基于云平臺的多功能老年人智能輔助行走設備

李嘉斌 李 盛 邢世波 劉 建 陳明哲

(西京學院,陜西 西安710000)

1 總體方案設計

基于云平臺的多功能老年人智能輔助行走設備具有實時監測心率體溫的功能，還具有體溫心率異常和摔倒報警實時功能，采用云平臺進行數據傳輸，能夠將定位和心率體溫數據實時上傳至云端，所研發的手機移動端APP具有實時查看老人健康體征及定位信息的功能。此設備能夠對傳統老年人輔助行走設備進行功能的有效擴展，應用模塊化思想進行電路設計，模塊之間相互獨立，當某個模塊發生故障時對其他模塊不受影響，提高產品實用性，易于排查故障，維修成本減少等諸多優點。

2 機械結構設計

設備支架全都使用圓柱形鋼材，沒有棱角有效避免老人磕碰，把手兩側分別裝有體溫心率傳感器和加速度傳感器，在支架正面橫欄有大部分位置安裝主控電路，包括報警模塊、微處理器模塊、WiFi模塊等。（圖1）

圖1

3 系統硬件電路設計

設備通過檢測老人的健康體征和定位信息上傳至云端儲存，同時對體溫異常和摔倒信號實現實時報警并通過WiFi發送到手機終端的裝置，設備采用鋰電池供電，家屬可在手機終端發送命令實時顯示定位信息和體溫心率數值。如果體溫、心率以及加速度傳感器數值超出范圍則觸發報警，并且實時將相關的定位信息和體溫心率信息傳至客戶端。此設備所有的模塊相互獨立，由處理器進行相應控制。（圖2）

圖2

3.1 處理器模塊的設計。單片機作為最常用的處理器模塊有成本低、開發難度小和移植性強等優點。本設備則選擇最常用的STM32單片機作為主控芯片，具體型號為STM32F103RCT6。這款芯片是中等容量增強型芯片，32位基于ARM核心的帶64或128K字節閃存的微控制器，具有USB、CAN、7個定時器、2個ADC、9個通信接口。芯片的工作頻率為72MHz，具有豐富的I/O口和連接到兩條APB總線外設。芯片的供電電壓為2.0 V至3.6 V，包含-40℃至+85℃溫度范圍，具有省電模式滿足低功耗的需求。

3.2 體溫心率檢測模塊。體溫模塊采用SHT31數字溫濕度傳感器，結合了多種功能和各種接口（I2C、模擬電壓輸出），應用友好，工作電壓范圍寬（2.15 至5.5 V），適合各類應用。SHT3x是根據IP67的PTFE膜，可防止傳感器開孔接觸水和灰塵。因此允許傳感器在惡劣環境條件下使用，如淋水和密切接觸灰塵可能對傳感器的精準性具有挑戰性的地方。PTFE膜通過雙面膠帶連接傳感器封裝，其目的是在傳感器的生命周期中一直留在封裝上。整個封裝能夠承受多個回流焊周期，且受多項專利獨有保護。

心率模塊選用GY-MAX30102血氧濃度心率脈搏傳感器模塊，芯片能夠測量人的心率和血氧濃度，能夠使用STM 32作為主控芯片進行數據傳輸和應用，有很良好的兼容性。目前除了心率脈搏是個重要的健康指標，隨著社會科技的發展，血氧濃度也能夠很方便的檢測出來，也可以作為老人最重要的健康指標。芯片供電電壓為5V，主要的指令方式為AT指令，能夠通過STM 32芯片進行編程，測量的心率范圍為20～200次/分鐘，血氧濃度的測量范圍為50%～100%，輸出方式為可以通過USB轉TTL連接電腦由串口助手直接輸出或者是報警電平輸出，本設備兼具二者的功能，既可以串口輸出，又提供報警功能。

3.3 GPS定位模塊。GPS定位模塊采用正點原子GPS北斗雙定位模塊ATK1218-BD，帶有源天線，定位精度為2.5 CEP，冷卻啟動時間為30秒左右，更新頻率能夠達到20Hz，采用GPS+北斗雙模導航，能夠更加精準，通信波特率能夠達到230400。

該模塊自帶后備電池，可保存星歷數據，掉電后半小時內重新上電，可在幾秒內定位，通過排針進行串口通信，且數據可保存，實用非常方便，而且有全套驅動代碼，使用更加方便，開發難度低。

