一種老年人健康監(jiān)測(cè)手環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙鑫，于豐僑，袁小平

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

隨著人口老齡化的加重，老年人群體所占比重逐年增加；同時(shí)，老年人群體由于身體機(jī)能的衰退，更容易發(fā)生跌倒等突發(fā)狀況。如何有效地監(jiān)測(cè)老年人群體的健康狀況，提高其生活質(zhì)量，是當(dāng)前亟需解決的一大難題。

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，意外跌倒是老年人突發(fā)狀況的主要來(lái)源?；谠搯?wèn)題，文中提出了一種健康監(jiān)測(cè)手環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老年人是否發(fā)生跌倒，當(dāng)監(jiān)測(cè)到意外跌倒后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)送求救信息，及時(shí)讓老年人得到救助。此外，該系統(tǒng)還可以監(jiān)測(cè)睡眠質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)情況等，全面保障老年人群體的健康生活，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

健康監(jiān)測(cè)手環(huán)系統(tǒng)分為手環(huán)端和APP 端兩部分，如圖1 所示。手環(huán)端通過(guò)跌倒監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)獲取老年人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生跌倒時(shí)，主控模塊將跌倒信息以藍(lán)牙通信方式傳輸?shù)紸PP 端，再通過(guò)APP 將求救信息發(fā)送給預(yù)設(shè)的緊急聯(lián)系人，求救信息包括老年人所處地理位置等信息。睡眠監(jiān)測(cè)模塊、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊、氣候監(jiān)測(cè)模塊分別用于其他信息的采集，并在手環(huán)上實(shí)時(shí)顯示，或通過(guò)APP 來(lái)查看相關(guān)信息。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括主控電路、串口通信電路、檢測(cè)電路、顯示電路、電源電路等，采用雙層PCB 設(shè)計(jì)，手環(huán)尺寸僅為4.2 cm×4.5 cm，實(shí)物如圖2 所示，十分小巧，便于佩戴。

圖2 手環(huán)實(shí)物圖

硬件設(shè)計(jì)中，顯示電路以ST7789作為顯示驅(qū)動(dòng)，并搭配1.54寸IPS顯示屏；串口通信電路采用CP2104芯片，其所需外圍器件少，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定；電源電路包括1 個(gè)電源開(kāi)關(guān)和3 個(gè)功能按鍵，用于控制不同界面的切換和參數(shù)的顯示；其他硬件電路將在下文詳細(xì)介紹。

2.1 主控電路

主控電路采用意法半導(dǎo)體(ST)的STM32F411CE U6 作為控制核心，該芯片基于ARM Cortex-M4 32 位RISC 內(nèi)核，具有浮點(diǎn)單元(FPU)，可以加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的解算；此外，該芯片外設(shè)種類豐富，滿足系統(tǒng)實(shí)際需求。

2.2 藍(lán)牙電路

手環(huán)與APP 通信基于藍(lán)牙通信方式，通過(guò)Dialog半導(dǎo)體的DA14585 藍(lán)牙SoC 實(shí)現(xiàn)通信[1]，該SoC 支持藍(lán)牙5.0、Mesh 等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2]，具有極低的功耗。在省電模式下，將廣播周期設(shè)置為600 ms，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，平均功耗僅為20 μA/s，適合手環(huán)等電池供電設(shè)備。

2.3 檢測(cè)電路

檢測(cè)電路部分可實(shí)現(xiàn)包括加速度、陀螺儀、氣壓、溫度等原始數(shù)據(jù)的獲取，對(duì)原始數(shù)據(jù)處理后，可得到各項(xiàng)健康參數(shù)。其中三軸加速度和三軸陀螺儀數(shù)據(jù)通過(guò)InvenSense 的MPU6050 六軸傳感器獲取，具體電路如圖3 所示，該電路采用IIC 通信方式，實(shí)際通信速率可達(dá)400 kHz，并自帶數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)處理器(DMP)，滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理的實(shí)時(shí)性需求。

圖3 MPU6050檢測(cè)電路圖

氣壓和溫度數(shù)據(jù)通過(guò)Bosch 的BMP280 傳感器得到，該傳感器具有寬測(cè)壓范圍和高分辨率，最高精度可達(dá)0.16 Pa；溫度測(cè)量可實(shí)現(xiàn)0.000 3 ℃的高分辨率；和MPU6050 相同，采用IIC 通信方式[3]，可以最大化節(jié)省主控核心的IO 資源，具體電路如圖4 所示。

