一種老年人智能手環(huán)設(shè)計(jì)

陳華珍，夏國(guó)清，宗建華

（廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院電子系，廣州510990）

一種老年人智能手環(huán)設(shè)計(jì)

陳華珍，夏國(guó)清，宗建華

（廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院電子系，廣州510990）

為解決養(yǎng)老護(hù)老問(wèn)題，幫助老人長(zhǎng)壽獨(dú)居，設(shè)計(jì)一款適合老年人使用的具有跌倒檢測(cè)功能的智能手環(huán)。在介紹智能手環(huán)的組成、系統(tǒng)架構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出基于心率檢測(cè)的跌倒檢測(cè)方案，并將該方案運(yùn)用于手環(huán)上。實(shí)驗(yàn)證明，該方案能夠提高跌倒檢測(cè)的正確率，減少誤判的發(fā)生，對(duì)其他智能醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用和推廣有一定的借鑒作用。

0 引言

隨著老齡化社會(huì)的到來(lái)，其養(yǎng)老與護(hù)老問(wèn)題迫切需要社會(huì)的關(guān)注與解決。很多老年人獨(dú)居在家，缺乏必要的日常監(jiān)護(hù)，容易受傷甚至死亡，而跌倒已成為造成老年人傷害的“罪魁禍?zhǔn)住薄Ｊ澜缧l(wèi)生組織發(fā)布報(bào)告指出，全球每年有30余萬(wàn)人死于跌倒，其中60歲以上老人占了一半。而跌倒所導(dǎo)致死亡的主要原因是老年人在跌倒后沒(méi)有及時(shí)得到救治，而耽誤了最佳的搶救時(shí)間。因此，及時(shí)監(jiān)測(cè)老年人的日?；顒?dòng)并對(duì)老年人跌倒進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，已成為亟需解決的問(wèn)題。

為了解決養(yǎng)老護(hù)老問(wèn)題，幫助老人長(zhǎng)壽，獨(dú)居，本文設(shè)計(jì)了一款專門針對(duì)老年人使用的可穿戴智能手環(huán)，這款手環(huán)不僅具有一般手環(huán)所具有的體溫檢測(cè)、心率測(cè)量、計(jì)步等基本功能，還具有跌倒檢測(cè)、智能預(yù)警及遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由手環(huán)、手機(jī)App及后臺(tái)服務(wù)器組成。通過(guò)佩戴手環(huán)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)佩戴者相應(yīng)生命體征數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)在手環(huán)上顯示出來(lái)。手環(huán)采集的體征數(shù)據(jù)先被存儲(chǔ)在手環(huán)的閃存中，因閃存容量有限，隨著佩戴時(shí)間的增長(zhǎng)，所采集的數(shù)據(jù)量比較大，需將所得數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相應(yīng)算法處理后，通過(guò)藍(lán)牙上傳到手機(jī)客戶端，存儲(chǔ)近期檢測(cè)數(shù)據(jù)。因此，手機(jī)客戶端一方面用于存儲(chǔ)近期數(shù)據(jù)并將結(jié)果顯示出來(lái)，供佩戴者及其家人隨時(shí)查看；另一方面，當(dāng)手環(huán)采集到的各類體征數(shù)據(jù)（體表溫度、心率、人體姿態(tài)等數(shù)據(jù)）出現(xiàn)異常時(shí)，手環(huán)通過(guò)藍(lán)牙向手機(jī)客戶端的App發(fā)送指令，App收到指令后向手機(jī)App中預(yù)設(shè)的緊急聯(lián)系人發(fā)送短信或打電話，實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警的功能。服務(wù)器用于存儲(chǔ)長(zhǎng)期檢測(cè)數(shù)據(jù)供以后進(jìn)行全面綜合分析，并將分析結(jié)果通過(guò)藍(lán)牙反饋給手環(huán)及手機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 手環(huán)硬件設(shè)計(jì)

