居家養(yǎng)老智能健康監(jiān)測系統(tǒng)設計

劉美辰，杜俊良，黃思琪，何巍

（四川師范大學物理與電子工程學院，四川成都，610101）

0 引言

我國是心血管疾病大國，對心血管疾病的防護與控制的重要性不言而喻。據(jù)統(tǒng)計，我國每年死于心血管病約350萬人，基本上每10秒就有1人死于心血管病，占總死亡原因的41%，居各種疾病之首。我國有超過半數(shù)的心血管疾病發(fā)病與高血壓有關(guān)，目前我國的高血壓患者約有2.6億，高血壓控制率卻僅僅為14.5%。

我國面臨老齡化，老年人口數(shù)目龐大，迫切需要防跌倒措施。跌倒造成意外損傷是65歲以上老年人的第六位死亡原因。老年人群跌倒的發(fā)生率遠高于年輕人，除了肢體上的傷害，跌倒后在心理及社交生活上也可能造成嚴重的后遺癥。據(jù)統(tǒng)計，約三分之一的65歲以上老人平均每年跌倒一次，而且比例隨著年齡的增長而增加，80歲以上老年人跌倒的年發(fā)生率高達50%。同時，有些疾病如心血管疾病會導致患者暈厥或身體不平衡進而容易造成跌倒事件的發(fā)生。

根據(jù)黨的十八屆五中全會戰(zhàn)略部署制定，由中共中央、國務院印發(fā)并加以實施的《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》指出：目前，我國面臨著工業(yè)化、人口老齡化以及生態(tài)環(huán)境、生活方式不斷變化等帶來的新挑戰(zhàn)，需要統(tǒng)籌解決關(guān)系人民健康的重大和長遠問題，“健康中國”正式上升為國家戰(zhàn)略。

隨著科技的發(fā)展以及人們對自我健康與人生安全意識的提高，當今時代可謂是健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展的黃金時代。物聯(lián)網(wǎng)極大影響和改善了我們的生活，大勢所趨，促進了形式多樣的軟硬結(jié)合產(chǎn)品的誕生與發(fā)展。使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及相關(guān)電子通信知識，設計制作針對上述人群的智能健康檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

居家養(yǎng)老健康智能監(jiān)測系統(tǒng)圍繞老年人以及心血管疾病患者，主要設計有七個模塊：分別是血壓心率監(jiān)測模塊、防跌倒模塊、報警模塊、電源模塊、復位模塊、顯示屏顯示模塊、藍牙模塊。佩戴者發(fā)生跌倒無法站起時，發(fā)出報警聲，并通過藍牙將數(shù)據(jù)傳入手機，實現(xiàn)提醒及時救助的功能；同時，系統(tǒng)能監(jiān)測佩戴者血壓心率，并對監(jiān)測到的血壓心率值進行顯示。

監(jiān)測系統(tǒng)以國產(chǎn)STC單片機為基礎(chǔ)進行開發(fā)設計，單片機對各個模塊進行控制，將壓力傳感器、加速度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)進行處理，最后實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、異常報警，并能通過藍牙將相關(guān)信息發(fā)送到手機，提醒救助。

居家養(yǎng)老健康智能監(jiān)測系統(tǒng)設計分為兩個部分來實現(xiàn)：一 是硬件設計部分，二是軟件設計部分。圖1 是整體的系統(tǒng)設計框圖。

圖1 系統(tǒng)設計框圖

2 硬件設計

2.1 血壓心率監(jiān)測模塊

血壓心率監(jiān)測模塊以 XGZP6847 型壓力傳感器為核心，這是一款利用 MEMS 技術(shù)加工的硅壓阻式壓力敏感芯片。該壓力敏感芯片由一個彈性膜及集成在膜上的四個電阻組成，四個壓敏電阻形成了惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，當有壓力作用在彈性膜上時電橋會產(chǎn)生一個與所加壓力成線性比例關(guān)系的電壓輸出信號。其采用DIP封裝形式，壓力傳感器作為敏感元件并集成了數(shù)字調(diào)理芯片，PCB 板的2面分別安裝有 SOP 封裝的壓力傳感器與信號處理電路芯片，對傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性進行數(shù)字補償，以供電電壓為參考,產(chǎn)生一個經(jīng)過校準、溫度補償后的標準電壓信號。

