基于STM32的遠程老人健康檢測椅控制系統(tǒng)設(shè)計

張笑彤　劉忠富

摘要：現(xiàn)今社會人口老齡化嚴重，很多老人處于獨居的狀態(tài)，老人的健康監(jiān)測越來越重要，因此，設(shè)計可遠程實時監(jiān)測老人健康的輪椅系統(tǒng)有一定的應用價值。本文以STM32單片機為核心控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)對老人位置、速度、身體狀況以及應急藥物的余量檢測的實時檢測，通過無線通信將檢測信息實時傳輸?shù)郊胰说氖謾C中。同時，通過搖桿對輪椅的行進進行控制。本系統(tǒng)對老人的獨自出行提供了更為安全便捷的方式，實現(xiàn)了對老人健康的遠程監(jiān)控，具有一定的應用價值。

關(guān)鍵詞：STM32F103;無線通信;遠程檢測;搖桿控制;身體狀態(tài)檢測

【Abstract】Nowadays，theagingofthepopulationisgrave，manyoldpeoplearelivingbythemselves，it'smoreandmoreimportanttomonitortheelderlyhealth.Sothewheelchairhasbeendesigned，whichhasthepracticalresearchsignificance.Theresearchcouldmonitorthehealthoftheelderlyintrealtimeandremotely.Inthispaper，thecorecontrollerusedSTM32，thespeedoftheemergency，thelocationoftheemergency，andthemedicalconditionoftheelderlycanbemonitoredbythecorecontroller，detectioninformationcanbetransferredtotheirfamily'smobilephonesbywirelesscommunication.Atthesametime，themovementofthewheelchairiscontrolledbytherocker.Thesystemprovidesmoresafeandconvenientwayfortheelderlytotravelalone，realizestheremotemonitoringoftheelderlyhealth.Thefruithascertainapplicationvalue.

【Keywords】STM32F103;wirelesscommunication;remotedetection;rockercontrol;bodystatedetection

作者簡介：張笑彤（1998-），男，本科生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用;劉忠富（1973-），男，碩士，副教授，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

0引言

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展、民眾生活水平的提升，以及人口老齡化的到來，人們對于醫(yī)療健康的需要日益增長，導致醫(yī)療資源仍然較為緊張。這就催生了對醫(yī)療資源的巨大需求，可以說，物聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)已然成為解決醫(yī)療資源問題的突破口。為應對這一現(xiàn)狀，目前國內(nèi)的多家專業(yè)團隊已然陸續(xù)開啟了關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)的各項研究工作。在此，本文則是針對已有的智能輪椅展開研究，可為老人出行提供便捷條件，并沒有結(jié)合醫(yī)療方面，因此，設(shè)計可遠程檢測老人健康的輪椅具有一定的應用價值。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文研發(fā)的可遠程實時監(jiān)測老人健康的輪椅，需要對老人的健康狀況進行實時監(jiān)測，為老人提供可自我出行的條件，同時也要為老人的子女或親屬提供老人的實時信息，包括位置、速度、身體狀況以及應急藥物的余量檢測。對于本系統(tǒng)的硬件設(shè)計方面，本文擬給出研究論述如下。

1.1系統(tǒng)方案設(shè)計

可遠程實時檢測老人健康的輪椅，采用STM32F103RET6單片機作為核心控制芯片。這款單片機具有高效能、低功耗、實時應用、并集競爭性價格于一體的特點，滿足嵌入式領(lǐng)域的要求。經(jīng)過研究后可得，遠程檢測健康輪椅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，該系統(tǒng)主要由7個主要模塊組成，分別為：心率脈搏檢測模塊、壓力傳感器模塊、重力加速度計模塊、搖桿模塊、GPS模塊、電源電機模塊、WiFi模塊以及需要搭載一個無線WiFi設(shè)備。

1.2控制系統(tǒng)模塊組成

1.2.1單片機最小系統(tǒng)

系統(tǒng)采用STM32F103RET6單片機作為主控制器件。這款單片機具有高效能、低功耗、實時應用、及綜合競爭性價格于一體的特點，滿足嵌入式領(lǐng)域的要求。

