老年人健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計

紀凱鑫，劉石堯，鄭子爍，劉超英，文 浩

（1.肇慶學院 電子與電氣工程學院，廣東 肇慶 526061；2.廣東省肇慶市質量計量監(jiān)督檢測所，廣東 肇慶 526070）

老年人健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計

紀凱鑫1，劉石堯1，鄭子爍1，劉超英1，文 浩2

（1.肇慶學院 電子與電氣工程學院，廣東 肇慶 526061；2.廣東省肇慶市質量計量監(jiān)督檢測所，廣東 肇慶 526070）

老人健康監(jiān)測系統(tǒng)分為3部分：多功能手表、小型血壓計和移動終端APP.穿戴式端分為主機和從機2部分，均采用一顆具有硬件浮點單元的STM32F405芯片作為核心處理器.手表端嵌入u/cosii操作系統(tǒng)管理所有軟件的運行，同時移植了STemWin，結合一塊5.133 cm的電容觸摸屏來實現(xiàn)人機交互.結合板上多種傳感器，如6軸慣性傳感器、心率傳感器、體溫傳感器和作為從機的小型血壓計，可以輕松監(jiān)測老人身體的多個健康因素以及是否發(fā)生摔倒等情況.此外，手表可以通過WiFi連入互聯(lián)網綁定的指定手機，家人就可以通過手機APP即時獲取數(shù)據(jù)，了解老人的身體情況，也可通過手機傳遞一些簡單命令，使用十分靈活.

摔倒檢測；健康檢測；互聯(lián)網

0 引言

隨著中國人口老齡化的加重，空巢老人的健康和安全問題成為社會關注的熱點.相關研究表明，老人摔倒和心臟問題造成的死亡所占比例相當高，每年應對老人意外事故的財政支出都相當大.如果可以預防或者當老人遇到此類問題時能使之得到及時救助，則可有效緩解社會各方面的壓力.

可穿戴式設備是近幾年興起的研究題目，隨著微電子技術的高速發(fā)展，可穿戴設備朝著微型化和智能化的方向發(fā)展.其應用愈來愈廣，如近來很流行的智能眼鏡、手套、運動手環(huán)和手表，等等.穿戴式智能設備正在從實驗階段不斷向商業(yè)化和產品化發(fā)展，逐步走向成熟.

針對孤寡老人的健康安全問題和穿戴式智能設備這2個熱點問題，結合互聯(lián)網技術，我們設計了老人健康監(jiān)測系統(tǒng).通過該健康監(jiān)測系統(tǒng)，家人可以通過手機實時監(jiān)控在家中老人的身體情況，必要時還可以緊急報警，有效地為獨居式孤寡老人提供保障.

1 系統(tǒng)的簡介和功能

1.1 系統(tǒng)的組成

本監(jiān)測產品主要由可穿戴設備與移動終端的APP組成.可穿戴設備又由多功能智能手表和小型血壓計組成.

小型血壓計由主控芯片、WiFi模塊、血壓傳感器、開關電路、電源電量管理電路和LED提示電路構成.

在手表端，主要集成了WiFi模塊、6軸慣性傳感器、紅外體溫傳感器、高精度心率傳感器、光敏傳感器、電源電量管理電路、一鍵開關機電路和震動馬達等.

由于血壓計傳感器的體積比較大，若集成在手表上將給穿戴者造成諸多不便.為此，我們采用了分立式設計，手表可通過自帶的WiFi與血壓計進行無線連接，并且血壓計采用被動式測量的方式.即手表端根據(jù)設定的時間會對人體進行提醒，而后手表和血壓計兩者將通過WiFi局域網相連接并進行數(shù)據(jù)交流.

該智能手表體積小巧，采用5.133 cm高分辨率的TFT電容屏對數(shù)據(jù)進行顯示，通過WiFi連接APP的網絡功能是本設計的一大特色.軟件方面采用了UCOSII嵌入式操作系統(tǒng)和STemwin圖形設計，根據(jù)老人的生理特點，采用簡潔的圖形界面和簡單靈活的操作方式，便于老人進行操作.靈活的任務調度高效并實時地處理了多個傳感器之間的數(shù)據(jù)運行.手表通過WiFi可以接入家中的路由器或其他公共場合的無線熱點，最終通過服務器與家人手機的APP建立連接，從而實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)交換.

