基于STM32 的失能老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王重陽(yáng)，寧超魁，馬媛媛

（平頂山學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南平頂山，467000）

0 引言

隨著人口老齡化趨勢(shì)的加劇，老人監(jiān)護(hù)問(wèn)題成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。根據(jù)2021 年底發(fā)布的國(guó)家統(tǒng)計(jì)局第七次全國(guó)人口普查數(shù)據(jù)，60 歲及以上的老年人口達(dá)到了2.67 億人，占總?cè)丝诘?8.9%，而且根據(jù)中國(guó)出生率、死亡率和遷移率的趨勢(shì)預(yù)計(jì)到2030 年，中國(guó)失能老年人數(shù)量可能超過(guò)7700 萬(wàn)人[1]。失能老人需要日常監(jiān)護(hù)，但由于家屬子女工作學(xué)習(xí)等原因，往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)24 小時(shí)監(jiān)護(hù)，可能導(dǎo)致健康問(wèn)題惡化。因此，如何為失能老人提供有效安全的監(jiān)護(hù)服務(wù)，成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1 所示，選用STM32 單片機(jī)為主控制芯片，包括電源模塊、心率血氧模塊、人體紅外測(cè)溫模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、濕度水分檢測(cè)模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、通信模塊、報(bào)警模塊。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件電路原理圖如圖2 所示。選用STM32 單片機(jī)為主控芯片，采用MAX30102 心率血氧傳感器、LU90614 人體紅外測(cè)溫傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、濕度水分檢測(cè)傳感器分別實(shí)現(xiàn)心率、體溫、室內(nèi)溫濕度、床鋪水分等數(shù)據(jù)采集，利用ULN2033 驅(qū)動(dòng)板控制28BYJ48 步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)床位升降，蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，ESP-01SWiFi通信模塊將數(shù)據(jù)上傳至阿里云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與手機(jī)互聯(lián)。

圖2 系統(tǒng)電路原理圖

■2.1 STM32 單片機(jī)核心電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的主控芯片采用的是STM32 單片機(jī)，其具有高性能、低成本和低功耗等特點(diǎn)，并且STM32F103C8T6 需要的電壓范圍在2～3.6V，適用的溫度在-40℃～85℃，擁有多達(dá)64 個(gè)GPIO 引腳，11 個(gè)定時(shí)器，2 個(gè)12 位DA 通道，3 個(gè)12 位AD 通道，5 個(gè)UART 串口，應(yīng)用范圍廣，性能穩(wěn)定。能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)要求，且具有一定的擴(kuò)展空間。STM32 單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路原理圖如圖3 所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖

■2.2 心率血氧模塊

本設(shè)計(jì)采用MAX30102 心率血氧傳感器對(duì)老年人的心率和血氧水平進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該傳感器利用PPG 光電容積脈搏波描記法來(lái)處理運(yùn)算以獲得心率和血氧數(shù)值。然后，使用I2C 接口輸出數(shù)據(jù)，從而降低了傳感器的使用難度并減少了對(duì)主控的資源占用。

■2.3 人體紅外測(cè)溫模塊

本設(shè)計(jì)采用LU90614 紅外測(cè)溫傳感器對(duì)老人的體溫狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。該模塊內(nèi)部由紅外發(fā)射器、紅外接收器、濾光器和放大器構(gòu)成，通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)特定頻率的紅外光束檢測(cè)被目標(biāo)物體反射回來(lái)的紅外輻射信號(hào)測(cè)量目標(biāo)物體的溫度。為了避免其他光線(xiàn)的干擾，傳感器中還加入一個(gè)濾光器用來(lái)阻止其他光的進(jìn)入。傳感器內(nèi)部的放大器會(huì)將接收到紅外輻射信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理計(jì)算出測(cè)試物體的溫度值。

■2.4 溫濕度檢測(cè)模塊

本設(shè)計(jì)采用的DHT11 溫濕度傳感器是室內(nèi)溫濕度進(jìn)行測(cè)試。該傳感器基于電容變化的測(cè)量原理，主要包括一個(gè)高分子聚合物電感元件和一顆熱敏電阻，通過(guò)感知周?chē)h(huán)境的溫濕度變化來(lái)改變?cè)娙莸拇笮?，最終將這些變化量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。DHT11 溫濕度傳感器輸出信號(hào)是一種串行數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理會(huì)對(duì)傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和解析，以便能夠精確地計(jì)算出溫度和濕度的數(shù)值。

