一種基于微波雷達(dá)的人體體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

權(quán)重儒 王振 劉媛媛 劉軍偉 陳薇

摘 要：人體體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種基于微波雷達(dá)、微處理器控制、云平臺(tái)存儲(chǔ)和手機(jī)電腦端監(jiān)控的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。微波雷達(dá)通過(guò)RS-485通信將數(shù)據(jù)傳送給微處理器，再通過(guò)本地服務(wù)器和上位機(jī)處理后傳送給云平臺(tái)，從遠(yuǎn)程手機(jī)或電腦端可以實(shí)時(shí)查看相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)既可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體體征信息，又可以在人體出現(xiàn)劇烈運(yùn)動(dòng)（如摔倒）時(shí)發(fā)出警報(bào)，還可以在一定周期內(nèi)給出與身體健康密切相關(guān)的報(bào)告。

關(guān)鍵詞：微波雷達(dá);RS-485通信;微處理器;云平臺(tái);客戶端

Abstract： The human body monitoring system is a monitoring system based on microwave radar， microprocessor control， cloud platform storage， and mobile computer monitoring. The microwave radar sends data to the microprocessor through RS-485 communication， and processes it through the local server and upper computer. After sending it to the cloud platform， the relevant data can be viewed in real time from the remote mobile phone or computers. The system can not only monitor human body signs in real time， but also send out alarms when the human body undergoes violent movement （such as falling）， and it can also give reports that are closely related to human health within a certain period of time.

Keywords： microwave radar; RS-485 communication; microprocessor; cloud platform; clients

《中國(guó)發(fā)展報(bào)告2020：中國(guó)人口老齡化的發(fā)展趨勢(shì)和政策》預(yù)計(jì)：“65歲+”老人5年后將破2億，2030年，中國(guó)65歲以上人口占比將超過(guò)日本，成為全球人口老齡化程度最高的國(guó)家[1]。隨著我國(guó)人口老齡化形勢(shì)日益嚴(yán)峻，養(yǎng)老問(wèn)題成為社會(huì)痛點(diǎn)。獨(dú)居老人、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)對(duì)于老人看護(hù)裝置或看護(hù)系統(tǒng)的需求強(qiáng)烈。目前，視頻監(jiān)控、可穿戴設(shè)備是已成熟并廣泛推廣的看護(hù)設(shè)備，但均存在自身缺陷。它們帶來(lái)的隱私泄露、強(qiáng)行侵入式等問(wèn)題，極易讓老人產(chǎn)生排斥心理[2]。雷達(dá)探測(cè)作為一種新興技術(shù)，利用微多普勒效應(yīng)感知人體的動(dòng)作，包括微小的呼吸動(dòng)作，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境中目標(biāo)人體的身體活動(dòng)情況。它與人體無(wú)接觸，不拍攝人體影像，極易使老人及其家人接受[3-5]。鑒于上述情況，本研究以微波雷達(dá)為人體感應(yīng)器，開(kāi)發(fā)了一套人體體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種基于微波雷達(dá)、微處理器控制、云平臺(tái)存儲(chǔ)和手機(jī)電腦端監(jiān)控的養(yǎng)老機(jī)構(gòu)人體體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它既可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體體征信息，如呼吸、輕微運(yùn)動(dòng)、大幅移動(dòng)等，又可以在人體出現(xiàn)劇烈運(yùn)動(dòng)（如摔倒）時(shí)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)可以在一定周期內(nèi)給出身體體征報(bào)告，從而得到與人體身體健康密切相關(guān)的數(shù)據(jù)。

圖1為人體體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用微處理器處理微波雷達(dá)發(fā)送的數(shù)據(jù)，包括無(wú)人、輕微移動(dòng)、摔倒動(dòng)作和光照度等信息;將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸給本地服務(wù)器，并在本地服務(wù)器開(kāi)發(fā)監(jiān)控界面;將本地服務(wù)器數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，利用手機(jī)或電腦端進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn);定期生成老人身體體征監(jiān)測(cè)報(bào)告（日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)），根據(jù)報(bào)告提出健康建議;當(dāng)出現(xiàn)摔倒等危險(xiǎn)情況時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，并通過(guò)客戶端提醒老人子女或親屬。

