智能老人健康監測與定位系統設計研究

摘要：圍繞老年人難以周全的照顧自身、出現健康問題后對救助的需求更為急切等現實情況，提出了一種智能老人健康監測與定位系統的開發設計方案。基于此，說明了本系統總體框架以及在生理參數測量、定位、行為識別等方面的設計框架，在此基礎上，從硬件與軟件入手，針對溫度監測單元、心率監測單元、定位單元、無線通信單元、顯示單元的設計方案與要點進行了闡述，實現對老年人生理健康的智能化、實時性監測與精準定位。

關鍵詞：老年人""健康智能監測""精準定位""智能系統

Research"on"the"Design"of"Intelligent"Elderly"Health"Monitoring"and"Positioning"System

WANG"Liping""GUO"Hui""SHEN"Zhe""ZHANG"Xiaoying

Shanxi"Jinzhong"Institute"of"Technology，"Jinzhong，"Shanxi"Province，"030600"China

Abstract："Focusing"on"the"reality"that"the"elderly"find"it"difficult"to"take"care"of"themselves"comprehensively"and"have"more"urgent"the"need"for"assistance"after"experiencing"health"problems，"a"development"and"design"scheme"of"intelligent"elderly"health"monitoring"and"positioning"system"for"the"elderly"is"proposed."Based"on"this，"the"overall"framework"of"the"system"and"the"design"framework"of"physiological"parameter"measurement，"positioning"and"behavior"recognition"are"explained."Starting"from"hardware"and"software，"the"design"scheme"and"key"points"of"temperaturenbsp;monitoring"unit，"heart"rate"monitoring"unit，"positioning"unit，"wireless"communication"unit"and"display"unit"are"expounded，"so"as"to"realize"intelligent，"real-time"monitoring"and"accurate"positioning"of"the"physiological"health"of"the"elderly.

Key"Words："The"elderly;"Health"intelligent"monitoring;"Accurate"positioning;"Intelligent"system

老年人普遍存在行動不便、難以周全的自我照顧的特點，并且在出現健康問題后，對于救助的需求更為急切。基于此，應圍繞老年群體的特點與現實需求，開發設計一款健康監測與定位系統，實現對老年群體生活安全性、健康監測實時性的有效保障。

1系統總體設計思路

1.1系統總體框架

圍繞老人健康檢測與定位展開智能系統的開發設計，主要將控制中心設定為STM32F103，結合對物聯網技術的應用完成。可以將整個系統劃分為多個功能模塊，包括中央處理模塊、電源模塊、顯示模塊、無線通信模塊、定位模塊與傳感器模塊。

1.2無線生理參數測量框架

主要選用ZigBee網絡進行無線生理參數測量，主要是因為ZigBee網絡的可靠性理想，成本低且實際運行期間所消耗的功率較小，應用優勢明顯。在ZigBee網絡內，包含協調器、路由器與智能手環終端。其中，協調器實際承擔著向服務器端發送由手環終端所采集的各種健康數據信息的任務，由服務器完成對相應數據的分析與存儲；路由器實際承擔著協助智能手環終端完成組網，以及數據轉發任務的職能，可以促使網絡接收范圍、獲取的信號質量水平有所提高；智能手環終端實際承擔著采集多種人體生理參數的任務，基于溫度、心率等傳感器的使用，獲取生理參數，并向路由器、協調器傳輸。

1.3室內無線定位框架

主要選用ZigBee網絡協議本身的接收信號強度（Received"Signal"Strength，RSS），實現對智能手環終端的定位處理，搭配應用多通道落實對RSS的測量，其原因為不同頻段信號實際所具有的衰落特性有所差異，若使用單一頻段的測量，會提升RSS不穩定水平，而多通道RSS測量就能夠規避這一問題。使用指紋法完成RSS定位，其抗干擾能力較強，在室內范圍內理論上可以達到2～3"m的定位精度，應用優勢明顯。

