基于STM32的高齡老人智能看護(hù)終端設(shè)計(jì)
2023-08-21 11:19:41扈書(shū)亮韓淼王會(huì)成
現(xiàn)代信息科技 2023年12期
扈書(shū)亮 韓淼 王會(huì)成
摘? 要：結(jié)合單片機(jī)技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)設(shè)計(jì)基于跌倒檢測(cè)的老人看護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)陀螺儀實(shí)時(shí)采集老人身體姿態(tài)，經(jīng)單片機(jī)分析并判斷是否發(fā)生跌倒。若符合跌倒條件，實(shí)現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警現(xiàn)場(chǎng)求救，以及發(fā)送老人定位信息短信進(jìn)行救援呼叫的雙重功能，并設(shè)定跌倒后求助短信發(fā)送延遲時(shí)間，可用手動(dòng)按鍵方式關(guān)閉報(bào)警解除誤判。旨在降低跌倒給老年人帶來(lái)的二次傷害，減少經(jīng)濟(jì)損失，提高老年人的晚年生活品質(zhì)。
關(guān)鍵詞：STM32 MCU；陀螺儀姿態(tài)采集；智能看護(hù)
中圖分類(lèi)號(hào)：TP27? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）12-0170-04
Design of Intelligent Care Terminal for the Elderly Based on STM32
HU Shuliang1， HAN Miao2， WANG Huicheng3
（1.Tianjin Vocational College of Mechanics and Electricity， Tianjin? 300350， China; 2.Tianjin Tianshi College， Tianjin? 301700， China；3.Tianjin Huohua Technology Co.， Ltd.， Tianjin? 300350， China）
Abstract： The elderly care system based on fall detection is designed by combining the Single-Chip Microcomputer technology and mobile communication technology. The body posture of the elderly is collected in real time through the gyroscope， analyze and determine whether a fall has occurred through a Single-Chip Microcomputer. If the conditions for falling are met， the dual functions of buzzer alarm for on-site rescue and sending elderly positioning information SMS for rescue call can be achieved. The delay time for sending help SMS after falling can be set， and the alarm can be manually turned off to resolve misjudgment. The aim is to reduce secondary injuries caused by falls to the elderly， reduce economic losses， and improve the quality of life of the elderly in their later years.
Keywords： STM32 MCU; gyro posture acquisition; intelligent care
0? 引? 言
當(dāng)前社會(huì)老齡化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，人口老齡化比例逐步上升，老人的身體健康和人身安全等問(wèn)題成為亟待解決的問(wèn)題，對(duì)老年人群體威脅最大的是因跌倒引發(fā)的意外傷害，跌倒既可能直接造成身體受傷或致殘，也可能使老年人因畏懼跌倒而不敢進(jìn)行正?；顒?dòng)，這都給老年人的生活造成了不良影響，可以說(shuō)，跌倒已經(jīng)成為威脅老年人健康和安全的最大隱患。
據(jù)衛(wèi)生部門(mén)調(diào)查顯示，65歲以上的高齡人口中，約22%男性與43%女性均有過(guò)跌倒經(jīng)歷。老年人因跌倒引發(fā)的意外傷害占意外傷害比例的78%，65歲及以上的老人發(fā)生跌倒的比例占20%～28%，其中，造成傷害的比例達(dá)高達(dá)70%，10%左右為嚴(yán)重傷害程度。跌倒后未及時(shí)救治會(huì)對(duì)老人造成一定程度的創(chuàng)傷，嚴(yán)重的甚至威脅到生命安全，給老人及其親人帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)，老年人的身體健康和日常生活也將會(huì)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，當(dāng)今社會(huì)應(yīng)對(duì)老年人的日常行動(dòng)安全給予更多的關(guān)注。
