基于STM32及北斗定位的老年人自動監(jiān)護(hù)報警系統(tǒng)

杜云海，丁文靜，張梓涵，蔣佳彤，張 旭

（1.金陵科技學(xué)院 國際教育學(xué)院，江蘇 南京 211169；2.金陵科技學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

隨著我國人口老齡化問題的加劇，老齡人口占總?cè)丝诘谋戎卦诓粩嗌?，空巢老人的?shù)量也在不斷增加；很多老年人缺少專門的看護(hù)，他們的生活健康問題難以得到及時救助，從而造成了一些悲劇。因此，當(dāng)今社會關(guān)于老年人安全保障和幸福養(yǎng)老方面的需求在不斷增加。

近些年，隨著通信和定位技術(shù)的發(fā)展，給當(dāng)前社會熱點問題提供了新的技術(shù)支撐，如搜救等現(xiàn)實問題的解決，同時也給研究人員帶來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。為此，研究人員提出了大量解決方案，文獻(xiàn)[3]提出了一種實時監(jiān)測老年人生理信號的可穿戴系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]提出了老年人穿戴式智能產(chǎn)品的設(shè)計原則和設(shè)計要點；文獻(xiàn)[5]研究了一種實時動態(tài)檢測老年人是否跌倒的穿戴式監(jiān)測系統(tǒng)；文獻(xiàn)[6]通過最大類間方差法和三幀時間差分法進(jìn)行了自然背景和光照條件下室內(nèi)運動人體目標(biāo)的分割及運動狀態(tài)的檢測，從而對獨居老年人的狀態(tài)進(jìn)行檢測；文獻(xiàn)[7]提出了一種基于改進(jìn)codebook算法的老年人跌倒檢測方法。

綜合分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前產(chǎn)品將功能進(jìn)行集成化的較少，且操作相對復(fù)雜，過多依賴于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。本設(shè)計基于STM32及北斗定位開發(fā)了老年人自動監(jiān)護(hù)報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)以一種簡便易操作的方式向用戶呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，能自動地將數(shù)據(jù)寫入服務(wù)器，并將有效數(shù)據(jù)信息實時同步顯示在相應(yīng)的網(wǎng)頁上。

1 客戶端設(shè)計

1.1 功能簡介

根據(jù)實際需求分析，客戶端主要實現(xiàn)以下功能：位置信息獲取、心率血氧信息獲取、溫濕度信息獲取、用戶交互、緊急短信和數(shù)據(jù)發(fā)送。服務(wù)器端主要實現(xiàn)兩個功能：數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)庫寫入。各功能說明如下：

（1）位置信息獲取：使用北斗天線及EC20模塊實時獲取當(dāng)前位置信息。

（2）心率血氧信息獲?。和ㄟ^心血氧傳感器，對用戶的心血氧數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

（3）溫濕度信息獲?。和ㄟ^溫濕度傳感器，對用戶所處環(huán)境溫濕度信息進(jìn)行采集。

（4）用戶交互：在客戶端設(shè)置一個屏幕和4個按鈕，方便用戶對功能的選擇。

（5）緊急短信：在發(fā)生緊急情況時，客戶端能夠自動通過基站向預(yù)留的號碼發(fā)送包含老年人地理位置的短信，用戶也可以自行手動發(fā)送。

（6）數(shù)據(jù)的發(fā)送：客戶端能夠通過4G網(wǎng)絡(luò)不間斷地向主機(jī)發(fā)送包含各項傳感器數(shù)據(jù)的UDP數(shù)據(jù)包。

（7）數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)庫寫入：服務(wù)器端通過運行Java腳本的方式自動完成UDP數(shù)據(jù)包接收、字符串處理以及MySQL數(shù)據(jù)庫寫入。

1.2 硬件部分

本項目客戶端硬件連接情況如圖1所示，主要包括MCU、EC20、MAX30102心血氧模塊、MPU-6050陀螺儀、按鈕模塊、0.96寸OLED屏等模塊。

圖1 硬件連接示意圖

1.3 核心MCU

在本設(shè)計中，開發(fā)板所采用的MCU型號為STM32F407ZET6，是整個系統(tǒng)的核心控制模塊。該開發(fā)板包含一個EC20模塊，此模塊通過串口通信與MCU相連接（如圖2所示）。通過EC20自帶的AT命令可以實現(xiàn)MCU對EC20模塊的操控，從而實現(xiàn)UDP數(shù)據(jù)包發(fā)送、北斗信息接收以及短信發(fā)送功能。