1.4多源信息融合行為識別框架

為識別人的行為，需要獲取人體姿態數據。但是，人體姿態數據無法直接獲取，需要進一步在圖像信息內落實對人體關鍵點信息的獲取。為實現這一目標，在本系統內引入了卷積神經網絡，姿態檢測精確率較高。同時，為進一步提升人體行為識別的準確率，還需要搭配使用人體生理參數信息、位置信息，因為不同的信息源實際所反映出的人體行為方面有所不同，多方面之間可以進行信息互補，以此達到提高識別準確率的效果。

2系統硬件部分的設計

2.1溫度監測單元的設計

選定DS18B20數字傳感器為本系統溫度監測單元的核心器件，能夠將獲取的溫度信息直接轉換為數字信號傳遞，并以字符串的形式，將溫度數據保存在芯片內部的寄存器中。搭配使用一根數據線，促使DS18B20數字傳感器與微控制單元（Microcontroller"Unit，MCU）之間實現雙向通信[1]。在完成對溫度監測單元的初始化處理后，MCU可以依托指令落實對DS18B20數字傳感器啟閉狀態、數據傳輸等操作的控制[2]。

2.2心率監測單元的設計

選定MAX30100心率監測傳感器為本系統心率監測單元的核心器件，主要用于對人體血樣與心率信號的測量、處理。在MAX30100心率監測傳感器內，集成了ADC數據傳感器，搭配FIFO寄存器可以實現目標數據的采集，并在數據擬合公式的支持下實現對人體心率數據的計算。結合IIC（集成電路總線，是一種多向控制總線）的設置與應用，MAX30100心率監測傳感器可以與MCU之間實現有機連接，基于對USART（通用同步/異步串行接收/發送器）通信的引入，完成數據交換操作。2.3定位單元的設計

選定ATGM336芯片為本系統定位單元的核心，用于對人體定位信息的有效采集。在ATGM336內，完成了IPEX以及SMA這兩種天線接口的搭配設置，促使與單片機之間的串口通信成為現實。與之相對應的是，在ATGM336內也落實了對兩個TTL電平的UART接口的設置，在串口TXD引腳的支持下，實現與STM32（嵌入式單片機）之間的順利通信，以此迅速向單片機內發送定位數據信息。

2.4無線通信單元的設計

選定EPS8266為本系統無線通信模塊的核心。對于EPS8266網絡通信模塊而言，其內部集成了AT控制指令、TCP/IP網絡通信協議，功能性較強。在該模塊內落實對通用GPIO口（通用輸入/輸出口，是一種端口擴展器）的設置，處理能力理想且可以實現對大量數據信息的存儲。在AT指令的支持下，EPS8266能夠作為獨立的主機運行，也可以搭配微處理器的應用，基于AT指令的設置作為從機參與系統運行。EPS8266的無線通信模塊主要結合對串口的使用實現數據通信，接線的簡潔程度更為明顯，使用便捷性強。

2.5顯示單元的設計

圍繞顯示功能的實現，主要在本系統內投放、設置了有機發光二極管OLED模塊，搭配使用SSD1306（單片CMOS"OLED/PLED驅動器）實現內部驅動。這樣的設置可以提供IIC通信功能，實現與單片機IO口之間的有效連接。

3系統軟件部分的設計

3.1系統主程序的設計

基于對軟件模塊化處理的方法完成對本系統的開發設計，基于對多個子程序的調動，促使主程序實現預設的各項系統功能。在結束對各個子模塊的初始化處理以后，立即搭建起與MCU之間的通信；針對不同功能模塊進行功能實現程序的編寫，結合對主函數的使用實現調用，滿足各項功能的實際要求[3]。本系統軟件部分主程序的主要流程設定如下：顯示模塊的初始化處理；體溫傳感器的初始化處理；心率傳感器的初始化處理；GPS模塊的初始化處理；無線通信模塊的初始化處理；控制器將傳感器功能轉入開啟狀態，并進行對相關數據的獲取；顯示數據，無線通信模塊與上位機連接后，同時完成相應數據的上傳。

