“互聯網+ 健康養老”背景下的智能監護系統

沈希龍 鄒亞琪* 劉旺

(南通大學,江蘇 南通 226001)

據老齡辦最新統計顯示,截止2020 年底,我國60 歲以上老年人口超過2.55 億,占總人口的18.1 %,是世界上唯一一個老年人口過兩億的國家。

目前我國老年人大概以每年3%的速度遞增,表現出高速、高齡、高基數的特征。預計到2050 年,我國老齡人口將激增至4億左右,我國將進入重度老齡化社會,老齡化時間周期再次縮短,中國社會老齡化形勢異常嚴峻。

在老齡化的社會背景下,把傳感技術、計算機技術和通信技術有機結合在一起,設計智能老人監護系統,對老年人的生理參數、居住環境以及活動狀態進行智能監控,實時獲取老年人生理信息,對老年疾病的及時救治具有重要意義。

1 系統的功能分析及體系結構設計

1.1 系統功能分析

隨著老年人口的快速增長和老年人壽命的延長,對老年人的生活照料、康復護理、醫療保健、精神文化等需求日益凸顯,養老問題日趨嚴峻。目前,主要養老方式是家庭養老,其需求已經進入急速增長階段,老年人生活照料需求也迅速上升。給老人生命安全帶來最大的威脅包括有兩大方面：一方面是由于突發疾病(如心梗、摔倒)；另一方面是自然災害引起的破壞(如火災、煤氣泄漏或有害氣體中毒等)。

智能老人監護系統以單片機作為主控芯片,由氣體檢測電路、心率體溫監測電路、實時定位系統以及報警提醒電路組成。

具體實現的功能有：(1)如果火焰傳感器檢測到火焰,則向指定手機發送：Fire！(2)如果傾角傳感器監測到老人跌倒了,則向指定手機發送：Fall！(3)如果心率傳感器檢測到老人心率高于120,則向指定手機發送：High Heart！(4)短信處理過程有GSM信號燈指示。

1.2 模塊電路的設計

1.2.1 火焰檢測電路設計

本系統選擇火焰傳感器作為火焰檢測電路的核心模塊,可以監測各種火焰火源。

1.2.1.1 傳感器參數

(1)可以檢測火焰或者波長在760 nm 至1100 nm 范圍內的光源；使用打火機測試火焰距離為80cm,若火焰越大,則測試距離越遠。(2)探測角度為60°左右,對火焰光譜特別靈敏。(3)靈敏度可調,通過調節藍色數字電位器。(4)比較器輸出,信號波形好,驅動能力強,超過15mA。(5)使用可調精密電位器調節靈敏度。(6)工作電壓為3.3V-5V。(7)輸出形式為DO 數字開關量輸出(0 和1)及AO 模擬電壓量輸出。(8)使用寬電壓LM393比較器。

1.2.1.2 接口說明

(1)VCC：外接3.3V-5V。(2)GND：外接GND。(3)DO：數字量輸出接口。(4)AO：模擬量輸出接口。

1.2.2 脈搏心率監測電路設計

脈搏心率傳感器用來檢測心跳速率,是一款集放大電路和噪聲消除電路一體的光學心率傳感器,可佩戴在手指或者耳垂上。使用時需要把手指放在傳感器表盤上,當脈搏跳動時,指尖或者耳垂的動脈血管血容量發生周期性變化,透過指尖的光強度同時發生變化,光電三極管將接收到的紅外光信號轉化為電信號。

接口說明：

(1)+：外接5V。(2)-：外接GND。(3)S：輸出接口(0 和1)。

脈搏心率傳感器模塊接口原理圖如圖1 所示。

1.2.3 老年人狀態監測電路設計

本系統通過ADXL345 傾角傳感器模塊實時檢測老年人的狀態信息。ADXL345 是一款小巧輕薄、超低功耗三軸加速度角度傳感器,13 位數字精度分辨能夠測量超過±16g 的加速度變換。信號輸出為16 位數字輸出,通過SPI 與I2C 接口實現信號采集[1]。ADXL345 適用于移動設備,對于傾斜角度測量能夠進行靜態重力加速度檢測,同時也適用于運動狀態的追蹤,測量運動或沖擊過程造成的瞬時加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)使之能夠感應變化小于1°的傾斜角度。

ADXL345 傾角傳感器內部電路圖如圖2 所示。

U2 為穩壓芯片,將5V 直流電轉化為3.3V 直流電。C1-C4為濾波電容。R2、R3 為上拉電阻,使得信號的輸入更加穩定。D1為電源指示燈,R1 為限流電阻,保護電源指示燈。

圖2 ADXL345 傳感器內部電路圖

1.2.4 GSM實時定位系統設計

GSM模塊將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、功放器件存儲器等集成在一塊電路板,擁有獨立的操作系統,具有GSM 射頻處理、基帶處理功能,并能提供標準接口的模塊。GSM模塊具有基于GSM網絡進行通信的基本功能：例如發送語音通話、SMS短信、GPRS 數據傳輸等。

SIM800A 是SIMCOM 公司推出的一款高性能工業級GSM/GPRS 模塊,該模塊具有很高的性價比。SIM800A 外型小巧、低功率、性能穩定,能滿足各種緊湊型產品的需求。SIM800A工作頻率為GSM/GPRS 900/1800MHz,實現語音、SMS 和數據信息的傳輸[2]。

接口說明：

(1)5V 接5V。(2)GND 接GND。(3)R 串口接收端,與模塊通信用的。(4)T 串口發送端,與模塊通信用的。

2 系統軟件設計

圖3 系統軟件總流程圖

2.1 所用語言及編譯軟件簡介

單片機軟件編寫有多種選擇如C 語言、C++、匯編語言等,由于C 語言可讀性好,代碼便于維護,便于開發,故選擇用C 語言來編寫單片機的程序。隨著IC 生產的成熟,MCU 的存儲資源越發豐富,資源利用率和執行效率越來越高效,實現的功能也越來越強大[3],這些因素都豐富了C 在單片機編程中的應用。

編譯軟件選擇使用Keil C51 軟件,它提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具,全Windows 界面。Keil C51 工具包主要包括uVision 與Ishell,分別是C51 for Windows 和for Dos 的集成開發環境(IDE)[4],可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發流程。

2.2 系統軟件設計

本系統設計主要采用Keil uVision 軟件編寫與調試程序,程序語言采取易讀性和移植性更高的C 語言編寫[5]。系統運行流程圖如圖3 所示。

2.3 實物測試

經過測試,系統測試正常,實現了相應功能,如圖4 所示。

圖4 智能監護系統實物圖

3 結論

智能監護系統由硬件電路和軟件設計組成,其中硬件系統主要包括STC89C52 單片機、火焰檢測傳感器、心率采集傳感器、老人活動狀態采集傳感器和短信報警模塊。通過心率傳感器實際采集老人的心率值,若超過報警閾值,則GSM 會立刻發送短信到指定手機上；若老人在活動過程中,發生跌倒現象,這時ADXL345 傾角傳感器會檢測到老人報警信息,經過單片機內部處理與判斷,若老人真實跌倒,則GSM也會發送相應的報警短信；同理火焰傳感器同樣檢測信號,如發現異常,進行發送報警信息。此種控制系統軟件采用模塊化思想,通過各個模塊單獨編寫,再通過主程序相互調用,這樣可以極大減輕系統設計難度。