基于單片機的老年健康管家

呂海玉，嚴路昊，張郡夫，許少娟

（大連理工大學城市學院，遼寧 大連 116000）

0 引 言

目前我國國內(nèi)人口老齡化不可避免，社會上老年人越來越多，年輕人有時因為工作、學習原因可能無暇顧及老人的健康狀況[1]。在相關領域，已有單一的老年人監(jiān)控系統(tǒng)[2]研發(fā)，其缺點是對老年人生理各項指標等采集不夠全面，儀器體積過于龐大以致老人無法便捷攜帶。本文提出一種基于GPS技術的老人防丟系統(tǒng)的設計方案，由主控模塊、GPS模塊組成。本系統(tǒng)采用STC15系列單片機作為控制核心，首先將GPS模塊采集到的信號送入STC15系列單片機進行處理，通過老人主動按鈕，將信息傳遞給GPS模塊并發(fā)送短信。一旦老人發(fā)現(xiàn)自己走失或者迷路，就可以通過此設計將位置發(fā)送給兒女。

隨著技術的不斷更新，現(xiàn)在防丟器和以往相比有極強的抗干擾性和穩(wěn)定性，功能也越來越多。本方案設計的防丟器沿用了以前的發(fā)射抑制原理，在特定條件下給使用者提出警告。該方案采用藍牙4.0，其是傳統(tǒng)藍牙技術[3]、高速藍牙技術和低功耗藍牙技術[4]的合集。本設備其他模塊利用傳感器監(jiān)控老人的心率、血壓狀況，并可通過藍牙連接方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)護人的移動設備中，還具有時間顯示、摔倒報警、數(shù)據(jù)存儲、運動檢測等附加功能；同時具有體積小、便于攜帶、跟蹤定位響應快速、環(huán)境適應性好、操作簡單等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)設計方案

如圖1所示，老年健康管家系統(tǒng)設計是以STC15W4K58S4為主控制器，以MAX30100心率血氧監(jiān)測芯片、VK2828U8G5LFGPS定位芯片[5]和MPU-6000加速度計模塊采集數(shù)據(jù)為主，經(jīng)過單片機分析處理數(shù)據(jù)，通過24C02芯片進行數(shù)據(jù)存儲，同時通過藍牙芯片將數(shù)據(jù)傳輸至手機，使得監(jiān)護人可實時監(jiān)測老人情況，以便于進一步了解老人的身體情況。除此之外，此產(chǎn)品還有實時時鐘功能，增加了此系統(tǒng)的應用性。

圖1 系統(tǒng)結構

1.2 硬件設計

1.2.1 GPS模塊

如圖2所示，VK2828U8G5LF模塊具備高靈敏度GPS天線、高精度TCXO。該模塊引線VCC為系統(tǒng)主電源，TX為并行輸入接口，RX為并行輸出接口，通過串口輸出的是NEMA-0183語句，帶$GN前綴，不同字段代表了經(jīng)緯度、日期、速度等信息，其體積小巧、性能優(yōu)異，老人走失時可準確地確定他們的位置。

圖2 GPS模塊實體圖

1.2.2 心率血氧模塊

如圖3所示，MAX30100模塊有2個發(fā)光二極管，1個光檢測器，通過紅外LED燈照射，能夠得到心率的ADC值，通過相關算法，可以得出心率。而且由于攜帶氧氣的紅血球能吸收較多紅外光[6]，未攜帶氧氣的紅血球則是吸收較多的紅光，所以內(nèi)置分光計，利用不同紅血球吸收光譜不同的原理，來分析血氧飽和度。老人只需要將手指頭緊貼在傳感器上，就能估計心跳及血氧飽和度。