氣泵在充氣時，袖帶內(nèi)部產(chǎn)生壓力，與袖帶相連接的壓力傳感器XGZP687會根據(jù)這個壓力值輸出對應的電壓值。通過單片機的ADC采集血壓值，以供數(shù)據(jù)分析使用。

2.2 防跌倒模塊

防跌倒模塊以ADXL345加速度傳感器為核心，這是一款3軸加速度測量系統(tǒng)，既能測量運動或沖擊導致的動態(tài)加速度，也能測量靜止加速度，分辨率高，能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化，使得器件可作為傾斜傳感器使用。

加速度傳感器實時檢測老人姿態(tài)。加速度傳感器與單片機通過I2C總線進行通信，由于使用的單片機STC15F2 K60S2沒有專用I2C模塊，所以采用GPIO模擬I2C時序的方法來實現(xiàn)通信。當老人發(fā)生跌倒時，所佩戴的加速度傳感器采集到傾斜角度會急劇發(fā)生變化，這便是防跌倒功能實現(xiàn)的原理。

2.3 藍牙模塊

藍牙技術(shù)是如今使用最廣泛的無線通信技術(shù)之一，具有低延時，連接穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，適合短距離數(shù)據(jù)傳輸。此處采BT-HC05-V1.0藍牙模塊，模塊兼容單片機系統(tǒng)。藍牙通信主要實現(xiàn)的是硬件電路中的數(shù)據(jù)與手機之間的數(shù)據(jù)交互。設置好藍牙的主機模式，同時打開手機藍牙功能，檢測匹配到藍牙信號，連接后即可收到數(shù)據(jù)。

開啟監(jiān)測系統(tǒng)的同時藍牙模塊即被啟動，加速度傳感器采集老人傾斜角度的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過單片機進行整合和對比，若出現(xiàn)跌倒15s仍未站起的情況則會通過藍牙向手機發(fā)送數(shù)據(jù)，即求助信息，提醒及時救助。

2.4 復位模塊

在單片機接上電源以后，電源出現(xiàn)過低電壓時，將單片機存儲器復位，使其各項參數(shù)處于初始位置，即處于開機時的標準程序狀態(tài)，以消除由于某種原因造成的程序紊亂。

單片機的復位電路有上電復位和手動復位兩種形式，RST端的高電平直接由上電瞬間產(chǎn)生高電平則為上電復位；若通過按鈕產(chǎn)生高電平復位信號則稱為手動復位。

2.5 顯示屏顯示模塊

采用LCD1602顯示屏進行顯示。LCD1602是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊，它有若干個5×7或者5×11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。將血壓等數(shù)據(jù)傳入單片機進行處理及整合后，將血壓心率等數(shù)據(jù)按照一定順序排列輸出，通過I/O口連接LCD1602進行顯示設置，能夠直觀形象地展現(xiàn)給佩戴者，并實時隨階段改變。

2.6 電源模塊

電源模塊用于給整個監(jiān)測系統(tǒng)供電。電源電路部分以LM7805穩(wěn)壓芯片為核心。LM7805穩(wěn)壓芯片輸出電流可達1A，輸出電壓可達5V，兼具過熱保護、短路保護以及SOA保護。

2.7 報警模塊

采用蜂鳴器實現(xiàn)報警功能。在測量血壓心率的放氣階段，啟動蜂鳴器提醒用戶即將測量完畢；在老人發(fā)生跌倒時，啟動蜂鳴器，提醒看護者老人發(fā)生跌倒事件。

