基于Arduino的可穿戴監(jiān)護裝置

操德文，劉桂江，潘成林，朱 勇

（安慶師范大學(xué) 計算機與信息學(xué)院，安徽 安慶 246133）

0 引 言

近年來，我國逐漸進入人口老齡化社會，老年人的健康護理成為了一個棘手的問題，尤其是老年人普遍面臨身體機能退化的困境，相關(guān)的護理工作對人力資源的需求極高，傳統(tǒng)的人力看護與檢測手段已越來越難以滿足不斷增加的老齡人口的需求。為此，設(shè)計一款老年人可穿戴看護裝置，以期在最大程度上保護老年人免受意外情況帶來的健康損害。

目前，對于年齡較大或者患有慢性疾病的老年人的看護，一般依賴于護工或家人進行一對一的陪伴或照看，對人力投入的要求極高；但在實際情況中看護人員很難做到無時無刻跟隨關(guān)注老人動向，尤其在發(fā)生摔倒之類的突發(fā)狀況時，這些漏洞都降低了看護工作的可靠性。其次，市場已經(jīng)出現(xiàn)的一些看護裝置存在著操作繁瑣等缺點，沒有針對老人學(xué)習(xí)能力較差、身體機能退化做出相應(yīng)的設(shè)計優(yōu)化，也給這些產(chǎn)品的推廣帶來一些困難。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本穿戴裝置目標(biāo)人群是身體機能退化的老年人用戶，功能定位于對老人心率及血氧狀況的檢測與顯示，在摔倒時及時通知監(jiān)護人或醫(yī)療部門。為實現(xiàn)上述功能，對心率傳感器的采樣數(shù)據(jù)進行處理，通過OLED屏幕顯示，實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的可視化；其次，通過對內(nèi)置陀螺儀采集的加速度及方位數(shù)據(jù)進行算法判斷，以決定是否觸發(fā)警報，經(jīng)由云平臺向親屬或醫(yī)護人員傳送信息。

監(jiān)護裝置系統(tǒng)功能框架如圖1所示。系統(tǒng)首先通過心率血氧以及加速度陀螺儀兩種傳感器采集被看護人生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)過串口將數(shù)據(jù)上傳到Arduino Nano板，處理器將對數(shù)據(jù)進行分析轉(zhuǎn)化并實時顯示在OLED屏幕上。對于加速度陀螺儀傳感器所采集的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)處于正常范圍時，系統(tǒng)處于靜息狀態(tài)；一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)超出正常范圍，系統(tǒng)將立刻觸發(fā)警報程序，首先上報云平臺，接著由云平臺的觸發(fā)器下發(fā)信息到監(jiān)護人手機或其他設(shè)備，告知監(jiān)護人意外情況的發(fā)生，從而可以采取相應(yīng)的急救措施。

圖1 監(jiān)護裝置系統(tǒng)功能框架

考慮到老年人普遍面臨運動能力下降、手腳活動不便的問題，將裝置設(shè)計為自動適應(yīng)佩戴者手腕并收緊的結(jié)構(gòu)，通過一組觸摸傳感器與減速馬達實現(xiàn)皮膚接觸時收緊表帶。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先使用SolidWorks對裝置進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模。圖2為裝置的外觀結(jié)構(gòu)示意圖。從外觀上看，裝置包含了一塊顯示心率和血氧水平的OLED屏幕以及一條可以自動感應(yīng)皮膚接觸并收緊的表帶。結(jié)合內(nèi)部的陀螺儀傳感器，可以監(jiān)測佩戴者的身體運動狀態(tài)，從而可以在老人摔倒時將警報信息通過通信組件發(fā)送至云平臺。

圖2 看護裝置外觀示意圖

內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，OLED顯示屏與無線充電線圈位于裝置最上層，接下來是電池、表帶的收放系統(tǒng)及用于控制傳感器的主板和通信模塊。

圖3 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

充電時，只須將無線充電發(fā)射端靠近裝置，兩者會通過磁力自動吸附（如圖4所示），避免了老人充電時難以對準(zhǔn)插口的難題，實現(xiàn)了防呆設(shè)計。

圖4 無線充電結(jié)構(gòu)