綜上，老人看護(hù)系統(tǒng)的研究勢(shì)在必行，為此，利用單片機(jī)技術(shù)和GSM通信技術(shù)，提出了基于跌倒檢測(cè)的老人看護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以便于跌倒后的及時(shí)發(fā)現(xiàn)與救治，降低因跌倒給老年人帶來(lái)的意外傷害，同時(shí)進(jìn)一步減輕跌倒對(duì)于老年人的二次傷害。老人看護(hù)系統(tǒng)為老年人提供了既安全又可靠的生活環(huán)境，能夠檢測(cè)日常活動(dòng)中出現(xiàn)的異常狀態(tài)和不可預(yù)見(jiàn)的突發(fā)情況，并能及時(shí)聯(lián)系相關(guān)看護(hù)人員，讓子女可以隨時(shí)隨地查看老人當(dāng)前的狀態(tài)，既加強(qiáng)親情的交流，又一定程度上輔助解決社會(huì)養(yǎng)老問(wèn)題。
1? 高齡老人智能看護(hù)終端的硬件設(shè)計(jì)
1.1? 總體設(shè)計(jì)方案
方案主要完成基于跌倒檢測(cè)的老人看護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)用性、操作便利性、低成本性等各方面考慮，設(shè)計(jì)功能盡可能多的滿足當(dāng)前市場(chǎng)需求，并具有一定前瞻性，從而保證系統(tǒng)的使用壽命，以便于進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜合以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮因素，基于SMT32的老人看護(hù)系統(tǒng)主要由STM32模塊、陀螺儀模塊、GPS定位模塊、GSM通信模塊、報(bào)警模塊、按鍵模塊及電源模塊構(gòu)成，系統(tǒng)工作流程分析如下：
1）通過(guò)陀螺儀模塊實(shí)時(shí)采集老人身體姿態(tài)，系統(tǒng)檢測(cè)身體傾斜加速度，判定老人跌倒，蜂鳴器報(bào)警。
2）系統(tǒng)判定跌倒?fàn)顟B(tài)，LED燈閃爍，蜂鳴器同時(shí)鳴叫提示路人求救的同時(shí)，通過(guò)GPS定位模塊確定老人跌倒時(shí)的具體經(jīng)緯度信息，利用GSM通信模塊以短信方式將GPS定位信息發(fā)送給軟件設(shè)定的緊急聯(lián)系人。
3）系統(tǒng)可設(shè)定跌倒后求助短信發(fā)送的延遲時(shí)間，為防止誤判產(chǎn)生，可手動(dòng)通過(guò)按鍵關(guān)閉報(bào)警，解除誤判。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
1.2? 主控芯片選擇
系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，目前常用控制芯片主要包括DSP、FPGA（CPLD）、PLC（可編程序控制器）、單片機(jī)控制器等，每種芯片特性及適用場(chǎng)合不同：
1）DSP芯片：DSP芯片擁有8位到128位極其復(fù)雜的操作系統(tǒng)，以及目前8核并行系統(tǒng)。DSP芯片處理速度快，存儲(chǔ)空間大，可靠性高，成為高科技領(lǐng)域的主流芯片，但是成本較高、控制系統(tǒng)復(fù)雜。
2）FPGA（CPLD）芯片：FPGA是一種用VHDL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)和編譯的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列。其最突出的特點(diǎn)是運(yùn)行速度快、電路簡(jiǎn)易，但一般需要與DSP或者單片機(jī)相匹配，以有效的縮短時(shí)間，提高精確度。
3）單片機(jī)控制器芯片：?jiǎn)纹瑱C(jī)芯片可采用C語(yǔ)言等編程語(yǔ)言完成程序的編寫(xiě)，通過(guò)在線仿真掌握系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以有效的節(jié)省硬件成本。
綜合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能及開(kāi)發(fā)成本兩方面考慮，本次設(shè)計(jì)選用單片機(jī)控制器作為系統(tǒng)主控模塊，本設(shè)計(jì)通過(guò)以下兩個(gè)方案進(jìn)行主控模塊的論證選擇。
方案一：使用ATMEL公司的51單片機(jī)作為主控制器。51單片機(jī)為功耗低、性能高的8位單片機(jī)，但其內(nèi)部存儲(chǔ)空間容量較小、且IO接口數(shù)量有限，故放棄此方案。
方案二：使用STM32主控芯片作為系統(tǒng)主控核心單元。芯片內(nèi)部自帶AD轉(zhuǎn)換功能，使系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，處理速度進(jìn)一步提升，因此，該控制芯片得到了極其廣泛的應(yīng)用。此外，研究人員使用該芯片還可以減少開(kāi)發(fā)周期，而且系統(tǒng)本身融合性能較好，研發(fā)成本較低。與51系列和CPLD系列控制器相比，STM32具有高性?xún)r(jià)比、抗外界干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
從控制芯片的穩(wěn)定性及抗干擾性能兩方面考慮，本設(shè)計(jì)選用STM32F103C8T6系列作為系統(tǒng)核心控制芯片，如圖2所示。由中斷處理器、定時(shí)計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)處理器、數(shù)據(jù)寄存器4部分共同組成。此款控制芯片可以提供豐富的接口，在后續(xù)的外圍電路的搭建和擴(kuò)展上擁有更多的便利。
