Single_Tap、Double_Tap、Activity、Inactivity、Free_Fall、Watermark、Overrun，共計8個中斷源。在本系統(tǒng)中只用了Free_Fall、Activity、Inactivity3個中斷源，其他不做介紹。

Free_Fall中斷：當(dāng)加速度值低于一定門限（THRESH_FF可設(shè)置為0.75 g）并且持續(xù)超過一定時間（ TIME_FF可設(shè)置為25 ms）時，F(xiàn)ree_Fall中斷置位，該中斷可用于檢測失重。

Activity中斷：當(dāng)加速度值超過一定門限（THRESH_ACT可設(shè)置為2.1 g）時，Activity中斷置位，該中斷用于檢測撞擊。

Inactivity中斷：當(dāng)加速度值低于一定門限（THRESH_

INACT可設(shè)置為0.1876 g）并且持續(xù)超過一定時間（TIME_INACT可設(shè)置為3 s）時，Inactivity中斷置位，該中斷用于檢測靜止。

1.2.2 MCP6004心率檢測

MCP6004是個具有1 MHz增益帶寬積和90°相位容限（典型值）并支持軌到軌輸入輸出的四路運算放大器。它將脈搏傳感器采集到的心率信號經(jīng)過信號放大，從而給STM32單片機獲取，STM32再通過其自身的捕獲功能，捕獲每一次的高低電平并記錄，從而實現(xiàn)心率的檢測。由定時器來進(jìn)行計數(shù)功能，最終將測量數(shù)據(jù)顯示于OLED顯示屏上。

1.2.3 NTC熱敏電阻溫度檢測

當(dāng)人體皮膚接觸熱敏電阻時，電阻阻值的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，STM32中的AD通過采集電壓值的變化再通過算法轉(zhuǎn)化為實際的人體體溫。

1.2.4 GSM通信與GPS定位

該系統(tǒng)應(yīng)用的GSM芯片是SIM900A，通過串口2與STM32通信，實現(xiàn)短信報警、體溫與心率短信通知、一鍵求救、以及通話等功能。

GPS是通過串口4與STM32通信，實現(xiàn)功能是定位老人當(dāng)前位置并通過短信發(fā)送給家屬。

1.2.5 FLASH存儲手機號碼

STM32的FLASH有16-1024KB不同容量，但是用于存儲手機號碼已經(jīng)足夠。當(dāng)系統(tǒng)接收到修改手機號碼指令時，系統(tǒng)將會替換原來的手機號碼。而當(dāng)發(fā)送短信時，GSM會自動提取FLASH中的手機號碼，從而發(fā)送短信到指定號碼。

1.2.6 OLED顯示屏

該系統(tǒng)的OLED主要是實現(xiàn)系統(tǒng)界面，分別有手機號碼、溫度、心率、MP3播放模式、定位信息顯示等等。

2 老人摔倒及其生理檢測系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計

該系統(tǒng)主要涉及到的硬件部分包括STM32F103ZET6系列芯片、三軸加速度ADXL345、MCP6004、SIM900A、GPS、熱敏電阻、SD卡、VS1053音頻解碼、OLED顯示屏。

2.1 STM32F103ZET6系列芯片

STM32F103ZET6系列芯片具有64KB SRAM、512KB FLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、3個SPI、2個I2C、5個串口、1個USB、1個CAM、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口以及112個通用I/O口[2]。

2.2 三軸加速度ADXL345

ADXL345是ADI公司推出的基于MEMS技術(shù)的三軸、 數(shù)字輸出加速度傳感器。ADXL345具有+/-2 g，+/-4 g，+/-8 g，+/-16 g可變的測量范圍；最高13bit分辨率；固定的4 mg/LSB靈敏度；3 mm*5 mm*1 mm超小封裝；40～145 uA超低功耗；標(biāo)準(zhǔn)的I2C或SPI數(shù)字接口；32級FIFO存儲；以及內(nèi)部多種運動狀態(tài)檢測和靈活的中斷方式等特性。所有這些特性，使得ADXL345有助于大大簡化跌倒檢測算法，使其成為一款非常適合用于跌倒檢測器應(yīng)用的加速度傳感器[3]。

2.3 MCP6004

MCP6004運算放大器是專門為各種通用應(yīng)用設(shè)計的。支持軌到軌輸入輸出，它的共模輸入電壓范圍為VDD+300 mV～VSS-300 mV，電壓的提供范圍為1.8 V～5.5 V。

2.4 SIM900A

通信芯片采用SIMCom公司的新型緊湊型產(chǎn)SIM900A，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價比高，并且能夠滿足用戶的多種需求[4]。

該系統(tǒng)STM32單片機與SIM900A通過UART2進(jìn)行通信，實現(xiàn)短信的收發(fā)和電話通信。

2.5 VS1053音頻解碼

VS1053是繼VS1003后荷蘭VLSI公司出品的又一款高性能解碼芯片。該芯片可以實現(xiàn)對MP3/OGG/WMA/FLAC/WAV/AAC/MIDI等音頻格式的解碼，同時還可以支持ADPCM/OGG等格式的編碼，性能相對以往的VS1003提升不少[2]。

2.6 OLED顯示屏

OLED，即有機發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode），又稱為有機電激光顯示（OrganicElec

troluminesence Display，OELD）。

2.7 電源部分電路

該系統(tǒng)工作電壓為5 V，考慮到其大小問題，使用3.7 V電池，由升壓電路提供工作電壓。

3 老人摔倒及其生理檢測系統(tǒng)上位機設(shè)計

整個系統(tǒng)的程序設(shè)計由Keil5軟件編寫，主要的函數(shù)有模塊初始化、函數(shù)的調(diào)用等。如OLED_Init（）、LED_Init（）等等。

4 結(jié)語

經(jīng)過測試，該套系統(tǒng)完美地實現(xiàn)了各個預(yù)期功能。多而不雜的應(yīng)用功能各司其職，改進(jìn)的電路設(shè)計減少了各模塊之間的干擾，完善的程序設(shè)計使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。本系統(tǒng)具有功能多、操作簡單、使用方便、實用性高、價格便宜等優(yōu)點，適用于獨處、外出無人陪伴的老年人使用，大大減輕了子女對獨處老人的擔(dān)憂。

參考文獻(xiàn)

[1]Porteus J，Brownsell S J.Exploring technologies for independent living for older people[R].A report on the Anchor Trust/BT Telecare Research Project，Anchor Trust，2000.

[2]劉軍，張洋，嚴(yán)漢宇.原子教你玩STM32（第1版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013：5-6，467-468.

[3]李強，郭興，王春山.基于ZigBee PRO的低功耗遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2012，27（2）：28-30.