圖3 檢測模塊實體圖

1.2.3 運動處理組件

本文使用MPU-6000運動處理傳感器，其俯視圖如圖4所示。MPU-6000內(nèi)置的陀螺儀[7]用于姿態(tài)檢測和傾角測量，老人摔倒時，系統(tǒng)能實時檢測，并且發(fā)射報警信息傳輸給藍牙模塊，體現(xiàn)在監(jiān)護人移動設備上。其加速度計可測得老人步行速度。陀螺儀和加速度計均使用3個16位ADC，將測得的模擬量以數(shù)字量形式輸出。將數(shù)據(jù)依照相關公式處理后與通用標準模型進行比較，當偏差較大時輸出報警信息。

圖4 傳感器俯視圖

1.2.4 時鐘芯片

由于單片機本身定時器用作時鐘時，精度不夠，單片機內(nèi)部對于指令的執(zhí)行需要額外時間，而專門的時鐘芯片可以進行精準計時，功耗極低，且具有閏年補償?shù)榷喾N功能。時鐘芯片管腳圖如圖5所示，除了DS1302的基本計時功能以外，還有額外架構，如雙管腳主電源、備用電源以及7 B的暫存器等。

圖5 時鐘芯片管腳圖

1.2.5 藍牙模塊

HC-05嵌入式藍牙串口通信模塊如圖6所示。把其設置為自動連接工作模式[8]，自動進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)老人和監(jiān)護者的實時消息互通。其主要利用指令集實現(xiàn)配對、連接和數(shù)據(jù)寫入。

圖6 藍牙模塊實體圖

1.2.6 數(shù)據(jù)存儲模塊

為了實現(xiàn)掉電后數(shù)據(jù)不丟失，采用E2PROM來保存數(shù)據(jù)。AT24C02可以一次寫入16個字節(jié)的數(shù)據(jù)，每成功寫入一個字節(jié)，E2PROM存儲空間的地址就會自動加1，最多可以往AT24C02存儲器里面寫2 048個字節(jié)，即256個8位字節(jié)。這為保存老人重要個人信息提供了途徑。如圖7所示，默認為A0=0、A1=0、A2=0，關閉寫保護。當R/W為0時，表示寫方向；R/W為1時，表示讀方向。所以此處E2PROM芯片的寫地址為0xA0，讀地址為0xA1。

圖7 管腳圖

1.2.7 顯示模塊

LCD12864模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構還是顯示程序都要簡潔得多，且價格便宜。

2 結 語

本文設計的老年健康管家能夠隨時顯示時間，隨時測得心率，記錄心率數(shù)據(jù)，并有效地實時定位，當使用者走失時可準確地確定使用者的位置；并且可以通過遠程發(fā)送求救信息，以便讓使用者得到身邊人的幫助。當使用者摔倒時，系統(tǒng)可發(fā)出求助警報，并將摔倒信息反饋給子女，若使用者長時間倒地不起，系統(tǒng)會直接將位置發(fā)送給120指揮中心，以尋求幫助。子女可將老人的個人信息以及既往病史和自己的聯(lián)系方式等信息存儲到“老人健康管家”中，老人此前測得的心率數(shù)據(jù)也將被儲存起來。當老人遇到突發(fā)情況時，路人可通過子女的聯(lián)系方式聯(lián)系到子女，醫(yī)生可根據(jù)心率情況和既往病史來判斷老人當前的狀況，以進一步救治。另外，本產(chǎn)品操作極其簡單，學習成本極低，有利于老年人學習使用。

中國由于人口基數(shù)龐大，縱使計劃生育政策的頒布實施，有效遏制了人口急劇膨脹的趨勢，但人口老齡化問題也接踵而至。老人身體逐漸衰老，免疫力下降，但社會的林蔭大道上仍不乏他們的身影，在參與道路交通活動時常因手腳不靈便、視力低下、聽覺失察等造成一系列不可預知的不良后果發(fā)生。在人口老齡化這種不可短期改變的現(xiàn)狀下，人們只能不斷改進對老年人群體的健康看護措施，做到方便、響應快捷、價格低廉、控制有效、及時檢測、及時行動。