1.3? 身體姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊
對(duì)老人是否存在跌倒的情況進(jìn)行判斷，主要依靠其身體姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取和分析完成，而ADXL345加速度傳感器恰好可實(shí)現(xiàn)老人身體姿態(tài)數(shù)據(jù)的檢測(cè)，因此，設(shè)計(jì)選用ADXL345加速度傳感器完成老人身體姿態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。
ADXL345傳感器為功耗相對(duì)較低的一款3軸加速度測(cè)量?jī)x，分辨率高達(dá)13位，并且具有高精度、輸出穩(wěn)定等特點(diǎn)。其可將測(cè)量獲取的加速度數(shù)值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號(hào)，經(jīng)后續(xù)信號(hào)調(diào)理電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出補(bǔ)碼形式的16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，送單片機(jī)處理分析輸出相應(yīng)變量數(shù)值。ADXL345傳感器在運(yùn)動(dòng)或者需靜態(tài)傾斜角度檢測(cè)的設(shè)備中應(yīng)用較多，可檢測(cè)±1.0°范圍內(nèi)的角度變化值。
該模塊工作電壓在4.5～6 V之間，系統(tǒng)電源電壓是5 V，沒(méi)有額外電源轉(zhuǎn)換電路，ADXL345傳感器工作原理為：兩邊極板固定好后，兩極板之間的介質(zhì)在傳感器作用下，由于重力作用，介質(zhì)會(huì)向無(wú)速度變化的那一邊靠近，會(huì)使介質(zhì)到兩邊極板的距離發(fā)生改變，因此使得之間的電容值發(fā)生改變。X、Y和Z三軸的加速度值可以由以下公式得到：
上式分別代表X、Y和Z三軸對(duì)應(yīng)加速度值，0g表示偏置或者移位速度指標(biāo)，Z+1g表示系統(tǒng)偏置參數(shù)，不同型號(hào)傳感器Z+1g不同。模塊5 V供電，單片機(jī)PA4和PA5分別與SCL和SDA相連，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路如圖3所示。
1.4? GPS定位模塊的硬件設(shè)計(jì)
當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到老人跌倒后，可通過(guò)GSM模塊將老人實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送緊急聯(lián)系人，設(shè)計(jì)中老人跌倒位置即經(jīng)緯度信息的獲取通過(guò)ATGM332D模塊實(shí)現(xiàn)。
ATGM332D具有高靈敏度特性，且支持單雙系統(tǒng)聯(lián)合定位功能。內(nèi)部跟蹤通道個(gè)數(shù)多達(dá)32個(gè)，可以同時(shí)接收所有GPS和BDS可見(jiàn)衛(wèi)星信號(hào)，除此之外還具有低功耗、內(nèi)置天線短路保護(hù)功能等關(guān)鍵特性。
本設(shè)計(jì)中單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)引腳TXD2（PA2口）與GPS接收數(shù)據(jù)的引腳RXD相連。
1.5? GSM通信電路的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求若判斷老人處于跌倒?fàn)顟B(tài)，則采用GSM無(wú)線通信方式以短信方式通知緊急聯(lián)系人，本設(shè)計(jì)中GSM模塊采用的是SIM800C模塊。
SIM800C采用城堡孔封裝，通信頻率為2.4 GHz，為一款四頻GSM/GPRS模塊。具有低功耗、體積小、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)采用GMC模式，亦稱(chēng)短信模式，該種模式相對(duì)于流量模式而言控制相對(duì)簡(jiǎn)單，操作也極其簡(jiǎn)便，符合本文老人看護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。數(shù)據(jù)傳輸模式如圖4所示。
2? 高齡老人智能看護(hù)終端的軟件設(shè)計(jì)
基于STM32的老人看護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的編程方法，包含GSM模塊驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)、按鍵檢測(cè)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、ADXL345檢測(cè)信號(hào)程序設(shè)計(jì)、GPS模塊檢測(cè)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)首先對(duì)單片機(jī)和各模塊進(jìn)行初始化，開(kāi)始進(jìn)行跌倒檢測(cè)，若判定跌倒，則聲光報(bào)警立即啟動(dòng)，并開(kāi)始15 s計(jì)時(shí)，若15 s內(nèi)解除誤判按鍵無(wú)按下，則系統(tǒng)判定老人跌倒，獲取老人跌倒位置經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，將位置數(shù)據(jù)以GSM短信方式發(fā)送至指定緊急聯(lián)系人手機(jī)，主程序具體流程圖如圖5所示。
