“安護(hù)”便攜式腕帶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李凱峰, 王南蘭

(湖南文理學(xué)院計(jì)算機(jī)與電氣工程學(xué)院, 湖南常德,415000)

第七次全國人口普查結(jié)果表明,60 歲及以上人口達(dá)到26 402 萬人, 超過總?cè)丝诘?8%[1]。到2050年,60 歲以上老人在人口中的占比將達(dá)到30%, 這使得我國面臨著極大的養(yǎng)老壓力。同時, 有研究指出,隨著年齡的增加, 器官感覺和骨骼的功能都不斷減退, 使得老人在日常生活中相較之年輕人更容易跌倒, 跌倒的后果也更加嚴(yán)重。再加上身體本身存在的其他問題, 跌倒成為了老人受傷乃至死亡的重要因素[2]。跌倒帶來的影響除了身體上的, 還有部分是在心理上。許多老人因?yàn)楹ε碌巩a(chǎn)生的后果, 導(dǎo)致其外出和生活上的不便。市場上有不少能幫助老人在跌倒后獲取幫助的產(chǎn)品, 在對其特征進(jìn)行分析研究后, 針對老年人的使用特點(diǎn), 設(shè)計(jì)上盡可能地方便老人使用。相比于主流的智能設(shè)備, 腕帶采用簡易顯示屏、大按鍵和語音播報(bào)組成的交互系統(tǒng), 在滿足基本需求的基礎(chǔ)上, 盡可能的減小老人使用過程的復(fù)雜程度。在保證為老人提供緊急幫助的同時, 也希望將腕帶的使用融入到老人的日常生活。

在老人的日常生活中, 該腕帶可以為使用者提供心率、血氧等信息。為使用者提供運(yùn)動、生活時的參考。通過后臺不斷記錄、存儲這些信息, 也可以為醫(yī)療機(jī)構(gòu)、家屬提供老人的心率、血氧變化情況, 便于使用者的醫(yī)療診斷。當(dāng)老人需要幫助時, 也可以通過設(shè)置的按鈕便捷地向家屬或有關(guān)機(jī)構(gòu)發(fā)出帶有位置、心率等信息的求助信息。在老人出現(xiàn)意外跌倒的情況下, 系統(tǒng)將通過多個步驟確認(rèn)老人的情況, 主動將求助信息發(fā)送給家屬或有關(guān)機(jī)構(gòu)。

1 總體設(shè)計(jì)

腕帶部分的硬件設(shè)計(jì)如圖1 所示，主要由控制模塊、電源模塊、顯示模塊、語音模塊、通訊模塊、定位模塊、心率模塊和運(yùn)動傳感器模塊等構(gòu)成。

圖1 腕帶部分硬件設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32 控制模塊

本設(shè)計(jì)采用的STMF103 芯片是意法半導(dǎo)體集團(tuán)為嵌入式應(yīng)用開發(fā)的STM32 系列芯片, 性能和能耗之間較平衡的產(chǎn)品。

2.2 MAX30102 心率血氧模塊

MAX30102 集成了一個660 nm 紅光、880 nm 紅外光LED, 通過光電檢測器將反射回的光信號轉(zhuǎn)換為電信號, 并通過高精度的ADC 電路測量電流的大小, 以此計(jì)算血液中的氧含量。并通過交流信號中波峰與波谷的值得到心率信號[3]。

MAX30102 內(nèi)部電路采用1.8 V 供電, 同時使用5 V 獨(dú)立電源為LED 光源供電。標(biāo)準(zhǔn)I2C 兼容通信接口[4]。通過在PCB 板上集成穩(wěn)壓電路, 可實(shí)現(xiàn)5.0 V 電源的直接供電。MAX30102 內(nèi)部自帶環(huán)境光抑制系統(tǒng), 可通過軟件實(shí)現(xiàn)關(guān)斷以降低能耗。連接如圖2 所示。

圖2 MAX30102 連接圖

2.3 MPU9250 運(yùn)動模塊

MPU9250 為各三軸的陀螺儀、加速度計(jì)以及磁力計(jì)共同組成的九軸傳感器[5]。

MPU9250 提供400 KHz 的傳輸速率, 每軸分別輸出16 位的數(shù)字量。其陀螺儀的量程可以在±250、±500、±1000、±2000 s 速率編程。加速度計(jì)可通過編程選擇±2、±4、±8、±16 g 量程范圍。三軸磁力傳感器由霍爾效應(yīng)傳感器采集地磁場在X、Y、Z 軸上的信號得到, 用于提升測量的精準(zhǔn)度。所用的芯片原理圖如圖3 所示。