表帶自適應(yīng)收放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，上部的杠桿結(jié)構(gòu)一端穿過減速馬達樞軸，另一端連接貫穿于表帶的繩索。樞軸旋轉(zhuǎn)時帶動輪軸收放繩索，牽引杠桿結(jié)構(gòu)向下，通過放置在兩個結(jié)構(gòu)組件之間的薄膜壓力傳感器，可以反映裝置與佩戴者手腕之間的壓力變化。在達到設(shè)定的閾值之后，馬達停止運轉(zhuǎn)，減速馬達中的蝸桿齒輪組立即自鎖，從而限制表帶的滑動。

圖5 自適應(yīng)收放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件的組成可簡化為如圖6所示的結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)上電運行后，Arduino從通信總線收集MPU6050與MAX30102采集的生理和運動數(shù)據(jù)；通過信號轉(zhuǎn)化與檢測后，將心率值與血氧含量在SSD1306 OLED上繪圖顯示輸出，并判斷是否有摔倒情況發(fā)生，一旦判定為真，將觸發(fā)警報，改變M5311通信模塊對云平臺上報的數(shù)據(jù)流，平臺檢測到數(shù)據(jù)流的變化，啟動預(yù)先設(shè)置的郵件觸發(fā)器，發(fā)送警報郵件給監(jiān)護人或醫(yī)護人員。

圖6 系統(tǒng)硬件組成

3.1 Arduino Nano板

控制電路選擇了Arduino Nano板，它以ATMEGA328 MCU控制器為基礎(chǔ)，基本功能與Arduino Duemilanove相同，但是采用了不同的封裝方式。Arduino Nano取消了直流電源插孔，并使用Mini-B USB傳輸線代替了標(biāo)準(zhǔn)傳輸線，這些設(shè)計都大大減小了它對空間的占用。從電池容量、體積和充放電性能等方面綜合考量，選用鋰電池，配合升壓電路，滿足系統(tǒng)對供電的需求。

3.2 心率血氧傳感器

依據(jù)該系統(tǒng)的設(shè)計思路和要求，選取MAX30102模塊作為檢測心率和血氧的傳感器。MAX30102為集成的脈搏血氧飽和度和心率監(jiān)測提供了解決方案，包含兩個LED光電檢測器（可見光和紅外光）、一個低噪聲模擬信號處理電路，可檢測脈搏血氧飽和度和心率信號。它將數(shù)字輸出數(shù)據(jù)存儲在設(shè)備內(nèi)的32位寄存器中，且具有一個IC數(shù)字接口，可與主機微控制器通信。MAX30102的脈搏血氧飽和度子系統(tǒng)，包括環(huán)境光消除（ALC）、18位sigma delta ADC和專有的離散時間濾波器。它具有超低功耗的優(yōu)點，因此非常適合用于電池供電的裝置。MAX30102具備接近檢測功能，可以減少待機狀態(tài)下的功耗和可見光發(fā)射。因此廣泛運用于可穿戴設(shè)備、健身輔助設(shè)備、醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備等。

3.3 SSD1306 OLED顯示模塊

SSD1306是一種由單芯片CMOS OLED/PLED驅(qū)動器控制的有機聚合物發(fā)光二極管點矩陣圖形顯示系統(tǒng)。它由128個橫向像素和64個縱向像素組成，顯示面積0.96 in。SSD1306將對比度控制電路、顯示RAM和振蕩器集成在PCB板上，從而減少了外部組件的數(shù)量，進而降低了功耗。它可以進行256級亮度調(diào)節(jié)，適用于許多消費電子產(chǎn)品，例如智能手表、智能汽車上相機的即時圖像顯示、電池設(shè)備管理等。

3.4 加速度陀螺儀傳感器

在使用傳感器采集佩戴裝置者手腕運動的方位及加速度信息之后，通過數(shù)據(jù)處理，可以判斷人體運動姿勢的大致情況，得益于微機電系統(tǒng)技術(shù)（MEMS）的不斷發(fā)展和應(yīng)用，MPU6050實現(xiàn)了慣性器件的微型化，它包含一個三軸加速度計和一個三軸陀螺儀，可以測量速度、方向、加速度、位移和其他類似運動的特征。