老人姿態(tài)數(shù)據(jù)采集在軟件方面采用中斷方式完成加速度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。首先該模塊初始化操作，通過(guò)定時(shí)器計(jì)時(shí)達(dá)50 ms即可產(chǎn)生定時(shí)中斷信號(hào)，此時(shí)進(jìn)入中斷處理程序，單片機(jī)采集加速度數(shù)值，進(jìn)行姿態(tài)分析，若采集數(shù)據(jù)變化量、變化速度超過(guò)臨界值，則返回主程序進(jìn)一步進(jìn)行處理。如圖6所示。
ATGM332DGPS模塊支持BDS（北斗）/GPS/GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的單系統(tǒng)定位以及任意組合的多系統(tǒng)聯(lián)合定位。通過(guò)UART作為主要輸出通道與主控MCU完成通信，波特率默認(rèn)為9 600 bit/s、8個(gè)數(shù)據(jù)位、無(wú)校驗(yàn)、1個(gè)停止位。按照NMEA0183協(xié)議格式輸出。通過(guò)串口調(diào)試助手可以觀察到模塊輸出的報(bào)文包含了GPS定位信息（$GPGGA）、地理定位信息（$GPGGL）、當(dāng)前衛(wèi)星信息（$GPGSA）、可見(jiàn)衛(wèi)星信息（$GPGSV）、最簡(jiǎn)定位信息（$GPRMC）等。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求主要獲取日期、時(shí)間、經(jīng)緯度等信息，因此，將報(bào)文中$GPRMC后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，格式如下：
$GPRMC，
主控MCU控制SIM800C模塊發(fā)送報(bào)警信息主要過(guò)程包括：
1）單片機(jī)通過(guò)UART發(fā)送AT指令，模塊返回ok，表示模塊通信同步成功。
2）發(fā)送AT+CPIN？查詢(xún)SIM800C是否讀到卡，模塊返回+CPIN：READY代表讀到卡。
3）發(fā)送AT+CMGF=1設(shè)置為文本模式，返回OK表示成功。
4）發(fā)送AT+CSCS=“GSM”設(shè)置字符集編碼。
5）發(fā)送AT+CMGS=“139XXXXXX72”，其中內(nèi)容為發(fā)送對(duì)象的手機(jī)號(hào)碼，返回<。
6）將老人報(bào)警信息、位置信息等轉(zhuǎn)換為短信息內(nèi)容發(fā)送，最大180字節(jié)。
7）發(fā)送16進(jìn)制0x1A完成短信發(fā)送工作。如圖7所示。
3? 高齡老人智能看護(hù)終端的系統(tǒng)調(diào)試
連接GPS天線，系統(tǒng)上電，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，將實(shí)物豎直狀態(tài)放置（模擬系統(tǒng)口袋放置狀態(tài)），將實(shí)物快速推倒模擬老人跌倒，隨即LED燈閃爍，蜂鳴器鳴叫，若15 s內(nèi)接觸誤判按鍵老人沒(méi)有按下，則系統(tǒng)判定老人跌倒，獲取老人跌倒位置經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，將位置數(shù)據(jù)以GSM短信方式發(fā)送至指定緊急聯(lián)系人手機(jī)，手機(jī)短信內(nèi)容如圖8所示。若系統(tǒng)存在誤判，則可通過(guò)誤判解除按鍵解除聲光報(bào)警，系統(tǒng)返回繼續(xù)檢測(cè)老人姿態(tài)狀態(tài)。
采用實(shí)物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬演示，實(shí)物面板豎直放入口袋，蜂鳴器隨即報(bào)警，LED燈閃爍，提醒周?chē)巳簬兔Γ绻?5 s內(nèi)未解除誤判，GSM模塊會(huì)向指定手機(jī)發(fā)送求救短信，信息內(nèi)容包括經(jīng)緯度信息，提供準(zhǔn)確位置。本系統(tǒng)設(shè)置了獨(dú)立的解除誤判按鈕，如果老人因?yàn)閺澭炔僮髟斐烧`鳴，可在15 s內(nèi)解除誤判。經(jīng)反復(fù)測(cè)試，系統(tǒng)工作正常。
4? 結(jié)? 論
本設(shè)計(jì)通過(guò)陀螺儀模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)老人身體姿態(tài)，經(jīng)單片機(jī)進(jìn)一步分析判斷老人是否為跌倒?fàn)顟B(tài)，若判定老人跌倒，則通過(guò)本地LED閃爍及蜂鳴器報(bào)警方式向路人尋求救援，同時(shí)借助GSM模塊以短信方式將GPS模塊獲取的跌倒位置經(jīng)緯度信息發(fā)送至指定緊急聯(lián)系人手機(jī)，以便及時(shí)救援；若存在誤報(bào)，則可在系統(tǒng)設(shè)定求助短信發(fā)送的時(shí)間范圍內(nèi)通過(guò)按鍵模塊實(shí)現(xiàn)誤報(bào)的解除。但仍然存在以下不足之處：如GPS在定位時(shí)位置數(shù)據(jù)存在一定偏差，ADXL345加速度傳感器在工作時(shí)易產(chǎn)生誤判等，還有待進(jìn)一步改進(jìn)，此外，可增加心率、血氧等檢測(cè)方案，將本系統(tǒng)的功能性進(jìn)一步加強(qiáng)。
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作者簡(jiǎn)介：扈書(shū)亮（1983—），男，漢族，河北保定人，講師，碩士研究生，研究方向：電工電子技術(shù)職業(yè)技術(shù)教育。