圖2 EC20硬件

1.4 MAX30102心血氧模塊

本項目采用的心血氧模塊為MAX30102，其原理如圖3所示。通過LED燈主動發(fā)出紅光并經(jīng)過血管反射后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對信號進(jìn)行分析，得到當(dāng)前心率。該模塊包含一個LED燈以及一個光敏傳感器。當(dāng)LED光射向皮膚，透過皮膚組織后，反射回的光被光敏傳感器接收并轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行濾波和分析。計算電信號周期性變換頻率即為心率。同時，由于不同含氧量的血液對光的吸收程度不同，對反射回來的光進(jìn)行分析并對血氧飽和度進(jìn)行定義，如下：

圖3 MAX30102硬件原理

根據(jù)公式（1）可以計算出當(dāng)前血氧濃度。在本項目中，MCU通過模擬SPI協(xié)議讀取MAX30102采集到的數(shù)據(jù)，協(xié)議時序如圖4所示。采集過程中，心率波形能夠?qū)崟r在OLED屏上顯示，并實時顯示相應(yīng)心率血氧信息。

圖4 MAX30102驅(qū)動時序示意圖

1.5 DHT11溫濕度傳感器

本項目采用的溫濕度傳感器為DHT11，該傳感器通過一根雙向的總線與MCU進(jìn)行通信，連接示意圖和總線時序分別如圖5、圖6所示，從而獲取溫濕度信息，并在屏幕上顯示。

圖5 DHT11連接示意圖

圖6 DHT11總線時序

1.6 0.96寸OLED顯示屏

0.96寸的OLED顯示屏（如圖7所示），該顯示器通過SCI協(xié)議與MCU進(jìn)行通信?；诖?，本文設(shè)計了人機(jī)交互界面。用戶可以通過該界面看到實時時間，通過按鈕選擇相應(yīng)功能（如溫濕度、心血氧）；在選擇相應(yīng)功能后，顯示屏可以根據(jù)用戶需求呈現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖7 0.96寸的OLED顯示屏

1.7 FreeRtos操作系統(tǒng)

本系統(tǒng)移植了FreeRtos操作系統(tǒng)。FreeRtos能夠?qū)CU的內(nèi)存資源、運算資源、時序資源進(jìn)行合理的調(diào)度，同時運行多項任務(wù)（如圖8所示），并實時響應(yīng)中斷。通過該操作系統(tǒng)，能夠在同一時間對不同傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，并實時發(fā)送到上位機(jī)。

圖8 FreeRtos任務(wù)調(diào)度示意圖

2 服務(wù)器端設(shè)計

2.1 需求分析

當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，萬物互聯(lián)時代離人們的生活也越來越近，在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代也同步出現(xiàn)了隨時隨處皆可獲得感興趣信息的需求，在不同的老年人監(jiān)測系統(tǒng)中也能看到相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。

本文的設(shè)計采用了一種可行的、錯誤率更低的信息傳遞方式，傳遞過程如圖9所示。在正常情況下監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)板采集用戶數(shù)據(jù)之后，通過攜帶的4G模塊將數(shù)據(jù)以UDP數(shù)據(jù)包形式發(fā)送至公網(wǎng)，隨后遠(yuǎn)程設(shè)立固定IP服務(wù)器使用持續(xù)運行的腳本監(jiān)聽本機(jī)端口，獲取數(shù)據(jù)包后解碼并寫入數(shù)據(jù)庫。同時，用戶和緊急聯(lián)系人都可以通過任意連接至公網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如手機(jī)、平板、個人電腦）訪問該服務(wù)器，獲取實時信息。

