基于STM32可穿戴式老人摔倒及其生理檢測系統設計

摘 要：老人摔倒與健康已成為社會關注的熱門話題，為了更加有效獲取老人的身體狀態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測老人生理狀態的可穿戴的醫療系統。該系統以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。

關鍵詞：ADXL345 摔倒檢測 GSM通信

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：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今社會首要解決的問題。尤其是當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療保健問題逐漸成為熱門的研究領域。因此，設計一套可穿戴的老人摔倒及其生理檢測的醫療系統具有重要意義。

1 老人摔倒及其生理檢測系統的整體設計和原理

1.1 系統控制器

該系統的控制器是基于ARM Cortex-M3內核的STM32芯片設計，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。其硬件結構框圖如圖1所示。

1.2 系統工作原理

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。在本系統中只用了Free_Fall、Activity、Inactivity3個中斷源，其他不做介紹。

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

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

Inactivity中斷：當加速度值低于一定門限（THRESH_

INACT可設置為0.1876 g）并且持續超過一定時間（TIME_INACT可設置為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，從而實現心率的檢測。由定時器來進行計數功能，最終將測量數據顯示于OLED顯示屏上。

1.2.3 NTC熱敏電阻溫度檢測

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

1.2.4 GSM通信與GPS定位

該系統應用的GSM芯片是SIM900A，通過串口2與STM32通信，實現短信報警、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，實現功能是定位老人當前位置并通過短信發送給家屬。

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足夠。當系統接收到修改手機號碼指令時，系統將會替換原來的手機號碼。而當發送短信時，GSM會自動提取FLASH中的手機號碼，從而發送短信到指定號碼。

1.2.6 OLED顯示屏

該系統的OLED主要是實現系統界面，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的硬件平臺設計

該系統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技術的三軸、 數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；標準的I2C或SPI數字接口；32級FIFO存儲；以及內部多種運動狀態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用設計的。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SIM900A，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，性能穩定，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STM32單片機與SIM900A通過UART2進行通信，實現短信的收發和電話通信。

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上位機設計

整個系統的程序設計由Keil5軟件編寫，主要的函數有模塊初始化、函數的調用等。如OLED_Init（）、LED_Init（）等等。

4 結語

經過測試，該套系統完美地實現了各個預期功能。多而不雜的應用功能各司其職，改進的電路設計減少了各模塊之間的干擾，完善的程序設計使得系統更加穩定。本系統具有功能多、操作簡單、使用方便、實用性高、價格便宜等優點，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憂。

參考文獻

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

[3]李強，郭興，王春山.基于ZigBee PRO的低功耗遠程醫療監護系統[J].中國醫療設備，2012，27（2）：28-30.