健康養(yǎng)老預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王文博 劉保菊

摘 ?要：隨著人口老齡化形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，健康養(yǎng)老問(wèn)題引起社會(huì)的廣泛關(guān)注。文章設(shè)計(jì)的健康養(yǎng)老預(yù)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)老年人心率、體溫、血氧濃度等各項(xiàng)生理指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，并可通過(guò)Wi-Fi將數(shù)據(jù)上傳到養(yǎng)老院工作人員手機(jī)上，在指標(biāo)數(shù)據(jù)異常時(shí)啟動(dòng)報(bào)警。同時(shí)對(duì)不慎跌倒的老年人進(jìn)行狀態(tài)判斷，通過(guò)GPS模塊判斷跌倒老人所在的位置，從而確保跌倒老人能夠得到及時(shí)的救治。

關(guān)鍵詞：健康養(yǎng)老；Wi-Fi通信；GPS定位技術(shù)；預(yù)警系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）16-0066-05

Design and Implementation of a Healthy Elderly Care Early Warning System

WANG Wenbo， LIU Baoju

（School of Information Engineering， Pingdingshan University， Pingdingshan ?467000， China）

Abstract： With the increasingly severe situation of aging population， the issue of healthy elderly care has attracted widespread attention from society. The healthy elderly care early warning system designed in the paper can monitor various physiological indicators such as heart rate， body temperature， and blood oxygen concentration of the elderly， and can upload data to the mobile phones of nursing home staff through Wi-Fi， triggering an alarm in case of abnormal indicator data. At the same time， the status of elderly people who accidentally fall is judged， and the GPS module is used to determine the location of the elderly people who falls， in order to ensure that the elderly people who falls can receive timely treatment.

Keywords： healthy elderly care; Wi-Fi communication; GPS positioning technology; early warning system

0 ?引 ?言

“十四五”期間，我國(guó)將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)養(yǎng)老高峰期，60歲以上老年人將由1.78億增加到2.21億，老年人人口將由目前的13.3%增加到16%，人口老齡化進(jìn)程進(jìn)一步加劇[1]。對(duì)于老年人來(lái)說(shuō)，隨著年齡增大，患有心臟病和高血壓等各種并發(fā)類疾病的概率也隨之增加，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老年人血壓及血氧值對(duì)于確保老年人的健康具有重要意義。國(guó)外在1975年到1999年期間出現(xiàn)了可穿戴手機(jī)設(shè)備，進(jìn)入21世紀(jì)后，可穿戴設(shè)備得到了迅速的發(fā)展。國(guó)內(nèi)在2019年的CES展會(huì)上，華為推出了一款全新的智能化手環(huán)，該產(chǎn)品不僅具備運(yùn)動(dòng)、睡眠等基本監(jiān)控檢測(cè)功能，還具備以手機(jī)為終端的萬(wàn)物互聯(lián)的華為云系統(tǒng)，功能強(qiáng)大。但目前的產(chǎn)品都沒(méi)有專門(mén)針對(duì)養(yǎng)老院老年人的。據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）統(tǒng)計(jì)，每年全球約有1/3的65歲的老年人出現(xiàn)跌倒[2，3]，在養(yǎng)老院內(nèi)設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)，采用Wi-Fi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，對(duì)老年人跌倒?fàn)顟B(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以很好地守護(hù)老年人的健康。

本文選用STM32F103C8T6最小開(kāi)發(fā)板檢測(cè)老年人的當(dāng)前狀態(tài)，一方面對(duì)老年人的心率、血氧以及體溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)用GPS實(shí)現(xiàn)定位功能。另一方面當(dāng)老年人出現(xiàn)跌倒時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)并利用Wi-Fi模塊上傳到手機(jī)APP。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)老年人的身體狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及跌倒時(shí)發(fā)出警報(bào)，本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)對(duì)當(dāng)前的智能養(yǎng)老模式具有一定的參考價(jià)值。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以STM32F103C8T6單片機(jī)為主控芯片，同時(shí)包含Wi-Fi模塊、GPS定位模塊、心率和血氧模塊、溫度感應(yīng)模塊、蜂鳴器模塊、防跌倒模塊等?；赟TM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)防跌倒功能的健康養(yǎng)老預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

在該系統(tǒng)中，利用心率、血氧檢測(cè)模塊以及體溫模塊收集數(shù)據(jù)，并把收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺匦酒M(jìn)行分析處理，然后通過(guò)ADXL345三軸加速器檢測(cè)跌倒?fàn)顟B(tài)，GPS定位模塊檢測(cè)當(dāng)前定位狀態(tài)，最后通過(guò)Wi-Fi模塊將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送到手機(jī)APP上，實(shí)時(shí)關(guān)注老年人的健康狀態(tài)。