1.2 系統(tǒng)的功能

1）基本功能.智能手表除了顯示的時間日期外，在屏幕上還可以顯示當前電量、WiFi連接狀態(tài)和各種傳感器數(shù)據(jù)，通過觸控滑動和點擊可以在各個菜單之間進行靈活切換.

2）解鎖功能.利用觸屏和慣性傳感器，可支持觸控滑動解鎖屏或者翻腕手勢解鎖.

3）屏幕亮度調節(jié)功能.通過光感電路可以實現(xiàn)屏幕亮度的調節(jié)，達到低功耗的效果.

4）心率、體溫和血壓檢測功能.手表利用了安裝在手表底部的心率傳感器和體溫傳感器，實時記錄老人的體溫和心率數(shù)據(jù)，點擊屏幕可查詢詳細狀態(tài).

5）摔倒檢測功能.通過6軸慣性傳感器，采用閾值判別算法對老人的運動狀態(tài)進行實時監(jiān)控，一旦發(fā)生摔倒情況，將通過振動馬達提示穿戴者是否報警；穿戴者可根據(jù)實際情況進行選擇，防止誤報情況發(fā)生.如果在設定的時間內手表一直檢測到危險信號，而穿戴者又沒有解除危險信號，超過設定時間手表將會立即自動通過網絡向家人發(fā)出求助信號.

6）一鍵多功能設計.我們在機身上采用一鍵設計，摒棄了以往單片機系統(tǒng)不靈活的撥碼式開關設計.此鍵長按可以開關機，中長按可緊急報警，防止出現(xiàn)其他意外情況而無法及時報警，短按可以進行鎖屏或者解鎖.一鍵多用的設計也是本設計的亮點之一.

7）智能提醒功能.手表接入網絡后自動將數(shù)據(jù)跟APP同步，根據(jù)APP的設置進行智能提醒，如提醒吃藥等.網絡功能是本設計的特色功能.以往的設備只能通過藍牙等局域連接進行傳輸，傳輸距離十分有限，采用網絡連接即可突破這個限制.

8）網絡時間校準功能.使用單片機系統(tǒng)制作的時間系統(tǒng)，往往因為晶振或者芯片等原因致使時鐘走時不準確.而我們設計的手表，當接入服務器進行數(shù)據(jù)來往之后，會在一定的時間間隔后通過網絡進行時間的校準，消除了手表時鐘走時不準的弊端.

9）在手機端，家人可以通過APP對手表進行各種設置，通過注冊賬號進行登錄.在APP上，可查看手表同步過來的數(shù)據(jù)，并且設置是否接收報警提示.服務器是手表和APP進行連接的橋梁，服務器和手表通過websocket協(xié)議進行全雙工實時通信，同時也將通過這個協(xié)議與APP進行實時通信，并且服務器會將獲取的數(shù)據(jù)實時更新到數(shù)據(jù)庫中.

2 系統(tǒng)設計方案的選擇

2.1 主控芯片的選擇

本次設計選擇基于ARM內核的STM32單片機.該系列均為32位的單片機，是ST公司專為高性能較復雜的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的單片機，擁有極為豐富的片內外資源[1]，F(xiàn)4系列最高可穩(wěn)定工作在168 MHz的頻率，可以運行如UCOS的嵌入式操作系統(tǒng)，適合應用于復雜的嵌入工作.F4系列具有高性能的硬件浮點運算單元，結合DSP庫可以勝任大量的運算工作.其性價比也相當高，因此得到了廣泛應用.

由于本設計較為復雜，實時性要求高，運行UCOSII時，液晶顯示要求有較大的內存，并且得到慣性傳感器的數(shù)據(jù)后需要進行浮點運算，WiFi與網絡的數(shù)據(jù)交流也需要占用一定的資源.STM32F4單片機作為主控，其資源十分適合本設計.