3.2溫度監測單元的軟件部分設計

選用DS18B20傳感器作為溫度監測微芯片，在相應傳感器內部可以自動完成信號處理，直接輸出、顯示數字量，并在存儲器內保存；結合指令，STM32（嵌入式單片機）可以落實對溫度檢測與數據傳輸的控制。本系統軟件部分溫度監測單元的主要流程設定如下：溫度監測單元的初始化處理；判斷STM32是否檢測到了DS18B20傳感器（體溫監測傳感器），如果判斷結果為否，則自動在顯示單元顯現出“DS18B20"Error”；如果判斷結果為是，則由STM32自動向DS18B20寫入溫度測量指令；由DS18B20完成對溫度數據的測量與獲取；STM32自動向DS18B20寫入讀數據的指令；由DS18B20向STM32傳遞獲取到的數據；處理溫度處理；顯示溫度。

3.3心率監測單元的軟件部分設計

在該單元模塊內投放MAX30100心率監測傳感器，搭配使用STM32與IIC通信模式，完成數據通信。本系統軟件部分心率監測單元的主要流程設定如下：心率監測單元的初始化處理；判斷STM32是否檢測到了MAX30100傳感器（心率監測傳感器），如果判斷結果為否，則自動在顯示單元顯現出“MAX30100"Error”；如果判斷結果為是，則由STM32自動向MAX30100寫入心率測量指令；由MAX30100完成對SPO2數據的測量與獲取；STM32自動向MAX30100寫入讀FIFP寄存數據的指令；由MAX30100向STM32傳遞獲取到的數據；STM32處理相關心率處理；顯示心率。

3.4定位單元的軟件部分設計

設定本單元模塊內的定位核心器件為ATGM336定位模塊，可以利用北斗衛星系統、GPS系統完成實時定位。本系統軟件部分定位單元的主要流程設定如下：定位單元的初始化處理；由MCU獲取定位信息、由GPS獲取衛星導航數據；在無線通信模塊的支持下，落實數據上傳；處理位置信息數據，上傳網絡；利用定位信息，有上位機實現定位。

3.5無線通信單元的軟件部分設計

設定無線通信單元的核心芯片為EPS8266，基于簡單的AT指令，能夠完成對該模塊內STA模式或者是AP模式的設置[4]。同時，也可以搭配串口、USB-TTL的應用，促使計算機與EPS8266之間實現有效連通，讓EPS8266模塊可以順利與監測終端進行通信。圍繞該單元模塊工作模式的設定，主要選用了由單片機向EPS8266內輸入指令的方法，設定Sta模式為EPS8266的主要工作模式。

3.6顯示單元的軟件部分設計

對溫度與心率數據進行顯示，是顯示單元的主要功能。在該模塊的實際運行期間，主要流程設定如下：顯示單元的初始化處理；由MCU將顯示模塊的工作方式設定為寫模式；延遲結束后，由MCU自動向顯示模塊發送位置指令、數據信息；顯示數據信息。該單元內主要引入了規格為0.96寸的OLED（機電激發光顯示器件），支持任意位置、任意大小的漢字、數字、字母與符號、圖像的顯示，應用優勢明顯。其中，為顯示溫度數據，需要在顯示單元內調用漢字函數；為顯示心率數據，需要在顯示單元內調用字符串函數。

4結語

綜上所述，將核心微處理器設定為STM32單片機，搭配溫度傳感器、心率傳感器、OLED顯示設備、定位設備等硬件設備的綜合應用，實現了智能老人健康監測與定位網絡系統的構建。該系統可以直觀顯現老年人生理數據，同時完成對相應數據的實時上傳、分析、保存，達到對老年人身體健康的智能化監測的效果。

參考文獻

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[2]劉永飛.基于STM32的老年人健康監測與跌倒定位報警系統設計[J].儀表技術，2024（3）：29-32，54.

[3]李志榕，李鴻佳，陳司宇，等.基于Kano模型的孤寡老人智能家居健康需求研究[J].包裝工程，2023，44（16）：145-153.

[4]薛艷敏，周筱怡，周毅暉，等.物聯網視角下老年人慢性病監測服務系統設計[J].設計，2022，35（5）：77-79.

[5]程萬里.基于行走運動的穿戴式健康監測系統[D].大連理工大學，2020.