手環(huán)硬件部分由系統(tǒng)主模塊、通信模塊和顯示模塊三個(gè)模塊組成。系統(tǒng)主模塊主要由STM32F103單片機(jī)芯片、MLX90614溫度傳感器、SON1303心率傳感器、MPU6050加速度/陀螺儀傳感器、電源管理模塊組成。STM32F103單片機(jī)芯片適用于醫(yī)療和手持設(shè)備，用于對(duì)各種采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；溫度傳感器MLX90614主要用于采集環(huán)境溫度和體表溫度；心率傳感器SON1303用于采集人體心率數(shù)據(jù)；加速度/陀螺儀傳感器MPU6050用于采集姿態(tài)數(shù)據(jù)，可用于睡眠、起床檢測(cè)、計(jì)步、跌倒檢測(cè)等；電源管理模塊用于將鋰電池4.2V降壓至3.3V，供中央處理器CPU及各傳感器供電。顯示模塊用于將檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示在手環(huán)上。數(shù)據(jù)通信模塊選用CC2541的低功耗藍(lán)牙芯片，用于手環(huán)與手機(jī)App之間進(jìn)行通信。手環(huán)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 手環(huán)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，主程序開(kāi)始調(diào)用各個(gè)模塊初始化子程序；然后采集人體體征數(shù)據(jù)，若體征數(shù)據(jù)均處于正常，則將結(jié)果顯示在手環(huán)、手機(jī)App及網(wǎng)頁(yè)上，并每隔7天將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器用于存儲(chǔ)與后期分析；若某項(xiàng)體征數(shù)據(jù)處于異常，如體溫過(guò)高、心率異?；虬l(fā)生跌倒等，手環(huán)上的蜂鳴器發(fā)出響聲，引起佩戴者或周圍人的注意，同時(shí)手環(huán)通過(guò)藍(lán)牙向手機(jī)App端發(fā)送帶“危險(xiǎn)”標(biāo)志的指令。App收到指令后自動(dòng)撥打電話及發(fā)送求救信號(hào)給手環(huán)綁定的緊急聯(lián)系人，實(shí)現(xiàn)自主報(bào)警。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

4 核心技術(shù)

4.1 心率數(shù)據(jù)的采集與處理

心率的檢測(cè)可以從很多方面獲得，如通過(guò)分析血壓的壓動(dòng)信號(hào)、血氧脈搏波信號(hào)、ECG等?？紤]到經(jīng)濟(jì)性與可穿戴性，我們采用son1303+son3130配套信號(hào)鏈解決方案[1]，采用光電容積脈搏波描記法來(lái)監(jiān)測(cè)心率。

son1303光電式心率傳感器可放置于人體各部位，測(cè)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(cè)試方法的脈搏測(cè)量?jī)x器，其內(nèi)部集成高科技納米涂層環(huán)境光檢測(cè)傳感器，過(guò)濾不需要的光源，減少由其他光源干擾的誤判動(dòng)作，準(zhǔn)確度高。son3130是智能手環(huán)專用放大器，配合son3130四運(yùn)放可以直接輸出方波信號(hào)。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

測(cè)量心率數(shù)據(jù)時(shí)，son1303芯片利用STM32F103芯片自帶的輸入捕獲功能，將處理后的脈沖周期進(jìn)行計(jì)算即可得出每分鐘的心率，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。心率測(cè)量結(jié)果顯示如表1所示。

表1 心率測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4.2 結(jié)合心率檢測(cè)的跌倒檢測(cè)方案

人體跌倒是由于身體不自主失去平衡的行為，在跌倒的瞬間人體的三軸加速度，位移和姿態(tài)等相關(guān)量都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。通過(guò)分析加速度的瞬態(tài)變化去判斷人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，然后根據(jù)姿態(tài)角度變化去判斷人體的姿態(tài)特征，綜合兩者因素就可以得出是否跌到[2]。本文選用MPU6050傳感器實(shí)時(shí)采集反映人體姿態(tài)變化的信號(hào)數(shù)據(jù)，用于跌倒檢測(cè)。MPU6050加速度/陀螺儀傳感器是全球第1款6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器芯片，包含了3軸加速度計(jì)和3軸陀螺儀[3]。加速度計(jì)用于測(cè)x,y,z三個(gè)方向的加速度，陀螺儀用于測(cè)x,y,z三個(gè)方向的角速度。

