居家養(yǎng)老智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉美辰，杜俊良，黃思琪，何巍

（四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，四川成都，610101）

0 引言

我國(guó)是心血管疾病大國(guó)，對(duì)心血管疾病的防護(hù)與控制的重要性不言而喻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年死于心血管病約350萬(wàn)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(guó)有超過(guò)半數(shù)的心血管疾病發(fā)病與高血壓有關(guān)，目前我國(guó)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(guó)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(yuǎn)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(yán)重的后遺癥。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(zhǎng)而增加，80歲以上老年人跌倒的年發(fā)生率高達(dá)50%。同時(shí)，有些疾病如心血管疾病會(huì)導(dǎo)致患者暈厥或身體不平衡進(jìn)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(huì)戰(zhàn)略部署制定，由中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)并加以實(shí)施的《“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要》指出：目前，我國(guó)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(lái)的新挑戰(zhàn)，需要統(tǒng)籌解決關(guān)系人民健康的重大和長(zhǎng)遠(yuǎn)問(wèn)題，“健康中國(guó)”正式上升為國(guó)家戰(zhàn)略。

隨著科技的發(fā)展以及人們對(duì)自我健康與人生安全意識(shí)的提高，當(dāng)今時(shí)代可謂是健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展的黃金時(shí)代。物聯(lián)網(wǎng)極大影響和改善了我們的生活，大勢(shì)所趨，促進(jìn)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(shí)，設(shè)計(jì)制作針對(duì)上述人群的智能健康檢測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

居家養(yǎng)老健康智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圍繞老年人以及心血管疾病患者，主要設(shè)計(jì)有七個(gè)模塊：分別是血壓心率監(jiān)測(cè)模塊、防跌倒模塊、報(bào)警模塊、電源模塊、復(fù)位模塊、顯示屏顯示模塊、藍(lán)牙模塊。佩戴者發(fā)生跌倒無(wú)法站起時(shí)，發(fā)出報(bào)警聲，并通過(guò)藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳入手機(jī)，實(shí)現(xiàn)提醒及時(shí)救助的功能；同時(shí)，系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)佩戴者血壓心率，并對(duì)監(jiān)測(cè)到的血壓心率值進(jìn)行顯示。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以國(guó)產(chǎn)STC單片機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，單片機(jī)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行控制，將壓力傳感器、加速度傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、異常報(bào)警，并能通過(guò)藍(lán)牙將相關(guān)信息發(fā)送到手機(jī)，提醒救助。

居家養(yǎng)老健康智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)：一 是硬件設(shè)計(jì)部分，二是軟件設(shè)計(jì)部分。圖1 是整體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 血壓心率監(jiān)測(cè)模塊

血壓心率監(jiān)測(cè)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(gè)彈性膜及集成在膜上的四個(gè)電阻組成，四個(gè)壓敏電阻形成了惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，當(dāng)有壓力作用在彈性膜上時(shí)電橋會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與所加壓力成線性比例關(guān)系的電壓輸出信號(hào)。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(hào)處理電路芯片，對(duì)傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償，以供電電壓為參考,產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償后的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。

氣泵在充氣時(shí)，袖帶內(nèi)部產(chǎn)生壓力，與袖帶相連接的壓力傳感器XGZP687會(huì)根據(jù)這個(gè)壓力值輸出對(duì)應(yīng)的電壓值。通過(guò)單片機(jī)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(cè)量系統(tǒng)，既能測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度，也能測(cè)量靜止加速度，分辨率高，能夠測(cè)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(shí)時(shí)檢測(cè)老人姿態(tài)。加速度傳感器與單片機(jī)通過(guò)I2C總線進(jìn)行通信，由于使用的單片機(jī)STC15F2 K60S2沒有專用I2C模塊，所以采用GPIO模擬I2C時(shí)序的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。當(dāng)老人發(fā)生跌倒時(shí)，所佩戴的加速度傳感器采集到傾斜角度會(huì)急劇發(fā)生變化，這便是防跌倒功能實(shí)現(xiàn)的原理。

