老年人健康監(jiān)測(cè)手表設(shè)計(jì)

桑賢伯 楊武帥 萬(wàn)啟元

摘 要：本文針對(duì)老年人健康問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)老年人的健康監(jiān)測(cè)手表的軟硬件方案，主要功能有心率監(jiān)測(cè)、血壓監(jiān)測(cè)、血氧監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)定位、寵物找回和跌倒檢測(cè)等功能。手表能與網(wǎng)絡(luò)連接，可以把老人實(shí)時(shí)信息發(fā)送到家屬的客戶(hù)端。

關(guān)鍵詞：老年人；健康；手表；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：R153 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： Aiming at the health problems of the elderly， a software and hardware solution designed specifically for elderly health monitoring watches is designed. The main functions are heart rate monitoring， blood pressure monitoring， blood oxygen monitoring， real-time positioning， pet recovery and fall detection. Watch can connect with the network， you can send the elderly real-time information to the family members of the client.

Keywords： Elderly；Health；Watch；Internet of Things

1 項(xiàng)目概況

1.1 研究背景與設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)如今人口老齡化日漸嚴(yán)重，同時(shí)生活節(jié)奏變快，照顧老人成為家庭的難題。城市獨(dú)居老人通常會(huì)面臨一些令人擔(dān)憂(yōu)的健康問(wèn)題。最先要解決的問(wèn)題是在老人身體出現(xiàn)狀況或者老人跌倒時(shí)及時(shí)的通知家人。本文針對(duì)這些問(wèn)題介紹一款老人專(zhuān)用的健康監(jiān)測(cè)手表，這款手表能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、血壓、心率和位置，并能把這些信息發(fā)送到服務(wù)器備案。家人可以在手機(jī)客戶(hù)端讀取老人的身體特征信息。此外，該手表還有音樂(lè)播放與寵物找回等功能方便老人日常的娛樂(lè)。該手表功能豐富，方案成熟，是一種可以商業(yè)化的方案。在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)老人的需求分析準(zhǔn)確性，產(chǎn)品實(shí)用性，可量產(chǎn)性都有極高的要求。

1.2 手表總體結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)的手表主要是針對(duì)老人，完成對(duì)老人的身體狀態(tài)和健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。整個(gè)手表硬件部分包括：心率血壓傳感器模塊，屏幕模塊，姿態(tài)傳感器模塊，定位模塊，通信模塊，中央處理器模塊，電源模塊。

軟件部分包括：顯示與交互部分、姿態(tài)監(jiān)測(cè)部分、通信部分、數(shù)據(jù)加密部分、定位計(jì)算部分和心率血壓分析部分。

2 硬件方案設(shè)計(jì)（圖1）

2.1 中央處理器模塊

手表使用MT2502芯片作為主控， MT2502為聯(lián)發(fā)科公司設(shè)計(jì)的可穿戴物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備商用解決方案芯片，使用260MHz主頻的32位ARM7EJ-S內(nèi)核，運(yùn)算快。集成度高，集成多模GSM以及2.1 SPP和 4.0 GATT藍(lán)牙，是多種物聯(lián)網(wǎng)商用方案中使用的芯片。該手表同時(shí)使用松恩公司的BP1708芯片作為心率血壓算法協(xié)處理器，保證脈搏相關(guān)算法的實(shí)時(shí)性。

2.2 屏幕模塊

手表使用一個(gè)1.54寸可觸摸TFT-LED屏幕，觸摸芯片使用GT9xx系列的觸摸芯片，顯示芯片使用ST7789s。該屏幕具有240×240像素的顯示分辨率，能夠清晰地顯示時(shí)間和其他內(nèi)容。

2.3 姿態(tài)傳感器模塊

姿態(tài)方向等使用意法半導(dǎo)體的LSM6DSL和LSM303C。這兩款芯片通過(guò)iic總線連接至主控。這是意法半導(dǎo)體新一代iNEMO MEMES傳感器，體積小，集成度高，頂面面積僅有2.5mm×3mm，容易集成在手表類(lèi)智能穿戴設(shè)備，如圖2所示。

2.4 心率血壓傳感器模塊

脈搏檢監(jiān)測(cè)使用SON7015傳感器并使用BP1708作為血壓血氧算法芯片，該部分通過(guò)iic總線與主控連接。該傳感器為光電容積式脈搏傳感器，在運(yùn)動(dòng)心率檢測(cè)方面比二極管式脈搏傳感器更加精確，適合在老人運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人脈搏狀態(tài)。

2.5 定位模塊

定位方面衛(wèi)星定位使用MT3332芯片，該芯片可在脫離網(wǎng)絡(luò)的情況下提供精確的衛(wèi)星定位，并可以同時(shí)提供GPS和北斗兩種衛(wèi)星的定位結(jié)果，將兩種結(jié)果融合相比單星方案可以大大提高定位精度。

2.6 通信模塊

通信模塊包括WiFi模塊，藍(lán)牙模塊，GSM和GPRS模塊。

2.6.1 WiFi模塊

WiFi模塊使用了MT5931芯片，該芯片支持802.11b/g/n通信標(biāo)準(zhǔn)，以2.4GHz的射頻頻率連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)天線使用BT/WiFi二合一陶瓷天線，節(jié)省了PCB空間同時(shí)又提高了天線增益，防止了WiFi斷流。