1.2.2電源模塊

由于部分器件需要使用到5V或3.3V電源供電，故采用7805降壓芯片進行降壓，由于本產(chǎn)品選用的是雙12V結(jié)合成的24V電池，故將一端12V電池接入到電源電路，即可完成12V到5V的降壓過程，達到了對電路各個部件低壓供電的目的。

1.2.3電機模塊

根據(jù)市面上現(xiàn)有電機類型，需要考慮諸如：功率、輪椅行駛過程中轉(zhuǎn)向、速度、減速等多項指標，故選用TB6600步進電機控制器配合2個步進電機來進行電機的控制。在此過程中，參考電機的額定電壓、電機功率、電機功耗等性能參數(shù)，同時本設(shè)計使用雙12V結(jié)合成的24V電池，且考慮到安全、質(zhì)量、成本等問題，故選用86閉環(huán)步進電機。電機控制電路的整體設(shè)計如圖2所示。本電機的技術(shù)優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：閉環(huán)控制技術(shù)，解決了傳統(tǒng)步進電機的丟步問題，提高安全性;較好的電機的高速性能，提高了電機的有效轉(zhuǎn)矩;較低的電機發(fā)熱量;較短的電機加減速響應時間;電機停剎車無震蕩;電機運行更平穩(wěn)，精度更高;無需增益調(diào)整，使用更方便[1]。

1.2.4搖桿模塊

本設(shè)計采用三軸搖桿，由于搖桿產(chǎn)生的信號為模擬信號，故需通過AD處理將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過單片機進行計算后將處理后的信號傳輸?shù)诫姍C控制器TB6600上，完成對雙電機的控制。由于單片機電壓為5V，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后的電壓范圍在0～5V，故得到一個半徑為2.5的圓，將搖桿看作一個三維坐標，得到三維數(shù)據(jù)：X∈[0，5]，Y∈[0，5]，Z∈[0，5][2]。

1.2.5GPS模塊

本模塊選用ATK1218-BD模塊。該模塊自帶可充電后備電池，可以掉電保持星歷數(shù)據(jù)，在主電源斷開后，后備電池可以維持半小時左右的GPS/北斗星歷數(shù)據(jù)的保存，支持溫啟動或熱啟動，從而實現(xiàn)快速定位，確保在出現(xiàn)特殊情況時依舊能夠提供當下位置信息。

GPS模塊設(shè)計電路如圖3所示。本模塊將位置信息通過MAX232將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32單片機中，通過STM32將數(shù)據(jù)進行處理，再通過無線模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿佣酥衃3]。

1.2.6無線通信模塊

ATK-ESP8266模塊采用串口（LVTTL）與MCU（或其他串口設(shè)備）通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換。通過ATK-ESP8266模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備只是需要簡單的串口配置，即可通過網(wǎng)絡（WiFi）傳輸自己的數(shù)據(jù)。

本次設(shè)計將設(shè)置單片機串口3與ATK-ESP8266WiFi模塊連接，同時將ATK-ESP8266WiFi模塊設(shè)置為STA模式進行無線通信。

本產(chǎn)品通過添加的無線WiFi模塊，將STM32中的數(shù)據(jù)通過無線通信模塊進行傳輸，ESP8266模塊通過無線WiFi模塊連接到互聯(lián)網(wǎng)，由此可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C等移動端中[4]。

1.2.7重力加速度計

MPU6050芯片內(nèi)部集合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，并可利用自帶的數(shù)字運動處理器硬件加速引擎，通過IIC接口，向應用端輸出姿態(tài)運算后的數(shù)據(jù)。通過DMP，結(jié)合運動處理資料庫，可以方便實現(xiàn)姿態(tài)解算，降低了運動處理運算對操作系統(tǒng)的負荷。

重力加速度計的設(shè)計電路如圖4所示。通過重力加速度計，可以得到當前該輪椅的運動速度與方向，得到相對準確的數(shù)據(jù)，并通過在STM32中進行設(shè)置，就可以確保在不同姿態(tài)時（上下坡，拐彎），將速度設(shè)定為安全數(shù)值，保證老人的出行安全[5]。

1.2.8壓力傳感器模塊

HX711模塊，通過應變片根據(jù)受力變化直接輸出電壓信號，將電壓信號通過AD轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，再通過STM32將數(shù)字信號進行整合運算，最后通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿佣恕?/p>