2.3 藍(lán)牙模塊

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

開啟監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的同時(shí)藍(lán)牙模塊即被啟動(dòng)，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(guò)單片機(jī)進(jìn)行整合和對(duì)比，若出現(xiàn)跌倒15s仍未站起的情況則會(huì)通過(guò)藍(lán)牙向手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，即求助信息，提醒及時(shí)救助。

2.4 復(fù)位模塊

在單片機(jī)接上電源以后，電源出現(xiàn)過(guò)低電壓時(shí)，將單片機(jī)存儲(chǔ)器復(fù)位，使其各項(xiàng)參數(shù)處于初始位置，即處于開機(jī)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)程序狀態(tài)，以消除由于某種原因造成的程序紊亂。

單片機(jī)的復(fù)位電路有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)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(fù)位；若通過(guò)按鈕產(chǎn)生高電平復(fù)位信號(hào)則稱為手動(dòng)復(fù)位。

2.5 顯示屏顯示模塊

采用LCD1602顯示屏進(jìn)行顯示。LCD1602是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，它有若干個(gè)5×7或者5×11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。將血壓等數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)進(jìn)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(guò)I/O口連接LCD1602進(jìn)行顯示設(shè)置，能夠直觀形象地展現(xiàn)給佩戴者，并實(shí)時(shí)隨階段改變。

2.6 電源模塊

電源模塊用于給整個(gè)監(jiān)測(cè)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(dá)1A，輸出電壓可達(dá)5V，兼具過(guò)熱保護(hù)、短路保護(hù)以及SOA保護(hù)。

2.7 報(bào)警模塊

采用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。在測(cè)量血壓心率的放氣階段，啟動(dòng)蜂鳴器提醒用戶即將測(cè)量完畢；在老人發(fā)生跌倒時(shí)，啟動(dòng)蜂鳴器，提醒看護(hù)者老人發(fā)生跌倒事件。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要有兩大部分，第一部分是實(shí)現(xiàn)血壓心率的測(cè)量，第二部分是實(shí)現(xiàn)老人防跌倒的監(jiān)測(cè)。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(cè)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(shí)現(xiàn)以及使用單片機(jī)的串口功能通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送求救信息。

3.1 血壓心率監(jiān)測(cè)

血壓心率測(cè)量功能實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖2所示。

圖2 血壓心率監(jiān)測(cè)流程圖

當(dāng)整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)模塊的初始化完成之后，系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，此時(shí)LCD1602顯示提示信息，提醒用戶按下測(cè)量鍵以進(jìn)行血壓心率的測(cè)量。

當(dāng)測(cè)量按鍵按下時(shí)，單片機(jī)開始進(jìn)行血壓測(cè)量。啟動(dòng)氣泵，向血壓測(cè)量裝置充氣，LCD1602顯示用戶正在測(cè)量的信息。與此同時(shí)，開啟單片機(jī)內(nèi)置的ADC模塊，采集與單片機(jī)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(jì)算為壓力值。在這個(gè)測(cè)量過(guò)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(cè)量出的壓力值以及前后變化情況來(lái)判斷此時(shí)所處的測(cè)量階段，進(jìn)而進(jìn)行下一步的操作。

整個(gè)測(cè)量流程可以分為兩個(gè)階段。在第一個(gè)階段中，關(guān)閉出氣閥門，氣泵不斷充氣，壓力值達(dá)到180mmHg便進(jìn)入第二個(gè)階段。在第二個(gè)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(jī)向LCD1602顯示屏發(fā)送不斷降低的壓力數(shù)據(jù)，啟動(dòng)蜂鳴器，提醒用戶進(jìn)入放氣測(cè)量階段，同時(shí)也在不斷地分析和對(duì)比壓力數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到收縮壓，舒張壓以及心率，并將其保存。測(cè)量出舒張壓后，意味著此次測(cè)量結(jié)束，單片機(jī)控制出氣閥門打開，排出測(cè)量裝置中的氣體，并將測(cè)量結(jié)果通過(guò)LCD1602顯示屏展現(xiàn)給用戶，系統(tǒng)等待下一次測(cè)量按鍵按下。

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

3.2 防跌倒功能實(shí)現(xiàn)