跌倒發(fā)生時(shí)人體會(huì)出現(xiàn)失重，人體的重力加速度az會(huì)有一個(gè)瞬間的下降過(guò)程，隨后人體跌到地面與地面產(chǎn)生激烈碰撞導(dǎo)致合加速度值SWMA在跌倒瞬間會(huì)發(fā)生突變，最后身體平躺在地面或者坐在地面，這時(shí)可以運(yùn)用此時(shí)人體的x、y、z軸的角度值SVMW來(lái)判斷人體的姿態(tài)，其中SVMA、SVMW如公式(1）（2）所示。

其中，ax，ay，az分別為加速度傳感器x、y、z三軸方向輸出經(jīng)中值濾波后加速度信號(hào)；wx，wy，wz分別為陀螺儀x、y、z三軸方向輸出經(jīng)中值濾波后的角度信號(hào)。

因此，判斷跌倒是否發(fā)生的關(guān)鍵是檢測(cè)人體的三軸加速度和三軸角速度變化是否超出正常范圍。另外，基于加速度/角度的跌倒檢測(cè)算法成功率比較高，但存在誤判，如人體坐下，彎腰等活動(dòng)[4]。通過(guò)不斷對(duì)人體摔倒過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)，在跌倒發(fā)生的開(kāi)始階段心率波動(dòng)出現(xiàn)了急劇上升,而后回落趨于穩(wěn)定；而對(duì)于人體坐下、彎腰等輕微性動(dòng)作，雖然身體姿態(tài)發(fā)生變化，但心率波動(dòng)基本穩(wěn)定,并未出現(xiàn)心律波動(dòng)奇異現(xiàn)象。文獻(xiàn)[5]也證明了上述觀點(diǎn)。綜上所述，本文將心率檢測(cè)融合到跌倒檢測(cè)當(dāng)中來(lái)，提出了基于心率檢測(cè)的跌倒檢測(cè)方案，當(dāng)人體姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，如彎腰，坐下等，若心率波動(dòng)較為平緩，沒(méi)有出現(xiàn)急劇上升又回落的現(xiàn)象，則可初步判斷跌倒現(xiàn)象并未發(fā)生，從而減少誤判的可能。

基于心率檢測(cè)的跌倒檢測(cè)方法需要設(shè)置3個(gè)閾值：重力加速度閾值Taz、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)閾值TSVMA、角度閾值TSVMW。通過(guò)不斷對(duì)人體摔倒過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合文獻(xiàn)[4]給出的針對(duì)不同年齡段老年人的跌倒閾值，本文識(shí)別跌倒的重力加速度閾值Taz為0.59g，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)閾值TSVMA為1.80g，角度閾值TSVMW為70。。當(dāng)人體重力加速度值、合加速度值和角度值都超過(guò)了所設(shè)定的閾值時(shí)，初步判斷有可能發(fā)生了跌倒，再進(jìn)一步檢測(cè)這個(gè)過(guò)程中人體的心率波動(dòng)是否發(fā)生了奇異現(xiàn)象，若有，則可進(jìn)一步判斷此時(shí)人體發(fā)生了跌倒，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，否則延時(shí)20s，等待用戶確認(rèn)是否發(fā)出求救信息，若在20s后當(dāng)事人沒(méi)有解除報(bào)警，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出求救信，從而再進(jìn)一步確定是誤判還是跌倒真的發(fā)生。設(shè)置20s延時(shí)時(shí)間，一方面可以爭(zhēng)取更早得到救援，另一方面也可以減少誤報(bào)警的概率。跌倒檢測(cè)算法流程圖如下圖4所示。跌倒檢測(cè)效果如表2所示。