人體體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。從圖上可知，其主要由裝有雷達(dá)探頭的檢測(cè)裝置、微處理器、本地服務(wù)器、繼電器輸出、外圍設(shè)備、云平臺(tái)服務(wù)器以及電腦網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)APP等7部分組成。

①裝有雷達(dá)探頭的檢測(cè)裝置。采用微波式活體存在感應(yīng)雷達(dá)探測(cè)器，產(chǎn)品采用5.8 GHz RS高增益雙饋電低阻抗技術(shù)實(shí)現(xiàn)生物體存在探測(cè)，接入RS-485系統(tǒng)作為一個(gè)數(shù)據(jù)采集單元，產(chǎn)品符合RS-485傳輸標(biāo)準(zhǔn)。

②微處理器。微處理器采用STM32系列芯片，對(duì)RS-485串口接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并傳給本地服務(wù)器和上位機(jī)。

③本地服務(wù)器。接收微處理器的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和存儲(chǔ)，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，在上位機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

④繼電器輸出。由微處理器發(fā)送控制信號(hào)給繼電器輸出，也可由上位機(jī)發(fā)送控制指令給微處理器，然后控制繼電器輸出，繼電器輸出給外圍設(shè)備發(fā)出控制信號(hào)。

⑤外圍設(shè)備。外圍設(shè)備主要包括外圍輸出設(shè)備、燈以及報(bào)警器等。

⑥云平臺(tái)服務(wù)器。云平臺(tái)服務(wù)器接收本地服務(wù)器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)給網(wǎng)頁(yè)端或手機(jī)端提供數(shù)據(jù)接口。

⑦電腦網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)APP。用戶可以通過(guò)電腦網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)APP實(shí)時(shí)在云平臺(tái)上查看數(shù)據(jù)。

2 工作過(guò)程

系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：雷達(dá)探頭安裝在老人房間內(nèi)，根據(jù)人體的活動(dòng)狀態(tài)，可以探測(cè)出人體輕微移動(dòng)、大幅移動(dòng)以及有無(wú)人等情況，并通過(guò)RS-485口發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)。通過(guò)串口通信將雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器，微處理器采用STM32系列芯片對(duì)RS-485串口接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并傳給本地服務(wù)器和上位機(jī)。本地服務(wù)器接收微處理器的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和存儲(chǔ)，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，在上位機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。由微處理器發(fā)送控制信號(hào)給繼電器輸出，也可由上位機(jī)發(fā)送控制指令給微處理器，然后控制繼電器輸出，繼電器輸出給外圍設(shè)備發(fā)出控制信號(hào)。外圍設(shè)備控制燈、報(bào)警器等。云平臺(tái)服務(wù)器接收本地服務(wù)器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)給電腦網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)APP提供數(shù)據(jù)接口。電腦網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)APP可以從云平臺(tái)服務(wù)器實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)。

3 實(shí)現(xiàn)電路和編程

3.1 微處理器電路

微處理器選用STM32 F103C8T6，有48個(gè)引腳。它的外部與電源電路、串口通信電路及繼電器驅(qū)動(dòng)電路連接。圖3為STM32 F103C8T6單片機(jī)各引腳結(jié)構(gòu)。雷達(dá)探頭給出的信號(hào)通過(guò)RS-485串口通信傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。下頁(yè)單片機(jī)根據(jù)探測(cè)到的信號(hào)控制燈或報(bào)警器輸出。

3.2 主要程序

4 結(jié)語(yǔ)

在老齡化問(wèn)題日益嚴(yán)重的背景下，本文介紹了一種人體體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，集成了微波雷達(dá)、微處理器控制、云平臺(tái)存儲(chǔ)和手機(jī)端、電腦端監(jiān)控等技術(shù)。系統(tǒng)既可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人身體體征信息，又可以在人體出現(xiàn)劇烈運(yùn)動(dòng)（如摔倒）時(shí)發(fā)出警報(bào)，還可以在一定周期內(nèi)給出與身體健康密切相關(guān)的報(bào)告，可以為獨(dú)居老人、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)提供老人看護(hù)等服務(wù)，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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