2.6.2 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊使用了MT2502集成的藍(lán)牙基帶，在方便了軟件的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)之外又可以最大化地利用已有芯片減小功率節(jié)省體積，與WiFi功能共用天線。

2.6.3 GSM和GPRS模塊

GSM和GPRS使用了MT2502主控集成的GSM基帶，因?yàn)镚SM技術(shù)不是開(kāi)源技術(shù)，只能使用已集成的基帶才能完成GSM功能的開(kāi)發(fā)。

2.7 電源模塊

電源模塊包括電池供電部分和USB輸入部分。

電池供電部分使用ETA3410作為穩(wěn)壓芯片輸出3.3V。

USB輸入部分的5V供電直接接入MT2502的PMU引腳，直接由主控芯片管理。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

3.1 通信部分

手表中包括多種通信方式，主控中集成了藍(lán)牙通信，短信和GPRS通信。為了節(jié)約通信成本在通常狀態(tài)下并不啟用短信通信，只有在老人跌倒以及心率異常時(shí)通過(guò)短信直接通知家屬，在一般狀態(tài)下，僅使用GPRS將極少的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)使用TCP協(xié)議發(fā)送到服務(wù)器，家屬可以在手機(jī)客戶(hù)端上查看老人的相關(guān)身體特征信息。藍(lán)牙通信對(duì)于不使用智能手機(jī)的老人在初次使用手表時(shí)家屬通過(guò)藍(lán)牙配置手表，之后就可以關(guān)閉藍(lán)牙，對(duì)于使用智能手機(jī)的老人就可以連接藍(lán)牙查看自己的相關(guān)信息。藍(lán)牙也可以在寵物防丟功能時(shí)使用。同時(shí)手表的 WiFi通信能適用于敬老院等小范圍環(huán)境的低成本多終端傳輸。在敬老院模式時(shí)是通過(guò)WiFi直接將老人相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至敬老院數(shù)據(jù)中心。

3.2 數(shù)據(jù)加密部分

因?yàn)槭直硪ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸老人的身體狀態(tài)等隱私信息所以數(shù)據(jù)需要進(jìn)行加密。在手表中使用的加密算法為T(mén)EA算法，處理的輪數(shù)為8輪，在保證一定數(shù)據(jù)保密性的同時(shí)加快加密速度。

3.3 顯示與交互部分

在交互方面，我們優(yōu)化了對(duì)老人的交互方式，讓老人可以在不進(jìn)行任何復(fù)雜操作的情況下使手表正常工作。手表的相關(guān)操作均可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作，老人戴著手表抬腕即可亮表，監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)發(fā)送均為自動(dòng)完成。本機(jī)操作可以通過(guò)按鍵和觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)，我們?cè)贜ucleus操作系統(tǒng)上自主開(kāi)發(fā)了界面系統(tǒng)，包括6種控件，可以很快的組建界面。

3.4 姿態(tài)監(jiān)測(cè)部分

程序中的一個(gè)線程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加速度和陀螺儀數(shù)據(jù)并進(jìn)行姿態(tài)的運(yùn)算，來(lái)判斷老人的動(dòng)作，老人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以便計(jì)步和統(tǒng)計(jì)老人的運(yùn)動(dòng)情況。電子羅盤(pán)主要是為老人提供方向?qū)Ш健?/p>

在跌倒檢測(cè)時(shí)不但包括姿態(tài)的監(jiān)測(cè)，還有脈搏監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)作為輔助，提高了跌到檢測(cè)的準(zhǔn)確性，防止誤判。

3.5 定位計(jì)算部分

程序會(huì)把老人的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)送到服務(wù)器，在服務(wù)器請(qǐng)求老人的實(shí)時(shí)位置時(shí)程序也可以返回老人的實(shí)時(shí)位置。在敬老院模式下可以使用基于WiFi指紋與藍(lán)牙的室內(nèi)定位，提供老人在敬老院內(nèi)的位置。

3.6 心率血壓分析部分

程序的一個(gè)線程會(huì)實(shí)時(shí)獲取原始ECG數(shù)據(jù)和血壓血氧數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)老人的心率血壓異常將會(huì)根據(jù)異常的級(jí)別選擇通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器或者直接短信通知家屬，如圖3所示。

結(jié)語(yǔ)

我們期望能給老人更多的關(guān)愛(ài)，但是我們奔忙于生活，無(wú)法時(shí)時(shí)刻刻照顧著老人，所以健康監(jiān)測(cè)手表成為老人們生活中的助手，有效地防止了老人走失，也讓家屬能時(shí)刻關(guān)注老人的身體狀況。

在物聯(lián)網(wǎng)不斷地發(fā)展下，相信以后可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療遠(yuǎn)程化，微型化，便攜化。

參考文獻(xiàn)

[1]陳海明，崔莉，謝開(kāi)斌.物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方法的比較研究[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2013，36（1）：168-188.

[2]吳光元，周衛(wèi)紅，桑賢伯，等. 天然氣加氣站云端數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].科技風(fēng)，2017（18）：66.

[3]孫宗文. Android Wear智能手表數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)的研究[D].北京理工大學(xué)，2015.