3.5 通信模塊

M5311模組是建立在MT2625平臺的NB-IoT模組，它主要應(yīng)用在眾多低功耗的數(shù)據(jù)傳輸場景中。M5311滿足 3GPP Release13的標(biāo)準(zhǔn)，是應(yīng)用LCC封裝技術(shù)的貼片式模組，擁有多達40個管腳，而尺寸僅有16 mm×18 mm×2.2 mm。

4 軟件設(shè)計

4.1 摔倒檢測程序

電路圍繞Arduino Nano板和MPU6050模塊構(gòu)建。MPU6050由三軸陀螺儀、三軸加速度計、數(shù)字運動處理器組成。通過IC連接傳感器，從而獲得完整的九軸運動融合輸出。在數(shù)據(jù)收集方面，將MPU6050模塊的模擬信號輸入Arduino Nano，MPU6050模塊采集輸出值，分別為三個加速度值和一個陀螺儀值，并使用IC協(xié)議進行通信。在佩戴者意外摔倒時，加速度會出現(xiàn)明顯的變化，將以此作為姿態(tài)判斷的關(guān)鍵判據(jù)，再結(jié)合陀螺儀采集的角度變化隨時間的變化關(guān)系，最終判斷是否有摔倒情況發(fā)生，程序運行流程如圖7所示。

圖7 摔倒檢測程序流程

4.2 心率及血氧檢測電路與程序

對于心率血氧數(shù)據(jù)，連接MAX30102心率血氧傳感器模塊與Arduino Nano，在測量心率和血氧濃度時Arduino Nano對從MAX30102采集的信號進行采樣，并通過串口通信將數(shù)據(jù)值顯示在SSD1306模塊上。

4.3 NB-IoT通信協(xié)議與程序

在本設(shè)計中，為了對接移動OneNET平臺，采用了LWM2M（LightWeight M2M）通信協(xié)議。LWM2M協(xié)議由OMA-DM協(xié)議發(fā)展而來，是一種輕量級的協(xié)議，適用于各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。在本裝置中，由串口通過M5311向OneNET平臺發(fā)起注冊與通信。

4.4 云平臺的配置

首先，在移動OneNET平臺建立產(chǎn)品和設(shè)備，填寫設(shè)備IMEI和IMSI，這將為設(shè)備接入時提供重要鑒權(quán)信息，這兩項數(shù)值可以通過AT指令取得。觸發(fā)器將在數(shù)據(jù)流異常時向賬號所綁定的郵箱發(fā)送一條提醒郵件。

5 功能測試

打開裝置開關(guān)，測試心率和血氧的檢測與顯示功能。將手指放置于血氧傳感器下，屏幕顯示當(dāng)前心率值、波形圖及血氧百分比，原型機測試如圖8所示。

圖8 心率血氧顯示功能的原型機測試

將裝置快速甩動，未發(fā)出警報，平臺亦無提醒郵件發(fā)送，確定該功能不會因為日常大幅度快速運動而觸發(fā)。將裝置抬高至距離地面1 m高度后拋下，模擬摔倒時的身體運動情況，連接在警報引腳的紅色LED燈亮起，手機郵箱收到一封OneNET平臺下發(fā)的警報郵件（如圖9所示），證明摔倒警報功能正常。

圖9 摔倒警報功能測試

6 結(jié) 語

本文設(shè)計了基于Arduino的老年人可穿戴監(jiān)護裝置，通過心率血氧以及加速度陀螺儀等傳感器采集被看護人的生理指標(biāo)，將心率和血氧含量實時顯示在可穿戴屏幕上。當(dāng)佩戴者處于日常生活運動狀態(tài)時，警報功能處于靜息狀態(tài)；一旦運動監(jiān)測數(shù)據(jù)超出正常范圍，系統(tǒng)將立刻觸發(fā)警報程序，并上報云平臺；接著由云平臺的觸發(fā)器下發(fā)信息到監(jiān)護人手機或其他設(shè)備，及時告知監(jiān)護人或醫(yī)護人員意外情況的發(fā)生，從而第一時間采取相應(yīng)的緊急措施。本裝置具有心率血氧檢測、跌倒警報和自適應(yīng)收放佩戴等功能，功能設(shè)計友好，使用簡便，運行穩(wěn)定，具有較大的應(yīng)用和發(fā)展前景。