圖4 BMP280檢測(cè)電路圖

2.4 電源電路

為獲取3.3 V 系統(tǒng)工作電壓，電源電路通過(guò)對(duì)鋰電池輸出電壓先升壓再穩(wěn)壓得到所需電壓，如圖5 所示。PS7516 升壓芯片將鋰電池輸出的3.7 V 電壓升至5 V，再通過(guò)RT9013線性穩(wěn)壓器得到3.3 V電壓。

圖5 電源電路圖

電池充電管理芯片TC4056A 用于給鋰電池充電，調(diào)節(jié)PROG 管腳編程電阻可以得到不同大小的充電電流IBAT，具體比例關(guān)系如式（1）所示；當(dāng)處于充電或充滿狀態(tài)時(shí)，CHRG 和STDBY 管腳會(huì)分別輸出一個(gè)低電平標(biāo)志。

3 軟件算法設(shè)計(jì)

手環(huán)端軟件部分基于LVGL 嵌入式GUI 實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度和圖形用戶界面(GUI)的顯示，基本控制流程如圖6 所示。系統(tǒng)上電復(fù)位后，初始化各類外設(shè)和LVGL，LVGL 初始化完畢后，創(chuàng)建任務(wù)并開(kāi)始調(diào)度。

圖6 軟件控制流框圖

GUI 顯示任務(wù)用于時(shí)間等數(shù)據(jù)的顯示；跌倒監(jiān)測(cè)任務(wù)在判斷是否跌倒的同時(shí)，會(huì)實(shí)時(shí)獲取使用者的姿態(tài)數(shù)據(jù)；睡眠監(jiān)測(cè)任務(wù)可獲取使用者睡眠時(shí)間和睡眠質(zhì)量數(shù)據(jù)；運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)包括步數(shù)、運(yùn)動(dòng)路程、卡路里消耗等數(shù)據(jù)；此外，還可以在氣候監(jiān)測(cè)任務(wù)中實(shí)時(shí)得到外界溫度、氣壓和海拔數(shù)據(jù)。

3.1 跌倒監(jiān)測(cè)算法

意外跌倒是老年人突發(fā)狀況的主要來(lái)源，因此對(duì)老人年的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。監(jiān)測(cè)從技術(shù)分類上出發(fā)，可分為閾值監(jiān)測(cè)[4-6]和基于深度學(xué)習(xí)的監(jiān)測(cè)[7-9]。閾值監(jiān)測(cè)是指將傳感器采集到的加速度等數(shù)據(jù)處理后，與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比對(duì)，從而作出跌倒與否的判斷。該方法實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，對(duì)硬件要求較低，適合手環(huán)等低功耗設(shè)備。而基于深度學(xué)習(xí)的監(jiān)測(cè)對(duì)采集到的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，再部署到硬件設(shè)備中進(jìn)行推理判斷。該方法具有較高的精度，但計(jì)算量過(guò)大，一般的低功耗設(shè)備難以滿足算力和功耗的要求。綜合考量，文中采用閾值監(jiān)測(cè)。

人在跌倒瞬間，人體重心高度會(huì)發(fā)生變化，基于此，較于傳統(tǒng)的基于加速度的閾值監(jiān)測(cè)方法[10-11]，文中提出的監(jiān)測(cè)方案還引入了高度差這一參數(shù)，以進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，具體監(jiān)測(cè)流程如圖7 所示。

圖7 跌倒監(jiān)測(cè)算法流程

首先，從MPU6050 獲取原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到x軸、y軸和z軸的加速度值；從BMP280 獲取氣壓數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換后得到海拔高度數(shù)據(jù)。對(duì)人體跌倒時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，將跌倒監(jiān)測(cè)周期設(shè)置為1 ms。每次監(jiān)測(cè)任務(wù)中，將獲取的x、y、z軸加速度值與前一次數(shù)據(jù)分別作差后取絕對(duì)值再求和，得到合加速度差，若該值未超過(guò)閾值th_v，則未發(fā)生跌倒；反之，進(jìn)行高度差的判斷。只有當(dāng)高度差也超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值th_h時(shí)，才會(huì)觸發(fā)跌倒標(biāo)志，并將跌倒信息發(fā)送至APP端，進(jìn)行后續(xù)求救信息發(fā)送等操作。

3.2 睡眠監(jiān)測(cè)算法

對(duì)老年人睡眠監(jiān)測(cè)的方式有多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)(PSG)、基于脈搏血氧的監(jiān)測(cè)、基于腕動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)等方式[12-15]，其中，前兩種睡眠監(jiān)測(cè)方式技術(shù)復(fù)雜，且價(jià)格昂貴，難以應(yīng)用到手環(huán)上；而基于腕動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)方式利用三軸加速度值實(shí)現(xiàn)睡眠監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)成本低，易于部署到手環(huán)上。