3 軟件設計

軟件設計主要有兩大部分，第一部分是實現(xiàn)血壓心率的測量，第二部分是實現(xiàn)老人防跌倒的監(jiān)測。在第一部分中，主要涉及到了壓力傳感器的數(shù)據(jù)獲取、按鍵測量流程控制以及數(shù)據(jù)在LCD1602顯示屏上的顯示。在第二部分中，主要涉及到了加速度傳感器數(shù)據(jù)的獲取、老人跌倒姿態(tài)算法的實現(xiàn)以及使用單片機的串口功能通過藍牙模塊發(fā)送求救信息。

3.1 血壓心率監(jiān)測

血壓心率測量功能實現(xiàn)的流程圖如圖2所示。

圖2 血壓心率監(jiān)測流程圖

當整個單片機系統(tǒng)模塊的初始化完成之后，系統(tǒng)進入等待狀態(tài)，此時LCD1602顯示提示信息，提醒用戶按下測量鍵以進行血壓心率的測量。

當測量按鍵按下時，單片機開始進行血壓測量。啟動氣泵，向血壓測量裝置充氣，LCD1602顯示用戶正在測量的信息。與此同時，開啟單片機內(nèi)置的ADC模塊，采集與單片機的模擬輸入引腳相連的壓力傳感器的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換結(jié)果計算為壓力值。在這個測量過程中，ADC以最快轉(zhuǎn)換速率讀取傳感器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)測量出的壓力值以及前后變化情況來判斷此時所處的測量階段，進而進行下一步的操作。

整個測量流程可以分為兩個階段。在第一個階段中，關(guān)閉出氣閥門，氣泵不斷充氣，壓力值達到180mmHg便進入第二個階段。在第二個階段中，關(guān)閉氣泵，仍然保持出氣閥門關(guān)閉，開始緩慢放氣，單片機向LCD1602顯示屏發(fā)送不斷降低的壓力數(shù)據(jù)，啟動蜂鳴器，提醒用戶進入放氣測量階段，同時也在不斷地分析和對比壓力數(shù)據(jù)，進而得到收縮壓，舒張壓以及心率，并將其保存。測量出舒張壓后，意味著此次測量結(jié)束，單片機控制出氣閥門打開，排出測量裝置中的氣體，并將測量結(jié)果通過LCD1602顯示屏展現(xiàn)給用戶，系統(tǒng)等待下一次測量按鍵按下。

在用戶按下測量鍵至測量完成的過程中，如果用戶再次按下測量鍵，意味著此次測量提前終止，系統(tǒng)將繼續(xù)等待用戶按下測量鍵。

3.2 防跌倒功能實現(xiàn)

防跌倒功能的實現(xiàn)主要是通過采集佩戴在老人身上的加速度傳感器返回的數(shù)據(jù)，從而計算出老人所處的姿態(tài)以及老人的行為狀態(tài)，綜合判斷出老人是否跌倒。本系統(tǒng)設計的老人防跌倒功能實現(xiàn)的流程圖如圖3所示。

圖3 防跌倒功能實現(xiàn)流程圖

單片機進入正常運行狀態(tài)后，在實現(xiàn)血壓心率監(jiān)測的同時，系統(tǒng)也在不斷地監(jiān)測老人的姿態(tài)。防跌倒功能主要是通過定時器中斷觸發(fā)的方式來完成。當定時器200ms中斷發(fā)生時，將加速度傳感器數(shù)據(jù)標志位置1，單片機在運行主程序過程中檢測到加速度傳感器數(shù)據(jù)標志位為1時便通過模擬I2C總線向加速度傳感器發(fā)送取數(shù)據(jù)指令。在獲取到加速度傳感器返回的數(shù)據(jù)之后，便通過這個數(shù)據(jù)計算出老人當前所處的姿態(tài)，判斷老人是否跌倒。根據(jù)老人的姿態(tài)和處于跌倒姿態(tài)的時間來決定是否通過藍牙模塊發(fā)送求救信息。