2 ?硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要包括主控芯片、GPS定位模塊、心率和血氧模塊、DS18B20溫度模塊、ADXL345防跌倒模塊、蜂鳴器模塊、Wi-Fi模塊、OLED模塊等，下面將對(duì)其硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

2.1 ?主控單元STM32F103C8T6

本次設(shè)計(jì)的主控單元，我們選擇的是德意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6芯片。最經(jīng)典的51單片機(jī)和STM32單片機(jī)都擁有很強(qiáng)的通信和控制功能。STM32單片機(jī)是一種32位的MCU，相對(duì)于8位的51單片機(jī)，性能更加突出，運(yùn)算速度更塊。51單片機(jī)的功能少，需要自己搭電路；而STM32單片機(jī)的外設(shè)資源較多，接口功能強(qiáng)大。51單片機(jī)開(kāi)發(fā)時(shí)需要指針操作寄存器；而STM32單片機(jī)官網(wǎng)有封裝好的庫(kù)函數(shù)，可直接調(diào)用，開(kāi)發(fā)的難度小。綜上所述，我們選擇STM32F103C8T6芯片，其原理圖如圖2所示。

2.2 ?溫度傳感器模塊

溫度傳感器在預(yù)防老年人的一些常見(jiàn)疾病中非常重要，在眾多的溫度傳感器中，DS18B20是一款常用的數(shù)字溫度傳感器，其具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合各種狹小空間設(shè)備的測(cè)溫功能，因此采用它作為本系統(tǒng)的硬件模塊之一[4]。其技術(shù)特點(diǎn)采用單總線數(shù)據(jù)通信，精度可達(dá)±0.5 ℃，可選擇寄生工作方式。DS18B20測(cè)量溫度有接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量，其中接觸式測(cè)量的精度高、簡(jiǎn)單、有效，但是不能接觸高溫，而人體溫度不存在高溫，因此本文采用接觸式測(cè)量，其溫度檢測(cè)模塊原理圖如圖3所示。

2.3 ?心率與血氧傳感器模塊

老年人中患有心臟病的人數(shù)較多，因此本系統(tǒng)需要采集老年人的心率和血氧，但是單獨(dú)測(cè)量心率和血氧成本較大。本次采用MAX3010X系列中最新的MAX30102傳感器，其內(nèi)部有一個(gè)660 nm紅光LED和880 nm紅外光LD，這兩個(gè)燈會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，采集人體反射回來(lái)的光，經(jīng)過(guò)內(nèi)部電路的光電轉(zhuǎn)換，再通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，最后通過(guò)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)[5]。其心率與血氧傳感器模塊原理圖如圖4所示。

2.4 ?GPS定位模塊

當(dāng)老年人跌倒時(shí)，利用GPS模塊可以對(duì)老年人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，使老年人能夠得到及時(shí)的救治。GPS模塊相當(dāng)于一個(gè)GPS接收機(jī)，主要負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星信號(hào)。衛(wèi)星通過(guò)測(cè)量GPS模塊與其自身的距離實(shí)現(xiàn)多個(gè)衛(wèi)星多次測(cè)量從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，然后通過(guò)GPS模塊將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，就可以轉(zhuǎn)換為當(dāng)前位置的經(jīng)緯度了[6]。對(duì)于GPS模塊的選擇，本文選用的是G28U7FTTL GPS模塊，G28U7FTTL GPS模塊安裝在一個(gè)白色的盒子中，盒子上引出6條顏色不一的杜邦線，可方便地與STM32F103C8T6實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板進(jìn)行連接，并且價(jià)格便宜實(shí)用。

2.5 ?Wi-Fi傳輸模塊

Wi-Fi模塊屬于物聯(lián)網(wǎng)傳輸層，其具有兩種拓?fù)湫问剑夯A(chǔ)網(wǎng)和自組網(wǎng)，通過(guò)串口、TTL到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)其傳輸功能，內(nèi)部有IEEE802.11協(xié)議棧和TCP/IP協(xié)議棧。本文采用的ESP8266是采用無(wú)線電波進(jìn)行雙向傳輸，兼容3.3 V和5 V單片機(jī)系統(tǒng)，支持三種天線接口形式：板載PCB天線、IPEX接口和郵票孔接口，具有STA、AP、STA+AP三種工作模式[7]。在本次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中采用了AP模式，天線選擇板載PCB天線，利用IIC通信方式上傳數(shù)據(jù)到手機(jī)APP；這個(gè)模塊的數(shù)據(jù)傳輸速度快，傳輸?shù)目煽啃院?，最大的傳輸速率可達(dá)460 800 bit/s，其Wi-Fi模塊原理圖如圖5所示。