文中基于腕動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)睡眠監(jiān)測(cè)，具體流程如圖8 所示。對(duì)六軸傳感器采集到的數(shù)據(jù)作預(yù)處理，將得到x軸、y軸和z軸的合加速度值作為腕動(dòng)數(shù)值量，將其和預(yù)設(shè)閾值th_s 比較，若大于閾值，則計(jì)數(shù)器加1。采樣頻率為1 kHz，以1 min 作為最小睡眠單元，當(dāng)采集時(shí)間達(dá)到1 min 時(shí)，統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)器的有效值，并和前后相鄰4 min 的數(shù)據(jù)一起代入式（2）中計(jì)算，若計(jì)算值小于1，則睡眠時(shí)間加1。

圖8 睡眠監(jiān)測(cè)算法流程圖

式（2）是在John B.Webster于1982 年在《An Activity-Based Sleep Monitor Systemor Ambulatory Use》中所提的睡眠監(jiān)測(cè)方法上修改而來(lái)，其中D是睡-醒狀態(tài)值，當(dāng)D小于1 時(shí)，處于覺(jué)醒狀態(tài)；反之，處于睡眠狀態(tài)。A-2、A-1、A0、A1、A2是當(dāng)前這1 min 和前后相鄰4 min 的腕活動(dòng)量，即計(jì)數(shù)器的有效值。P-2、P-1、P0、P1、P2是用于調(diào)節(jié)算法靈敏度的縮放因子。

3.3 GUI設(shè)計(jì)

為增強(qiáng)手環(huán)界面的顯示效果，采用LVGL 進(jìn)行GUI 設(shè)計(jì)[16]，LVGL 是一個(gè)開(kāi)源輕量級(jí)圖形庫(kù)，兼容性強(qiáng)，可以很好地嵌入到手環(huán)系統(tǒng)中。GUI 分為主頁(yè)、菜單頁(yè)、應(yīng)用頁(yè)三級(jí)界面，如圖9 所示。其中，主頁(yè)顯示時(shí)間、運(yùn)動(dòng)步數(shù)、藍(lán)牙連接狀態(tài)、電池狀態(tài)等信息；菜單頁(yè)用于切換應(yīng)用頁(yè)的顯示；應(yīng)用頁(yè)則分別顯示各項(xiàng)健康參數(shù)、系統(tǒng)信息等。

圖9 GUI部分界面圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

文中以跌倒監(jiān)測(cè)、睡眠時(shí)間和運(yùn)動(dòng)步數(shù)3 項(xiàng)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，以驗(yàn)證系統(tǒng)功能的可行性。針對(duì)跌倒監(jiān)測(cè)，選取3 位測(cè)試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確率，測(cè)試者佩戴手環(huán)，身體直立，手臂自然下垂；測(cè)試內(nèi)容分為前摔、后摔、側(cè)摔、坐下和躺下5種行為，每種行為測(cè)試50 次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，跌倒監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率在90%以上，而對(duì)正常行為的誤判不超過(guò)2%。

表1 跌倒監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

睡眠測(cè)試以23:00～9:00 為測(cè)試區(qū)間，測(cè)試者手腕上同時(shí)佩戴文中所設(shè)計(jì)手環(huán)和專業(yè)健康監(jiān)測(cè)手表，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示，由表2 可知，所設(shè)計(jì)手環(huán)的監(jiān)測(cè)誤差在15%以內(nèi)。

表2 睡眠監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為測(cè)試計(jì)步器功能，測(cè)試者以勻速行走100 步，并保持手臂較大的擺幅，測(cè)試結(jié)果如表3 所示，由表3 可知，步數(shù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率在95%以上。

表3 步數(shù)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述測(cè)試結(jié)果，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)基本滿足功能需求，可行性較高。

5 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一種老年人健康監(jiān)測(cè)的手環(huán)系統(tǒng)，給出了跌倒監(jiān)測(cè)、睡眠監(jiān)測(cè)等健康參數(shù)監(jiān)測(cè)的方案，實(shí)際測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)均滿足了實(shí)驗(yàn)要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。然而，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果都在較為理想的實(shí)驗(yàn)條件下所得，如何將其有效地應(yīng)用于復(fù)雜多變的日常生活環(huán)境中，在未來(lái)的研究中將進(jìn)一步完善。