2.2 心率傳感器的選擇

心率傳感器選擇SON7015+SON3130.前者是反射式綠光傳感器，后者是軌道軌輸入/輸出四運放，兩者結合可以十分精確地測量出人體的心率，可輸出與心臟脈搏同步的方波信號和正弦信號，在人體任何裸露的皮膚皆可測量，適合產品化的設計.其缺點是電路復雜，手工焊接難度較大；但從精度的角度出發(fā)，該芯片在同類產品中較為出色.

2.3 體溫傳感器的選擇

本設計選用MLX90615紅外溫度傳感器.這款溫度傳感器用于非接觸式的檢測方式，探測精度十分高，其分辨率可高達0.02°.傳感器的輸出噪聲十分小，與外部連接采用IIC通信，電路簡單，體積小巧，可靠性高.結合精度和體積因素考慮，MLX90615較為適合本次的設計.

2.4 慣性傳感器的選擇

慣性傳感器采用MPU6050的6軸慣性傳感器.這款慣性傳感器結合了3軸加速度計和3軸陀螺儀，通過IIC或者SPI協(xié)議可以讀出測量的原始數(shù)據(jù).該傳感器內部嵌入DMP引擎[2]，配合官方的運動庫自身便可進行數(shù)據(jù)融合演算，大大節(jié)省了CPU資源，所得數(shù)據(jù)的準確性高，可以方便地進行姿態(tài)計算；但該傳感器同樣存在漂移問題，需要算法校準.

2.5 血壓傳感器的選擇

血壓傳感器采用動聯(lián)創(chuàng)科的數(shù)字血壓檢測模塊.該模塊測量原理為示波法，通過阻塞袖帶中的振蕩波測量，實現(xiàn)動脈血壓的間接測量.通過串口發(fā)送AT指令，即可讀出測量出的收縮壓和舒張壓.該模塊誤差較小，為0.4 KPa，應用于心率為40～180 bmp的范圍.

2.6 WiFi模塊的選擇

WiFi模塊采用USR-WIFI1232模塊.該模塊體積很小，內置天線，采用串口即可與單片機連接.模塊內置IPv4,TCP/UDP/FTP/HTTP協(xié)議棧，支持STA/AP/STA+AP共存工作模式.該模塊十分適合多向通信，支持智能連接，方便與服務器對接，能夠實現(xiàn)實時連接和雙向數(shù)據(jù)交流，可大大節(jié)省CPU資源.

2.7 屏幕的選擇

單片機的顯示大多基于液晶屏，在本設計中，我們采用5.133 cm的進口彩色液晶屏，分辨率為240*240，并且配備了iic接口的電容觸控屏，尺寸恰好適用于智能手表.屏幕結合簡潔靈活的UI顯示和觸控操作，老人操作十分方便.

2.8 服務器的構建與移動終端的軟件編寫

為了降低手表的功耗和實現(xiàn)全雙工的通信方法，本設計服務器的構建采用HTML5中的一種新協(xié)議——WebSocket協(xié)議.

移動終端是基于android 5.1編寫的手機APP.APP的主要功能是實現(xiàn)用戶登錄、用戶管理、smartlink的實現(xiàn)、設備二維碼的綁定、功能設置、實時獲取手表的狀態(tài)及檢測的數(shù)據(jù)等.APP與手表之間是通過Web-Socket協(xié)議進行全雙工通信的，而與數(shù)據(jù)庫的連接則通過Servlet實現(xiàn).

3 程序工作流程和硬件框圖

3.1 智能手表工作流程

圖1 智能手表程序流程圖

從圖1中可以看出，當按鍵按下時，系統(tǒng)上電，首先執(zhí)行按鍵檢測程序；一旦檢測到開機信號，則整個系統(tǒng)進行初始化，啟動ucosII；在ucosII任務調度器的安排下，每個線程開始按照系統(tǒng)心跳進行自身的工作[3].一旦檢測到報警信號時，會即刻通過網絡向家人報警.

3.2 智能手表硬件框圖

圖2 智能手表的硬件組成

3.3 小型血壓計的工作方式

血壓計的工作方式如下：當按鍵按下時，系統(tǒng)上電，首先執(zhí)行按鍵檢測程序；一旦檢測到開機信號，則整個系統(tǒng)進行初始化，啟動ucosII；在ucosII任務調度器的安排下，每個線程開始按照系統(tǒng)心跳進行自身的工作.WiFi與手表進行連接，接收到手表命令后進行測量工作，將測量的數(shù)據(jù)上報給手表.