防跌倒功能的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)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(jì)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(shè)計(jì)的老人防跌倒功能實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖3所示。

圖3 防跌倒功能實(shí)現(xiàn)流程圖

單片機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)后，在實(shí)現(xiàn)血壓心率監(jiān)測(cè)的同時(shí)，系統(tǒng)也在不斷地監(jiān)測(cè)老人的姿態(tài)。防跌倒功能主要是通過(guò)定時(shí)器中斷觸發(fā)的方式來(lái)完成。當(dāng)定時(shí)器200ms中斷發(fā)生時(shí)，將加速度傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)志位置1，單片機(jī)在運(yùn)行主程序過(guò)程中檢測(cè)到加速度傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)志位為1時(shí)便通過(guò)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(guò)這個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算出老人當(dāng)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(shí)間來(lái)決定是否通過(guò)藍(lán)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(cè)系統(tǒng)通過(guò)開關(guān)啟動(dòng)，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。由單片機(jī)執(zhí)行程序，發(fā)送指令，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行控制。按鍵控制血壓心率測(cè)量，按下按鍵，系統(tǒng)開始監(jiān)測(cè)血壓心率，定時(shí)器計(jì)時(shí)，氣泵充氣，當(dāng)壓力大于等于180時(shí)停止充氣，開始泄氣當(dāng)氣壓振幅大于等于最大振幅的50%，此時(shí)的數(shù)值便是測(cè)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(shí)測(cè)得舒張壓，并計(jì)算心率結(jié)果，最后在顯示屏顯示。根據(jù)醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)，衡量血壓是否正常有兩個(gè)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(cè)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(duì)老年人實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)顯示，測(cè)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(zhǔn)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(yùn)動(dòng)后測(cè)量，因?yàn)檫@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(cè)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(duì)人體狀態(tài)進(jìn)行5次判斷，3次非正常情況認(rèn)定為摔倒，蜂鳴器報(bào)警且計(jì)時(shí)，若蜂鳴器持續(xù)報(bào)警大于等于15 秒，藍(lán)牙還將發(fā)送求助信息到手機(jī)，及時(shí)提醒家屬救治。圖6是模擬人體正常行走和跌倒?fàn)顟B(tài)時(shí)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(shí)，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(gè)方向的傾角在-10°～10°之間有細(xì)微變化，處與正常范圍內(nèi)，蜂鳴器不報(bào)警；人體向前摔倒或向后摔到時(shí)，可以看到x方向的傾角變化，超過(guò)規(guī)定傾角范圍，蜂鳴器報(bào)警。同理，在人體向左側(cè)或右側(cè)摔倒時(shí)，z方向的傾角變化明顯,超過(guò)程序規(guī)定的范圍，蜂鳴器報(bào)警。

圖6 實(shí)測(cè)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(cè)系統(tǒng)針對(duì)多數(shù)老人獨(dú)居家中出現(xiàn)意外的情況，提出相應(yīng)的解決方案，對(duì)老年人的身體健康數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)有意外發(fā)生時(shí)，提醒家屬及時(shí)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?yàn)槠渖眢w關(guān)節(jié)僵硬，行動(dòng)時(shí)容易發(fā)生跌倒等問(wèn)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(cè)系統(tǒng)對(duì)老年人的身體健康數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)整合及處理，判斷老年人身體狀況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，謹(jǐn)防意外發(fā)生。

居家養(yǎng)老健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已完成簡(jiǎn)單的搭建，并針對(duì)老年人完成了相應(yīng)測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)目前符合預(yù)期效果。而數(shù)據(jù)精度方面仍然需要提高，并且對(duì)老年人日常運(yùn)動(dòng)等狀況也需要進(jìn)一步分析和處理，與跌倒情況進(jìn)行進(jìn)一步分離，完善監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能。

實(shí)現(xiàn)智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)老年人身體健康及狀態(tài)的精準(zhǔn)測(cè)量與預(yù)判，運(yùn)用單片機(jī)、傳感器及物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保護(hù)居家老人，保障其健康生活，是居家養(yǎng)老智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不變的初衷，亦是持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力所在！