圖9 老年人監(jiān)測系統(tǒng)傳導(dǎo)方案

2.2 框架搭建

設(shè)計采用較為傳統(tǒng)的服務(wù)器搭建模式，結(jié)合HTML、JavaScript、PHP技術(shù)設(shè)計了網(wǎng)頁，通過MySQL搭建數(shù)據(jù)庫，并使用了Windows Sever+Apache的服務(wù)器結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)寫入端則由持續(xù)運行的Java腳本完成。本組采用的開發(fā)工具為AdobeDreamweaver 2019，服務(wù)器使用的是阿里云服務(wù)器。項目組的硬件部分對用戶的數(shù)據(jù)采集主要集中在三個方面：（1）用戶所在的地理位置經(jīng)緯度坐標(biāo)；（2）用戶所處環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)；（3）用戶的心率血氧信息。其中前兩個信息為實時信息，每隔15 s錄入一次數(shù)據(jù)庫，第三個為選擇性信息，僅當(dāng)用戶使用該功能時才會輸入數(shù)據(jù)。通過以上需求分析，制作五個功能模塊，分別是主頁、地圖、心率血氧、溫濕度和“關(guān)于我們”。簡潔的頁面和大型的字體更有利于老年人使用，而固定IP服務(wù)器則方便遠(yuǎn)程調(diào)試，如圖10所示。

圖10 服務(wù)器配置桌面截圖

2.3 功能實現(xiàn)

如圖11所示，本頁面核心內(nèi)容為百度地圖API對象，對接的核心用JavaScript創(chuàng)建地圖對象并選取中心點變量和調(diào)用數(shù)據(jù)庫里存取的信息。為了方便后續(xù)程序擴(kuò)展，記錄了詳細(xì)的時間、位置等信息。

圖11 地圖頁面反饋流程

相較于地圖頁面反饋方式，心率血氧的反饋方式較為簡單，只需要以表單形式從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)即可，以溫濕度傳感器的反饋為例進(jìn)行介紹。如圖12所示，本頁面調(diào)用Echarts繪圖工具的JavaScript腳本，溫濕度數(shù)據(jù)存儲形式與坐標(biāo)信息相似，但由于環(huán)境溫濕度變化較小，數(shù)據(jù)-時間抽樣率較高，因此調(diào)用樣本數(shù)據(jù)時采用的是MySQL自帶的AVG函數(shù)。

圖12 溫濕度頁面反饋流程

2.4 前端網(wǎng)頁

基于上述技術(shù)，最終的設(shè)計實現(xiàn)在線地圖功能，該地圖能夠?qū)崟r讀取數(shù)據(jù)庫最新的北斗模塊定位坐標(biāo)并顯示。同時能夠讀取最新心血氧數(shù)據(jù)以及當(dāng)天的溫濕度信息，并通過文字、折線圖的形式簡潔直觀地進(jìn)行展現(xiàn)。

3 實驗結(jié)果

圖13為心血氧數(shù)據(jù)采集頁面，圖14為溫濕度數(shù)據(jù)采集頁面，可以看出客戶端能夠?qū)崿F(xiàn)對老年人的生理信息、周圍環(huán)境信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。圖15為地圖頁面，圖16為一段時間內(nèi)的溫濕度變化趨勢折線圖。系統(tǒng)可實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時采集和記錄客戶端的信息數(shù)據(jù)。

圖13 心血氧數(shù)據(jù)采集頁面

圖14 溫濕度數(shù)據(jù)采集頁面

圖15 地圖頁面

圖16 溫濕度變化趨勢折線

4 結(jié) 語

目前我國老齡化問題日益加劇，對老年人缺乏精心合理的監(jiān)護(hù)。因此，在未來借助智能設(shè)備的養(yǎng)老將會成為主流發(fā)展趨勢。本文主要介紹了基于STM32及北斗定位的老年人自動監(jiān)護(hù)報警系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計原理，并展示和分析了測試結(jié)果。本設(shè)計實現(xiàn)了遠(yuǎn)程查詢老年人的位置、心血氧、周圍環(huán)境等信息的功能；在此基礎(chǔ)上能夠?qū)崟r地將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器并寫入數(shù)據(jù)庫，同時可以在頁面上進(jìn)行可視化查看，在老年人遇險時能自動發(fā)送求助短信。未來將進(jìn)一步地對客戶端硬件電路板進(jìn)行設(shè)計，加大硬件端的集成度，還將考慮增加運動記錄功能，例如步數(shù)統(tǒng)計、運動消耗統(tǒng)計等，從而實現(xiàn)判斷每日運動情況是否合理且達(dá)標(biāo)的目的。