3.4 服務器與手機APP工作方式

服務器與智能手表之間依靠websocket協(xié)議進行雙向的實時數(shù)據(jù)交流，并且服務器也將和手機APP進行雙向的數(shù)據(jù)交流，達到了溝通APP與智能手表的目的.同時，服務器也將從APP和智能手表中獲取的數(shù)據(jù)更新到數(shù)據(jù)庫中，從數(shù)據(jù)庫中獲取有用的信息.

第1次使用APP時，必須先注冊賬號，再通過手表上附帶的二維碼進行設備綁定.綁定之后APP將通過服務器搜索該手表是否接入網絡.如果沒接入網絡，將會進行相應的提示；如果已經接入，則進行數(shù)據(jù)獲取和更新，同時將手機端設置的命令發(fā)送到手表進行相應的更新.

通過對比確定單片機的算法是否準確.以此來修改算法，使之達到最優(yōu)的檢測效果.

檢測摔倒方案的實現(xiàn).在摔倒的前期測試中，分別測試了mpu6050的角度和合加速度，針對生活中一些常見的動作進行測試分析，分別測試了垂直起跳、從椅子上起立、坐到椅子上、行走、前摔、左摔、右摔等多種狀態(tài)，采用上位機進行觀察.

通過實驗和查閱相關資料可知，在人體摔倒后的2～4 s內人體處于水平狀態(tài)，其小臂基本接近水平，由此傾角的閾值或者傾角的變化量可以確定.通過這2個閾值，就能計算出老人此時的身體運動狀態(tài).

4 結論

本系統(tǒng)利用無線路由器和互聯(lián)網技術，專門針對在家的孤家寡人，實現(xiàn)了穿戴式設備與智能手機的無線遠程連接.通過測試，該系統(tǒng)完全滿足設計要求，實時的數(shù)據(jù)監(jiān)測和智能化的提醒功能，降低了老人在家出現(xiàn)意外事故而得不到及時救助的概率.

[1] 張洋.STM32F4開發(fā)指南—寄存器版本[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013．

[2] 李建忠.單片機原理及應用[M].2版.西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[3]LABROSSE J J.嵌入式實時操作系統(tǒng)μCOS-II[M].2版.北京：北京航空航天大學出版社，2003.

Health Monitoring System of the Lonely Old

JI Kaixin1，LIU Shiyao1，ZHENG Zishuo1，LIU Chaoying1,WEN Hao2
（1.School of Electronic and Electrical Engineering,Zhaoqing University,Zhaoqing,Guangdong 526061,China;2.Zhaoqing Institute of Quality Inspection and Metrology of Guangdong,Zhaoqing,Guangdong 526070,China）

Health monitoring system of the lonely old is divided into three parts:a multi-function watch,a small sphygmomanometer and a mobile terminal APP.The wearable equipment includes two parts:host and slave machine,both of which adopt a chip STM32F405 with hardware floating-point unit as the core processor.Au/cosii operating system is implanted into the watch to run all softwares and the STemWin is transplanted,combined with a 1.54-inch touch screen,to achieve human-computer communication.With a variety of sensors(the 6-axis inertial sensor,the heart rate sensor,the temperature sensor and a small sphygmomanometer as the slave machine)on a plate,many health factors of old people and falling conditions can be easily monitored.In addition,the watch can be connected with the designated mobile phones by WiFi so that the family members can obtain the instant data by the APP to know the physical condition of old people.Even some simple commands can be sent by the cell phone,which is very flexible to use.

fall detection；health monitoring；the Internet

TB472

A

1009-8445（2017）05-0022-05

2016-12-19

2015年肇慶學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201510580094）

紀凱鑫（1996-），男，廣東汕頭人，肇慶學院電子與電氣工程學院學生.

劉超英（1960-），男，陜西三原人，肇慶學院電子與電氣工程學院教授，博士.

（責任編輯：陳 靜，姜學霞）