基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的老人監(jiān)護智能系統(tǒng)的研究與設(shè)計

摘 要：文章設(shè)計是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為孤寡老人專門設(shè)計的監(jiān)護系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用功能強大、高靈活性的多協(xié)議SoC的NRF51822作為處理單元，結(jié)合外圍設(shè)備（包括陀螺儀、加速度計、溫度、心率傳感器等），對傳感器數(shù)據(jù)進行分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)對老人的體溫、心率、運動量等監(jiān)測，如遇緊急情況還能自動呼救。本系統(tǒng)具有方便、易用，為孤寡老師提供了便攜式移動監(jiān)護站。

關(guān)鍵詞：NRF51822；BLE；心率

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備逐漸步入醫(yī)療領(lǐng)域，為人們的身心健康提供極大的保證，作為新世紀的大學生，應(yīng)該站在時代發(fā)展的前沿，掌握最先進的現(xiàn)代科學技術(shù)知識，以適應(yīng)和造福社會。而中國人口老年化，獨居老人增多，無人看護，養(yǎng)老院看護人員過少，近幾年經(jīng)常出現(xiàn)老人摔倒或因疾病無人及時發(fā)現(xiàn)導致死亡的案例。所以設(shè)計了這款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能老人看護系統(tǒng)，避免因無人及時發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的悲劇。MPU6050是6軸運動處理傳感器，它集成了3軸陀螺儀、3軸加速度傳感器和一個數(shù)位運動處理器，通過I2C總線串行輸出三軸方向上的加速度和角速度。NRF51822是NORDIC公司設(shè)計生產(chǎn)的一款多協(xié)議的超低功耗的無線芯片，當下移動終端快速發(fā)展，NRF51822在無線通信領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

圖1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示：主控NRF51822負責采集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)以及用戶交互功能。手機端APP采用低功耗藍牙和NRF51822通信，負責發(fā)送短信和緊急撥號功能。OLED負責顯示時間、來電提醒、短信提醒功能，與振動電機相結(jié)合能及時提醒老齡用戶。心率傳感器和溫度傳感器都通過非接觸式采集數(shù)據(jù)，給用戶舒適體驗。陀螺儀和加速度傳感器負責實時監(jiān)測用戶的行動狀態(tài)，如遇突然狀況（摔倒）能自動及時通知監(jiān)護中心或者家屬避免發(fā)生意外。

2 部分模塊設(shè)計

2.1 NRF51822與MPU6050接口

NRF51822作為系統(tǒng)的控制核心可直接控制MPU6050的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集，并將MPU6050采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過解算處理然后通過BLE發(fā)送到手機端，NRF51822與MPU6050通過I2C總線接口進行通信，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對MPU-6050模塊的角度數(shù)據(jù)處理，算法很多，比如最常見的積分處理，卡爾曼濾波處理，自帶DMP處理等，本設(shè)計充分利用NRF51822的定時器，采用積分處理。我們知道在誤差要求允許范圍內(nèi)，對不連續(xù)的數(shù)據(jù)進行求和有時候可以替代積分，本設(shè)計就是依據(jù)這個思想來實現(xiàn)的。

2.2 NRF51822與心率傳感器接口

圖3 心率檢測設(shè)計方案

心率采集方案如圖3所示：SON1303采用了570nm發(fā)光波長的綠光，與紅外光相比反射率更高，測量感度更高，同時提高了S/N比特性，采用的反射式光電傳感器使測量方式更加自由，應(yīng)用范圍遍及可佩戴式電子產(chǎn)品以及新式測試方法的脈搏測量儀器，內(nèi)部集成高科技納米涂層環(huán)境光檢測傳感器，過濾不需要的光源，減少由其他光源干擾的誤判動作，準確度高，經(jīng)過四運放SON3130，處理得到方波，MCU僅僅需要讀取高低電平就能采集出心跳速率。且此方案不需要和人體直接接觸，即可采集出信號，擁有絕佳的用戶體驗。

3 軟件設(shè)計

3.1 NRF51822藍牙協(xié)議分層

首先是應(yīng)用層，從藍牙特別興趣小組SIG的官方網(wǎng)站可以看到已經(jīng)發(fā)布的GATT規(guī)范列表，包括今警告通知、血壓測量、心率、電池等，如圖4等，他們都是針對具體的低功耗藍牙的應(yīng)用實例來設(shè)計的。

控制層包括三部分：

主機控制器（HCI），也稱為設(shè)備管理器，是基帶中的一個功能模塊，控制一般的藍牙設(shè)備行為。它負責所有與數(shù)據(jù)無關(guān)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)操作，例如詢問附近藍牙設(shè)備是否存在，連接藍牙設(shè)備，或者讓本地的藍牙設(shè)備可以被其他設(shè)備發(fā)現(xiàn)或者連接。為了執(zhí)行相應(yīng)的功能，設(shè)備管理器要求提供基帶的資源控制器訪問傳輸媒介。

鏈路層（LL），主要負責鏈路管理、鏈路控制，包括負責創(chuàng)建、維護和釋放邏輯鏈路已經(jīng)跟新設(shè)備之間物理鏈路的相關(guān)參數(shù)。

物理層，負責從物理信道傳輸和接收信息數(shù)據(jù)包，在基帶和物理層之間一條控制路允許基帶模塊控制物理層的時隙和頻率載波。同時，物理層模塊向物理層信道和基帶發(fā)送和接收符合格式要求的數(shù)據(jù)流。

3.2 軟件MCU程序設(shè)計

如圖5：本設(shè)備開機后程序自動運行，首先連接手機，然后自動采集數(shù)據(jù)，算出心率值，體溫值，用戶的運動量和自身的運動姿態(tài)，判斷是否摔倒和體溫心率是否超過設(shè)定值，摔倒或者超過設(shè)定值立刻通知手機發(fā)送短信給監(jiān)護人或者監(jiān)護中心。來短信，本設(shè)備電機震動提醒用戶，防止用戶年紀大耳朵不好聽不見，同時OLED還會顯示時間和一天的運動量，到了晚上會提醒用戶多鍛煉，防止肌肉萎縮。本設(shè)備還有求救報警功能，老人只需輕輕一點按鍵，就能發(fā)送短信（也可設(shè)置為電話撥號功能）到監(jiān)護人或者監(jiān)護中心。

4 結(jié)束語

文章設(shè)計研究的可穿戴式老人監(jiān)護系統(tǒng)，檢測出的心率值準確率高達99%，體溫值準確到0.1攝氏度，且都是非接觸式，給用戶極佳的體驗。運動過程中也不影響其準確度，姿態(tài)檢測也非常準確，測試期間，摔倒檢測概率非常高。結(jié)果表明，該設(shè)備對于獨居老人的監(jiān)護效果明顯，能大大減少獨居老人的事故率。

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