基于阿茲海默癥患者的感應報警器創新設計

俞冰，張曉霞，張宇雪，王列震，陳鑫，林曉雷

溫州醫科大學 眼視光學院、生物醫學工程學院，浙江 溫州 325000

引言

阿茲海默癥（Alzheimer disease，AD），也稱為老年癡呆癥，是一種起病隱匿的進行性發展的神經系統退行性疾病。臨床上以記憶障礙、失語、失用、失認、視空間技能損害、執行功能障礙以及人格和行為改變等全面性癡呆表現為特征，病因迄今未明[1]。由于行為上的障礙，阿茲海默癥患者容易毫無征兆地在夜里頻繁“出走”，極易發生走失，這威脅到患者的生命安全。為了避免這個狀況發生，監護人擔心老人出走，需要時不時地監控患病老人的動態，監護人夜晚不敢深睡，直接影響到了監護人的起居和精神狀態。因此，用便捷方式監測老人夜間的行動非常必要。而目前市場上并沒有成熟的商品用于監控阿茲海默癥患者的動態，近年來國內外在這方面的研究主要專注于阿茲海默癥的治療[2-5]。而在監護方面，傳統的人工監護仍是主流。即使在不久的將來，這類設備得以問世，也必然需要昂貴的代價來換取。

基于上述情況，我們設計了一種感應報警裝置。本裝置佩戴于患者鞋底，實物圖，見圖1。通過壓力傳感器對患者的行動進行檢測，設定好壓力后，壓力傳感器實時采集并將信息傳遞給單片機，經過單片機系統信號處理，將所需信息通過藍牙傳給手機端，手機端記錄并顯示患者行走的步數，當步數達到預設值后實現報警。本裝置在保障患病老人安全的基礎上減去了大部分的家庭護理開銷，減輕了監護人的工作量與起夜壓力。

圖1 感應報警器實物圖

1 設計路線和實現

本系統由電源電路、感應電路和控制電路組成[6]。感應電路包括壓力傳感器電路、信號放大電路、A/D轉換電路，控制電路主要包括單片機電路和藍牙電路（圖2）。其中電源采用USB供電方式，USB接口供電方便程序調試。

圖2 電路結構框圖

1.1 感應報警原理

電源供電，使用YZC-161B半橋傳感器對患者夜間行動產生的重力信號進行線性放大，再經A/D轉換為電信號后傳送到單片機進行處理，后經藍牙電路將信號無線傳輸給手機端[7]，手機端實現記步功能，最后判斷是否啟動報警。

1.2 電路設計

1.2.1 感應電路設計

本裝置使用YZC-161B半橋傳感器。應變片測量電橋在測量前使電橋平衡，從而使測量時電橋輸出電壓只與應變片感受的應變所引起的電阻變化有關。原理如下：

則電橋輸出為：

通過對壓力傳感器[8]與電阻應變式傳感器比較分析，還考慮到振動和沖擊分量，以及避免超重損壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重5 kg。

關于AD數模信號的轉換，我們使用了HX711芯片[9]。這是一款高精度的24位A/D轉換器芯片，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點。感應電路原理圖， 見圖3。

1.2.2 控制電路設計

本設計由STC89C52單片機[10]電路和藍牙電路組成，該電路作為整個系統功能實現的核心單元?？刂齐娐吩韴D，見圖4[11]。

當老人行走時，原始信號經過感應電路的一系列處理，將模擬信號轉換為電信號后，本裝置開始工作。本裝置采用STC89C52處理器，這是是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器[12]，具有8 K字節系統可編程Flash存儲器，擁有全雙工串行口。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存。這些特性滿足感應報警裝置系統的要求。內部電路設計采用C語言編寫，可完成壓力感應監控[13-14]、壓力比較計算、藍牙信號傳輸控制等功能。

2 軟件設計

本設計包括單片機中運行的下位機程序和安卓手機中運行的上位機程序兩部分。

圖3 感應電路原理圖

圖4 控制電路原理圖

2.1 單片機下位機程序

本軟件系統包括：主程序、數據采集及處理程序、串行口通信程序[15]。

單片機與藍牙之間的通信采用串行口方式1。在具體操作串行口之前，需要對單片機的一些與串口有關的特殊功能寄存器進行初始化設計。當采集到的信號數字化后，數據被寫入SBUF寄存器后，單片機自動開始從起始位發送數據，發送到停止位的開始時，由內部硬件將T1置1，向CPU申請中斷。用軟件置REN為1時，檢測到RXD引腳輸入電平發生負跳變時，則說明起始位有效，將其移入輸入移位寄存器，并開始接收這一幀信息的其余位。這樣就實現了單片機與藍牙之間的串行口通信。

藍牙串口模塊用于把串口轉換為藍牙，它主要的功能是取代串口線。單片機接上藍牙模塊的從機，可以和手機的藍牙適配器配對通信，使得單片機和手機之間虛擬了一根串口線，可以進行串口通信。

本設計能實現數據無線傳輸方式。在老人下床后，本裝置開始工作。老人每行走一步，單片機都能將數據通過藍牙傳給手機端，在手機端實現計步并顯示及報警功能（圖5）。

圖5 單片機程序框圖

2.2 手機上位機程序

上位機程序是指運行在安卓智能手機[16]微處理器中的程序，用來接收下位機傳輸來的數據。使用了最新推出的Android Studio開發環境[17]，該開發環境功能完善、比較容易上手?？紤]到房間的大?。?.8 m×3.6 m）和老人單步行走的距離為350 mm左右，我們將閾值設保守值為“20”，也就是說老人走出20步默認為已離開。主程序框圖，見圖6。軟件界面，見圖7。

圖6 手機端主程序框圖

圖7 軟件界面

3 總結與展望

我們對測試者進行編號，分別記錄腳自然垂放狀態下手機應用計步情況（計步/不計步；正常情況下，腳自然垂放不計步），比較實際行走步數和手機界面步數，并觀察手機端的報警情況（報警預設為20步）。測試結果，見表1。

表1 測試結果

表中結果顯示，腳自然垂放不計步，實際步數與系統感應步數一致；當步數達預設值時，手機端響鈴報警。結果符合設計目標，能夠精確感應患者的實時動態，具有時效性，滿足大眾需要。

本研究結果在市面上有很好的應用前景：當老年癡呆患者離開床時，感應器會捕捉移動信號經單片機處理由藍牙無線輸給手機端，從而引起響鈴報警，提醒監護人前來照顧患者，避免病人夜起的各種危害。本感應報警器的主要特點：① 信息無線傳輸取代線纜傳輸，實現短距離內不同空間的快速互連；② 采用較薄的傳感器，在實用性上有一定的成效；③ 設計了匹配的手機應用軟件，符合用戶需求。

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