表2 跌倒檢測(cè)效果表

從上表數(shù)據(jù)可以看出，基于心率檢測(cè)的跌倒檢測(cè)方法對(duì)于跌倒類動(dòng)作能夠準(zhǔn)確識(shí)別，且對(duì)彎腰、起立坐下等非跌倒類動(dòng)作的識(shí)別率也較高，進(jìn)一步減少了誤判的可能。

圖4 跌倒檢測(cè)流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

跌倒是老年人首位傷害死因，為了提高老年人活動(dòng)時(shí)的跌倒報(bào)警及檢測(cè)，最大限度地提高老年人的健康水平，解決養(yǎng)老與護(hù)老問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款專門針對(duì)老年人使用的智能手環(huán)，提出了基于心率檢測(cè)的跌倒檢測(cè)方案，并將該方案運(yùn)用于手環(huán)上，實(shí)驗(yàn)證明，該方案提高了跌倒檢測(cè)的正確率，減少了誤判的發(fā)生。當(dāng)然，基于心率檢測(cè)的跌倒檢測(cè)方案只是初步降低誤判的可能，還有待需要考慮的情況，如有準(zhǔn)備的跌倒可能不導(dǎo)致心率過(guò)快、無(wú)準(zhǔn)備的“起立坐下”也可能導(dǎo)致心率加速等因素。要提高跌倒檢測(cè)的準(zhǔn)確度，需要更為復(fù)雜的算法。我們下一步的工作重心是利用數(shù)據(jù)融合算法，將心率數(shù)據(jù)與加速度傳感器和陀螺儀信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，進(jìn)一步提高智能手環(huán)跌倒檢測(cè)的準(zhǔn)確性，減少誤判的發(fā)生。

[1]馬旭平,蔡嘉豪,等.智能手環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2016,12(36):98-102.

[2]楊婷,黃韜,謝亮.基于STM32微控制器的智能手環(huán)的設(shè)計(jì)[J].科技廣場(chǎng),2016,8:190-192.

[3]卓從彬,楊龍頻,周林,等.基于MPU6050加速度傳感器的跌倒檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件,2015,38(4):821-825.

[4]陳鵬,涂亞慶,等.可穿戴式跌倒檢測(cè)智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2017,36(2):114-116.

[5]文耀鋒.一種實(shí)時(shí)的跌倒姿態(tài)檢測(cè)和心率監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究[D].浙江:浙江大學(xué),2008:74.

Design of Elderly Intelligent Bracelet

CHEN Hua-zhen，XIA Guo-qing，ZONG Jian-hua

（South China Institute of Software Engineering,Guangzhou University，Guangzhou 510990）

In order to solve the problem of pension protection of old,and help the elderly people lives alone and longevity,designs a wearable intelli?gent bracelet based on the fall detection.On the basis of introducing the composition of intelligent bracelet,system architecture,hardware and software design,proposes the fall detection scheme based on heart rate detection,and applies it on the bracelet.Experimental results prove that this scheme can improve the detection accuracy,reduce misjudgment,and has a certain reference for other intelligent medical equipment application and popularization.

1007-1423（2017）27-0064-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.27.014

智能手環(huán)；可穿戴；跌倒檢測(cè)；MPU6050

2016年廣東高校省級(jí)重點(diǎn)平臺(tái)和重大科研項(xiàng)目(No.2016KQNCX237)、2016年院級(jí)“創(chuàng)新強(qiáng)校工程”重大科研培育項(xiàng)目（No.2016001）、2016年“攀登計(jì)劃”廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（No.pdjh2016b0999）

陳華珍（1982-），女，江西人，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)計(jì)算、智能控制

夏國(guó)清（1983-），男，安徽人，碩士，講師，研究方向?yàn)橹悄芸刂啤⑶度胧较到y(tǒng)

宗建華（1963-），男，江蘇人，本科，副教授，研究方向?yàn)樾盘?hào)處理與通信

2017-07-07

2017-08-30

Intelligent Bracelet;Wearable;Fall Detection;MPU6050