3.4 報警模塊。報警模塊選用普通的無源蜂鳴器，其結構原理簡單、成本便宜、操作簡單，而且發出的聲音特別適合報警。普通大部分無源蜂鳴器的規格如下：（1）板載無源蜂鳴器；（2）板載8550三極管驅動；（3）低電平有效，可以直接和單片機IO控制；（4）工作電壓：5V；（5）板子尺寸：22(mm)x12(mm)。

3.5 加速度傳感器模塊。加速度傳感器模塊采用MPU-6050模塊，MPU-6050的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec(dps)，可準確追蹤快速與慢速動作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g±8g與±16g。MPU-6050可在不同電壓下工作，VDD供電電壓介為2.5 V±5%、3.0 V±5%或3.3 V±5%，邏輯接口VDDIO供電為1.8 V±5%。MPU-6050的包裝尺寸4x4x0.9 mm(QFN)，在業界是革命性的尺寸。其他的特征包含內建的溫度感測器、包含在運作環境中僅有±1%變動的振蕩器。VLOGIC是IO口電壓，該引腳最低可以到1.8 V，我們一般直接接VDD即可。

3.6 WiFi模塊。WIFI模塊采用ESP-01SP8266串口轉WIFI模塊，是高性能無線SOC，在較小尺寸封裝中集成了業界領先的Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，帶有16位精簡模式，主頻支持80 MHz和160 MHz，支持RTOS，集成Wi-Fi MAC/BB/RF/PA/LNA，板載天線。支持標準的IEEE802.11 b/g/n協議，完整的TCP/IP協議棧。

4 軟件電路設計

軟件設計分為硬件程序和軟件程序，硬件程序主要是通過C語言編寫，完成各個模塊之間的協調和數據傳輸，把體溫心率血糖等數據傳輸到主控芯片，然后主控芯片再將數據傳輸到服務器；軟件程序主要是通過BLYNK軟件制作相應的APP界面，登錄服務器將WIFI發送過來的數據進行讀取，顯示到手機終端，能夠實時查看相應的信息。

4.1 硬件程序設計。硬件程序主要是應用于設備本身的單片機中，主要完成將設備上的傳感器信號進行采集，并將采集到的信號通過WiFi發送到服務器中等待手機端進行查詢。設備系統的流程框圖如圖3所示。

圖3

4.2 手機軟件平臺設計。Blynk是一項物聯網（IoT）服務，旨在使遠程控制和從您的設備中讀取傳感器數據的速度盡可能快和容易。首先手機下載BLYNK APP，安裝好App后，打開App后點擊Create New Account（注冊新用戶），然后在注冊頁面填寫自己的郵箱和密碼即可完成注冊。首次登錄后可以看到App內暫時還沒有任何項目，點擊Create New Project（創建新項目）。在創建項目頁面填寫項目基本信息，其中的CHOOSE DEVICE（選擇設備）要選擇WeMos D1，下面的CONNECTION TYPE（連接類型）選擇Wi-Fi并保存。保存之后，App會提示授權碼已經生成并發送到了你的郵箱。

利用Blynk案例生成器產生一段簡單的范例程序。將程序中的ssid修改成你當前位置的Wi-Fi名稱，將pass修改成該Wi-Fi的密碼，注意此處的引號一定要保留，點擊上傳按鈕就可以將程序上傳到WeMos D1開發板中。制作樣例如圖4所示。

圖4

手機終端顯示有體溫、心率、血氧飽和度、經緯度和地圖。能夠很清楚的顯示設備和老人的具體信息，中間還有報警信息界面，能夠顯示當前的設備信息。

5 結論

國內目前的老人輔助設備只具有單一輔助行走的功能，還不具有實時對老人健康狀況進行檢測并作相應處理的功能。本項目針對此方面缺口，能夠培養對普通的老人輔助行走設備增加實時心率體溫監測和定位，同時可以將數據實時上傳至云端，對健康體征異常和摔倒等突發情況進行實時報警的創新能力。本設備能夠基本完成對老年人的體溫心率以及血氧濃度的檢測，并且能夠實時上傳服務器，通過手機終端進行實時查詢，每時每刻掌握老年人的健康狀況。本設備應用范圍廣，不僅適合中老年人，還適合由于受傷或者腿腳不方便的各類人群。