4 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

監(jiān)測系統(tǒng)通過開關(guān)啟動，系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。由單片機執(zhí)行程序，發(fā)送指令，對各個模塊進行控制。按鍵控制血壓心率測量，按下按鍵，系統(tǒng)開始監(jiān)測血壓心率，定時器計時，氣泵充氣，當壓力大于等于180時停止充氣，開始泄氣當氣壓振幅大于等于最大振幅的50%，此時的數(shù)值便是測得的收縮壓；繼續(xù)泄氣至氣壓振幅小于等于最大振幅的80%，此時測得舒張壓，并計算心率結(jié)果，最后在顯示屏顯示。根據(jù)醫(yī)療標準，衡量血壓是否正常有兩個關(guān)鍵數(shù)值：90mmHg、140mmHg，其次心率的正常范圍是60-100次/分鐘。圖4為測得的血壓心率值。

圖4 顯示屏顯示的血壓心率值

根據(jù)圖5對老年人實測的數(shù)據(jù)顯示，測得的血壓心率值基本符合其身體狀況。血壓心率受到諸多方面影響，如環(huán)境溫度的影響、老年人是否正常飲食、情緒是否穩(wěn)定等，如要獲得準確數(shù)據(jù)，要滿足一定的條件，使用者需要保持情緒平靜，盡量避免飯后，劇烈運動后測量，因為這些狀態(tài)下血壓心率數(shù)值普遍偏高，與日常身體數(shù)據(jù)相比差距大，容易誤判身體狀態(tài)。

圖5 人體血壓心率測量數(shù)據(jù)處理（高血壓人群）

防跌倒模塊每200ms讀取1次傾角數(shù)據(jù)，每1秒對人體狀態(tài)進行5次判斷，3次非正常情況認定為摔倒，蜂鳴器報警且計時，若蜂鳴器持續(xù)報警大于等于15 秒，藍牙還將發(fā)送求助信息到手機，及時提醒家屬救治。圖6是模擬人體正常行走和跌倒狀態(tài)時加速度傳感器獲取的數(shù)據(jù)。人體處于正常行走狀態(tài)時，加速度傳感器獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，可以看到x，y，z三個方向的傾角在-10°～10°之間有細微變化，處與正常范圍內(nèi)，蜂鳴器不報警；人體向前摔倒或向后摔到時，可以看到x方向的傾角變化，超過規(guī)定傾角范圍，蜂鳴器報警。同理，在人體向左側(cè)或右側(cè)摔倒時，z方向的傾角變化明顯,超過程序規(guī)定的范圍，蜂鳴器報警。

圖6 實測人體狀態(tài)傾角數(shù)值變化（正常/摔倒）

5 結(jié)論

居家養(yǎng)老智能健康監(jiān)測系統(tǒng)針對多數(shù)老人獨居家中出現(xiàn)意外的情況，提出相應的解決方案，對老年人的身體健康數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，當有意外發(fā)生時，提醒家屬及時送至醫(yī)院就醫(yī)。

老年人的血壓、心率數(shù)據(jù)多數(shù)偏高，并且因為其身體關(guān)節(jié)僵硬，行動時容易發(fā)生跌倒等問題，而跌倒等意外的發(fā)生更是容易引發(fā)急性腦卒中疾病、心梗等潛在疾病。這就要求監(jiān)測系統(tǒng)對老年人的身體健康數(shù)據(jù)進行及時整合及處理，判斷老年人身體狀況，實現(xiàn)實時監(jiān)測，謹防意外發(fā)生。

居家養(yǎng)老健康監(jiān)測系統(tǒng)已完成簡單的搭建，并針對老年人完成了相應測試，測試數(shù)據(jù)目前符合預期效果。而數(shù)據(jù)精度方面仍然需要提高，并且對老年人日常運動等狀況也需要進一步分析和處理，與跌倒情況進行進一步分離，完善監(jiān)測系統(tǒng)功能。

實現(xiàn)智能健康監(jiān)測系統(tǒng)對老年人身體健康及狀態(tài)的精準測量與預判，運用單片機、傳感器及物聯(lián)網(wǎng)知識進行設計，保護居家老人，保障其健康生活，是居家養(yǎng)老智能健康監(jiān)測系統(tǒng)不變的初衷，亦是持續(xù)發(fā)展的動力所在！