2.6 ?ADXL345三軸加速器模塊

在本次健康養(yǎng)老預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，采用了ADXL345傾角加速度傳感器。這個(gè)模塊既可以測(cè)到靜態(tài)重力運(yùn)動(dòng)時(shí)的傾角，也可以測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)的各種態(tài)重力加速度[8]。ADXL345傾角加速度傳感器具有很好的分辨率，精準(zhǔn)到能夠檢測(cè)到最小0.25°的偏角。當(dāng)ADXL345傾角加速度傳感器計(jì)算并輸出到一定的加速度時(shí)，不會(huì)再持續(xù)地進(jìn)行仿真模數(shù)變換，極大地節(jié)省了主控單元的空間。同樣ADXL345傾角加速度傳感器具有非常多的內(nèi)部功能，能夠檢測(cè)是否活動(dòng)。在檢測(cè)自由落體時(shí)無(wú)需內(nèi)部計(jì)算，極大地減少了主機(jī)處理器的數(shù)據(jù)，其ADXL456三軸加速度模塊原理圖如圖6所示。

2.7 ?OLED液晶屏幕

本文采用0.96寸OLED屏幕進(jìn)行顯示的原因是，其在厚度和伸縮性以及耗電程度上都要比LCD屏幕更加優(yōu)秀，因此選擇OLED屏幕。此外OLED屏幕是一種專門(mén)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。分辨率是通過(guò)像素點(diǎn)來(lái)計(jì)算的，比如本次屏幕的分辨率是128×64，說(shuō)明在水平方向有128個(gè)像素點(diǎn)，垂直方向有64個(gè)像素點(diǎn)。對(duì)于其接口模式OLED液晶屏幕有兩種：SPI、IIC，本文選擇IIC的方式，其OLED模塊原理圖如圖7所示。

3 ?軟件設(shè)計(jì)

程序執(zhí)行時(shí)，首先對(duì)各部分的接口和串口進(jìn)行初始化操作。初始化完成后，按照如下操作執(zhí)行：1）初始化各個(gè)硬件模塊。2）測(cè)量人體體溫?cái)?shù)據(jù)。3）測(cè)量人體心率和血氧濃度。4）實(shí)時(shí)測(cè)量老年人當(dāng)前位置，將其數(shù)據(jù)傳送至OLED屏幕上。5）檢測(cè)老年人當(dāng)前是否處于跌倒?fàn)顟B(tài)。6）如果處于跌倒?fàn)顟B(tài)將發(fā)送信息到養(yǎng)老院工作人員手機(jī)上。主程序流程圖如圖8所示。

3.1 ?溫度傳感器程序設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)采用的是1-Wire總線協(xié)議，即在一個(gè)數(shù)據(jù)線上進(jìn)行雙向傳輸，因此需要遵守嚴(yán)格的讀寫(xiě)時(shí)序，并且定義了三種時(shí)序，分別是初始化時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序、讀時(shí)序。首先啟動(dòng)設(shè)備，發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令，將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，然后主機(jī)從寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始通過(guò)總線送回?cái)?shù)據(jù)，在送回?cái)?shù)據(jù)同時(shí)主機(jī)啟動(dòng)讀時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，最后將后接收到的高八位數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)移放在一個(gè)新的數(shù)據(jù)中，組成完整的溫度數(shù)據(jù)。發(fā)送到OLED屏幕上，如果沒(méi)有收到數(shù)據(jù)則主機(jī)等待。

3.2 ?GPS定位模塊程序設(shè)計(jì)

GPS的解析方法有兩種，我們采用的是正點(diǎn)原子的解析方法。首先，從GPS中得到數(shù)據(jù)的信息是“位置”。其次，將兩個(gè)字符串中的數(shù)字變成整數(shù)。第三，解析GPGSV協(xié)議，此外還有GPRMC信息的解析，分析GPVTG信息，配置NMEA信息，解析NMEA信息，配置UBLOX NEO-6的相關(guān)信息，對(duì)GPS的信息進(jìn)行校驗(yàn)和計(jì)算，對(duì)UBLOX的發(fā)送和接收進(jìn)行相關(guān)配置；其中NMEA信息是為了統(tǒng)一GPS中的相關(guān)協(xié)議才配置的，而信息的發(fā)送是通過(guò)串口3進(jìn)行的，即首先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，使主控板的各個(gè)引腳和GPS傳輸信息的引腳使能，然后通過(guò)衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)，GPS模塊判斷是否接收到數(shù)據(jù)；如果接收到數(shù)據(jù)則開(kāi)始計(jì)算數(shù)值，得到當(dāng)前所在位置的經(jīng)緯度，并將當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸給OLED顯示屏并顯示老年人當(dāng)前經(jīng)緯度。

3.3 ?運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊程序設(shè)計(jì)

