基于ESP32模塊和矩陣式壓力電阻的老年人步態行為分析系統設計

摘要：隨著老齡化社會的到來，老年人安全保障變得愈發重要。文章設計了一種基于ESP32模塊和矩陣式壓力電阻的老年人步態行為分析系統，利用ESP32模塊進行數據采集和傳輸，通過分析由矩陣式壓力電阻采集的老年人步態信息，可實時監測老年人的步態行為，及時發現異常并進行報警，從而為老年人提供安全保障。

關鍵詞：步態行為；老年人；矩陣式壓力電阻；ESP32模塊

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.05.033

中圖分類號：TP 311.13" " " " " " " "文獻標示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）05-0-03

Abstract： With the advent of an aging society， the security of the elderly has become increasingly important. This paper designs an elderly gait behavior analysis system based on ESP32 module and matrix pressure resistance. The ESP32 module is used for data collection and transmission. By analyzing the gait information of the elderly collected by the matrix pressure resistor， the gait behavior of the elderly can be monitored in real time， and abnormalities can be found in time and alarms can be sent， so as to provide security for the elderly.

Key words： gait behavior; aged; matrix pressure resistance; ESP32 module

近年來，隨著人口老齡化的日益加劇，人們對于智慧養老的需求與日俱增。老年人由于身體機能的衰退容易受到傷害，居家養老存在很安全隱患[1， 2]，因而保障老年人的生活安全就顯得尤為重要，也是智慧養老亟待解決的問題。

步態行為分析系統是智慧養老的一個重要組成部分[3]，可以實時監測老年人的行為，及時發現異常信息，從而采取有效的應急措施，保障老年人的生活安全[4]。步態行為分析系統可以為智慧養老提供數據支持，從而幫助更好地監測老人身體狀況，這是實現智慧養老必不可少的一環。

1" 系統架構

步態行為分析系統主要由步態采集終端、ESP32數據采集傳輸模塊、阿里云物聯網服務器以及實時監測終端構成，如圖1所示。其中，步態采集終端是采用18點矩陣式壓力電阻所構成的鞋底框架，以檢測人的步態數據；ESP32模塊讀取和分析步態數據，搭建連接框架，將數據傳輸至阿里云物聯網Adoker服務器；阿里云物聯網服務器將其轉發至Web服務器，該服務器存儲數據并進一步分析，同時Web服務器可及時發現步態行為異常并進行報警；監測終端實時記錄、分析、比較和反饋老年人的行為健康指標，同時顯示于客戶端，以保障老年人的安全。

2" 系統具體設計

2.1 步態采集終端設計

拖鞋是居家生活使用頻率較高的物品，也是對老年人進行步態行為分析的媒介。步態采集模塊RX-ES42-18采用矩陣式柔性薄膜足底壓力傳感器，鞋底框架如圖2所示，分布著18個感應單元，均為獨立設計，互不干擾。

步態采集終端由矩陣式薄膜壓力電阻、信號放大器電路、微機控制系統、輔助電路組成。當老年人穿上智能拖鞋后，人體體重壓力改變電阻值，通過分壓電路可得電壓值，再經過A/D轉換成數字信號，最后將同一時刻點的值組合成一幀數據包，傳送給ESP32的UART0接口。單幀數據包的結構如下所示：

AA 01 00 4E 00 11 01 06 00 00 01 6A 00 30 01 3F 00 0E 00 00 02 BD 00 00 00 B2 00 37 00 AF 01 E2 00 08 00 15 10 23 84

點1：0*256+78=78；" " " " "點2：0*256+17=17；

點3：1*256+6=262；" " " " 點4：0*256+0=0；

點5：1*256+106=362；" " "點6：0*256+48=48;

點7：1*256+63-319；" " " " 點8：0*256+14=14；

點9：0*256+0=0；" " " " " " 點10：2*256+189=701；

點11：0*256+0=0；" " " " " 點12：0*256+178=178;

點13：0*256+37=37；" " " 點14：0*256+175=175

點15：1*256+226=482；" " 點16：0*256+8=8；

點17：0*256+21=21；" " " " 點18：16*256+35=4131；

校驗位：AA+01+00+4E+00+11+01+06+00+00+01+6A+00+30+01+3F+00+0E+00+00+02+BD+00+00+00+B2+00+37+00+AF+01+E2+00+08+00+15+10+23=584

取低八位 84。

2.2 ESP32模塊軟件編程

ESP模塊軟件編程流程：①使用Arduino IDE軟件編寫，下載MQTT和JSON庫函數；②配置好Arduino，與Wi-Fi網絡建立連接；③編寫程序，使用MQTT協議接入步態采集終端；④使用JSON格式處理數據并傳遞至服務器（使用定義的JSON格式編碼數據并進行數據封裝）；⑤測試程序，確保正確分析處理數據，并按要求傳輸。

2.3 步態行為判斷

通過分析收集到的步態周期RLA和足底壓力點位數據，根據如下算法判斷老年人步態行為，得出老年人行走、站立和摔倒等運動狀態的結論。

設是左腳智能拖鞋的傳感器矩陣中第i行第j列壓力點的壓力，是右腳智能拖鞋的傳感器矩陣中第i行第j列壓力點的壓力，左右腳壓力差計算如下：

⊙ 當，兩腳壓力差額保持在正常范圍內，即步態周期RLA和足底壓力點位分布相對較均勻，而且動態變化也較慢，則可以判斷老年人處于“站立”狀態。

⊙ 當，兩腳壓力差額超出正常范圍但在可控范圍內，即步態周期RLA和足底壓力點位分布較不均勻，且動態變化較快，則可以判斷老年人處于“行走”活動狀態。

⊙ 當，兩腳壓力差額超出可控范圍，即步態周期RLA和足底壓力點位分布發生驟變，且動態變化很快，則可以判斷老年人處于“摔倒”狀態。

ESP32模塊完成步態行為判斷后，數據將通過Wi-Fi發布到阿里云物聯網服務器，然后將訂閱信息傳輸到App端，供用戶查看與分析。當接收到監測對象摔倒的報告時，App端將立刻提供相關的安全提示，或通過短信發送至監護人手機，并根據摔倒的程度提供緊急的救護號碼。

2.4 Web管理端界面設計

Web可視化頁面展示老年人活動時雙腳壓力情況、歷史數據、報警信息和下發參數設置功能，通過不同顏色的標記（如紅色表示摔倒，藍色表示步行，綠色表示站立）標識不同壓力差值，提醒護理人員采取相應措施。歷史信息顯示老年人足底壓力數據變化趨勢、平均值等，根據實際情況和歷史數據分析動態調整判斷閾值。

3" 結束語

本文基于ESP32模塊，采用矩陣式壓力電阻，設計了一個以步態判斷為主的老年人步態行為分析系統，可對老年人步態行為進行實時監測分析，并在步態行為出現異常時及時報警。本系統具有高度可靠性和可擴展性，有助于提高智慧養老的服務水平和效率。

參考文獻

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