壓力傳感器模塊的設(shè)計電路如圖5所示。該模塊主要將產(chǎn)品佩戴藥量進行稱重，在低于額定標準時會進行提示，在低于限額時會進行報警，此過程都通過STM32進行實現(xiàn)[6]。

1.2.9心率脈搏檢測模塊

MAX30102是一個集成的脈搏血氧儀和心率檢測儀生物傳感器的模塊。模塊中集成了一個紅光LED和一個紅外光LED、光電檢測器、光器件，以及攜帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路。MAX30102應用于可穿戴設(shè)備進行心率和血樣采集檢測，佩戴于手指、耳垂和手腕等處。同時用標準的I2C兼容的接口將采集到數(shù)值傳輸?shù)絾纹瑱C。

心率脈搏監(jiān)測模塊電路如圖6所示。模塊中，將利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進行測量。通過特定公式將采集數(shù)據(jù)進行運算，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C中進行運算，再將數(shù)據(jù)通過ESP8266傳輸?shù)绞謾C端。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計通過Keil5利用C語言進行編寫，C語言的語言結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，可移植性高，兼容性高，提高了本產(chǎn)品在其他軟件平臺上實現(xiàn)的可能。

系統(tǒng)主函數(shù)的設(shè)計流程如圖7所示。在系統(tǒng)經(jīng)過電源電路按鍵通電后，將進行硬件和時鐘初始化，單片機和操作系統(tǒng)的工作方式和工作狀態(tài)進入準備階段。根據(jù)本產(chǎn)品的特性，檢測端開始同步檢測各項數(shù)據(jù)，控制端等待進行各項控制。

系統(tǒng)上電后，ESP8266、GPS模塊優(yōu)先啟動，作為第一優(yōu)先級，第一時間連接到無線WiFi，通過無線通信模塊，與遠程手機端建立連接。

在檢測端，當老人乘坐穿戴好相應設(shè)備后，心率脈搏檢測模塊、壓力傳感器、重力加速度計同時啟動，將各項檢測數(shù)據(jù)通過無線通信模塊進行傳輸。

在操控端，搖桿模塊通過MCU控制電機，從而達到移動目的。

在手機端，不僅可以實現(xiàn)檢測功能，同時還可以對各項數(shù)據(jù)進行限額，從而實現(xiàn)對老人安全各項保證。

3系統(tǒng)調(diào)試

在測試過程中，GPS定位時，由于STM32單片機計算量過大，會出現(xiàn)定位不準確或無法定位的情況。

在測試過程中，防側(cè)翻功能在一直進行調(diào)試，通過加寬輪圈，與附加導輪等多方面論證可得，當速度大于10km/h時，若重心至于輪椅最高點且偏移中心位置90%，通過20次實現(xiàn)，并未發(fā)生側(cè)翻情況。通過附加導輪后，當速度保持在15km/h，若重心至于輪椅最高點且偏移中心位置80%，則發(fā)生側(cè)翻的概率為5%左右。通過加強減震系統(tǒng)，實現(xiàn)單輪單緩震，并加強緩震強度后，在速度達到15km/h時，當重心為正常重心情況下，不會發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象。

做出的對應Android軟件系統(tǒng)，如圖8所示。由圖8可知，界面中顯示了當前各項信息，并設(shè)置有GPS再定位與緊急救援呼叫按鈕，在出現(xiàn)特殊情況時，可以直接呼叫救護。

4結(jié)束語

本文設(shè)計是在基于STM32單片機，并結(jié)合多個模塊組合而成的產(chǎn)品。用于老人健康的遠程檢測，本產(chǎn)品在原有傳統(tǒng)輪椅的基礎(chǔ)上增加了血壓與心率檢測模塊與藥量檢測，能夠?qū)崟r檢測老人的身體狀況，同時加入了GPS定位系統(tǒng)與重力加速度計，能夠?qū)崟r檢測到老人的位置，防止老人走丟走失。但在實際測試中卻發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品仍存在問題：運算量過大，使STM32單片機超負荷運載，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示異常的現(xiàn)象。若更換運算量更大的單片機則會具有很大的市場潛在價值，且對老人的獨自出行提供了更為安全便捷的方式，使兒女或監(jiān)護人更為放心。

參考文獻

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