圖3 MPU9250 原理圖

2.4 人機(jī)交互模塊

為了適應(yīng)老年人使用電子設(shè)備的特點(diǎn)與控制腕帶的生產(chǎn)成本, 采用大按鈕、簡易顯示屏和語音系統(tǒng)組成。較大的按鈕和語音播報(bào)可以在老人看不清楚的情況下, 盡可能使腕帶的功能簡潔明了, 避免了智能觸控屏幕使用不便和較高成本的弊端。大按鈕的設(shè)計(jì)使得老人就算在神志比較模糊的情況下也可以使用腕帶的交互功能, 通過腕帶尋求家人或有關(guān)機(jī)構(gòu)的幫助。

2.5 通訊模塊

利用EC20CEFRG-512-SGNS 模塊實(shí)現(xiàn)4G 通訊、WIFI 和GPS 定位功能, 使得老人無論在戶外或是在家附近都可以使用腕帶的功能。同時基于模塊適應(yīng)的通訊協(xié)議, 開發(fā)基于Android 端的手機(jī)APP,使得老人的信息可以無阻礙地分享到家屬和有關(guān)機(jī)構(gòu)的手機(jī)中, 共同守護(hù)老人的安全。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

在日常使用部分, 設(shè)計(jì)為使用者提供實(shí)時的心率和血氧信息。當(dāng)使用者發(fā)生意外跌倒等情況時, 內(nèi)置的定位系統(tǒng)將利用解碼函數(shù)將實(shí)時獲取到的經(jīng)緯度信息分離。主控板通過串口接收到數(shù)據(jù)之后, 將位置信息與心率、血氧等信息通過特定格式編碼, 再通過通訊模塊將信息傳遞給家屬或有關(guān)機(jī)構(gòu)。整體運(yùn)行圖如圖4 所示。

圖4 整體運(yùn)行示意圖

3.2 MUP9250 姿態(tài)的位置速度

MUP9250 姿態(tài)的位置速度通過角速度和加速度數(shù)據(jù)解算出腕帶在空間中的相對位置坐標(biāo)和相對速度[6], 并結(jié)合地磁傳感器的數(shù)據(jù)對解算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度的校正[7-8]。

在誤差的處理方面, 當(dāng)腕帶處于長時間的靜止?fàn)顟B(tài)時, 對傳感器進(jìn)行重新校正。同時, 考慮到人的活動不同于機(jī)械的不斷運(yùn)動, 在日?；顒又? 有許多加速度和速度都為零的點(diǎn), 通過直接將這些點(diǎn)處的加速度和速度清零, 可以避免出現(xiàn)累計(jì)誤差。示意圖見圖5 所示。

圖5 通過解算得到腕帶相對位置

3.3 判斷跌倒

結(jié)合腕帶姿態(tài)數(shù)據(jù), 分析使用者的不同運(yùn)動狀態(tài)。以大幅度運(yùn)動或較大加速度的動作作為跌倒判斷的啟動特征。結(jié)合該特征出現(xiàn)前后一定時間內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù), 分析運(yùn)動狀態(tài)判斷老人是否跌倒。示意圖如圖6 所示[9]。

圖6 判斷使用者是否跌倒

3.4 警報(bào)的發(fā)出

設(shè)計(jì)通過人機(jī)交互按鈕為使用者提供主動發(fā)出警報(bào)的功能, 使用者可以直接向家屬或有關(guān)機(jī)構(gòu)發(fā)出需要幫助的請求[10]。在老人跌倒后, 為避免出現(xiàn)誤判的風(fēng)險, 腕帶通過自身振動和語音系統(tǒng)發(fā)出提示,詢問老人是否需要幫助。在使用者選擇“是”或無應(yīng)答時, 系統(tǒng)向預(yù)設(shè)好的家屬端發(fā)出包括位置和心率在內(nèi)的求助信息。示意圖如圖7 所示。

圖7 判斷是否發(fā)出警報(bào)

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)僅依靠手腕處手環(huán)的慣性傳感器和輔助脈搏測量模塊進(jìn)行判定, 這樣的判定方式可以使老人佩戴更加方便, 在能監(jiān)控老人的同時也不影響老人的正?；顒印?/p>

此外, 基于手腕處的設(shè)備還可以更方便的進(jìn)行升級, 監(jiān)視心跳, 短信息通訊, 手電筒之類的方便老人使用的功能。在提高老人安全性的同時, 盡可能的不影響老人的正常生活, 并在此基礎(chǔ)上一定程度地提高老人的生活質(zhì)量。