對(duì)于三軸加速度傳感器ADXL345，我們首先要知道如何對(duì)老年人跌倒時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行判斷。當(dāng)三軸加速度傳感器ADXL345傾斜角度達(dá)到45°及以上是條件之一；另一個(gè)條件則是在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，測(cè)得的加速度小于正常人體速度的一個(gè)較小的數(shù)值，這時(shí)可以判定當(dāng)前老年人處于跌倒的狀態(tài)。因此需要實(shí)現(xiàn)的功能是獲得三個(gè)方向的加速度值及角度值，從而得到老年人跌倒的角度與加速度。同時(shí)三軸加速度傳感器ADXL345需要連接模擬IIC接口。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后定時(shí)讀取ADXL345三軸傳感器檢測(cè)到的加速度和角度值，并計(jì)算所檢測(cè)到的數(shù)值，判斷是否滿足當(dāng)前所設(shè)置的跌倒閾值，如果滿足跌倒條件蜂鳴器發(fā)出警報(bào)并向手機(jī)APP上發(fā)送信息，不滿足進(jìn)行下一個(gè)周期。

3.4 ?OLED顯示模塊程序設(shè)計(jì)

對(duì)于OLED屏幕的設(shè)計(jì)，傳輸模式采用的是IIC通信，一條IIC通信總線上可以連接多個(gè)IIC設(shè)備，并且一條IIC總線上只使用兩條總線線路，一條為串行數(shù)據(jù)線（SDA），另一條為串行時(shí)鐘線（SCL）。因此我們要對(duì)IIC線路進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置數(shù)據(jù)線的輸入引腳和輸出引腳，編寫(xiě)IIC的起始信號(hào)和終止信號(hào)，并對(duì)應(yīng)答信號(hào)的到來(lái)進(jìn)行編寫(xiě)，以及對(duì)發(fā)送一個(gè)字節(jié)和接受一個(gè)字節(jié)的函數(shù)及OLED屏幕的驅(qū)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行編寫(xiě)。

4 ?系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試主要包括對(duì)老年人的心率、血氧及體溫進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)對(duì)老年人跌倒時(shí)跌倒?fàn)顟B(tài)的功能進(jìn)行測(cè)試，然后在OLED屏幕顯示當(dāng)前的一些數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)及實(shí)物測(cè)試結(jié)果分別如表1及圖9所示。

同時(shí)系統(tǒng)還要對(duì)老年人跌倒時(shí)的位置進(jìn)行定位，因此也需要對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，看是否能夠在OLED屏幕上顯示當(dāng)前定位信息，測(cè)試表格如表2所示。

系統(tǒng)的軟件服務(wù)端采用的是網(wǎng)絡(luò)助手APP，因?yàn)椴捎玫氖荰CP協(xié)議，所以要在端口的服務(wù)端設(shè)置IP地址以及所需要的端口號(hào)，我們選擇的端口號(hào)為默認(rèn)的8086，手機(jī)IP地址為192.168.4.1。我們選擇的ESP8266的模式為AP模式，ESP8266的功能相當(dāng)于我們的手機(jī)可以給別的手機(jī)分享熱點(diǎn)，所以服務(wù)端要連接上ESP8266的手機(jī)Wi-Fi。

5 ?結(jié) ?論

針對(duì)養(yǎng)老院老年人出現(xiàn)的跌倒等意外事件提出了相應(yīng)的解決方案，對(duì)老年人的身體健康數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)有意外出現(xiàn)時(shí)，能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并且進(jìn)行及時(shí)的救治。老年人群體中普遍存在血壓和心率數(shù)據(jù)較高的情況，并且因?yàn)槠渖眢w關(guān)節(jié)僵硬、行動(dòng)時(shí)也時(shí)常出現(xiàn)跌倒的情況，并且因?yàn)榈惯€會(huì)引起一系列的急性腦卒中疾病和心梗等潛在疾病。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于STM32技術(shù)的智能養(yǎng)老預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了求助功能的分級(jí)，既能夠在OLED屏幕上進(jìn)行顯示，也能夠在護(hù)理人員的手機(jī)APP上顯示，給護(hù)理人員提供了便利；實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高了老年人的安全性。今后我們會(huì)重點(diǎn)關(guān)注老年人身體健康數(shù)據(jù)采集方向，通過(guò)智能手表和云存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)獲取和存儲(chǔ)人的身體狀態(tài)數(shù)據(jù)，以更好地監(jiān)護(hù)老年人。

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作者簡(jiǎn)介：王文博（1999.03—），男，漢族，河南

平頂山人，本科在讀，研究方向：智慧醫(yī)療；劉保菊（1980.

07—），女，漢族，河南鶴壁人，講師，博士，研究方向：電力通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理與優(yōu)化。