■2.5 濕度水分檢測(cè)模塊

本設(shè)計(jì)采用濕度水分檢測(cè)傳感器來(lái)進(jìn)行濕度檢測(cè)。該傳感器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)濕度檢測(cè)和水分定量測(cè)量的設(shè)備。其中采用電容式傳感器原理，由一個(gè)電容板來(lái)測(cè)量水分，能夠?qū)⑺中盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)STM32 單片機(jī)處理數(shù)據(jù)可以設(shè)定閾值范圍。這樣就可以清楚地了解當(dāng)下的水分濕度從而判斷老人是否處于失禁狀態(tài)。當(dāng)水分濕度上升時(shí)，靜電容中的介質(zhì)將使得其內(nèi)部空間減少，從而導(dǎo)致其內(nèi)部的電容大小減少。這種變化將會(huì)在滑動(dòng)開(kāi)關(guān)中產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，并將這個(gè)信號(hào)通過(guò)接頭傳送到相應(yīng)的終端或設(shè)備中。

■2.6 步進(jìn)電機(jī)模塊

本設(shè)計(jì)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)失能老人的床頭進(jìn)行角度升降調(diào)整功能。28BYJ48 步進(jìn)電機(jī)是一種低成本、低功耗的步進(jìn)電機(jī)。其中，步進(jìn)電機(jī)的CON5 端口與五線(xiàn)四相驅(qū)動(dòng)板上的P3 接口相連接。

步進(jìn)電機(jī)模塊常用的驅(qū)動(dòng)芯片有L293D 和ULN2003等。本設(shè)計(jì)中采用的是ULN2003 五線(xiàn)四相驅(qū)動(dòng)板。該驅(qū)動(dòng)原理是通過(guò)12V 的直流電源來(lái)提供驅(qū)動(dòng)電壓，通過(guò)STM32單片機(jī)或者其他控制器生成控制信號(hào)，在控制電路和驅(qū)動(dòng)芯片的協(xié)同作用下控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

■2.7 通信模塊

本設(shè)計(jì)采用ESP-01S 芯片的WiFi 模塊。該通信通信模塊是一款高性能、體積小、功耗低的WiFi 模塊。該模塊便于與各種微控制器和傳感器等設(shè)備通信，可以為現(xiàn)有設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能或構(gòu)建獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器。用戶(hù)可通過(guò)簡(jiǎn)單快速的WiFi 連接實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)，并實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

ESP-01S 模塊支持高性能的無(wú)線(xiàn)SOC，可通過(guò)AT 指令快速上手，且支持STA、AP 以及AP 和STA 共存的三種工作模式，本設(shè)計(jì)中選擇STA 模式。單片機(jī)將采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)打包，通過(guò)通信串口上傳到WiFi 模塊，然后按照TCP/IP 協(xié)議將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)格式，選擇Save Data 類(lèi)型的消息將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)。

■2.8 報(bào)警模塊

本設(shè)計(jì)采用蜂鳴器作為報(bào)警模塊的聲源。報(bào)警模塊由電阻、PNP 三極管和蜂鳴器三個(gè)基礎(chǔ)部件組成。電阻防止電流過(guò)大損壞電路，PNP 三極管控制電流是否流向蜂鳴器，從而控制蜂鳴器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使其發(fā)出聲響。蜂鳴器報(bào)警有兩種方式，一種為自動(dòng)報(bào)警，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)值超出設(shè)置的參數(shù)范圍時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并通過(guò)手機(jī)APP 彈窗通知監(jiān)護(hù)人。另一種為一鍵報(bào)警，危險(xiǎn)時(shí)刻老人可通過(guò)一鍵報(bào)警按鍵直接實(shí)現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)基于Keil MDK5 環(huán)境，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是 C 語(yǔ)言。根據(jù)系統(tǒng)的功能劃分為三個(gè)板塊：主程序、數(shù)據(jù)采集、通信傳輸。

■3.1 主程序

啟動(dòng)失能老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)后，首先各個(gè)模塊將按照系統(tǒng)要求進(jìn)行初始化，并連接到WiFi 網(wǎng)絡(luò)和阿里云服務(wù)器，確保能夠上傳數(shù)據(jù)和接收指令。然后讀取各傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)異常時(shí)驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警；通過(guò)手機(jī)APP 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊調(diào)節(jié)床頭高度；通過(guò)一鍵報(bào)警模塊直接報(bào)警；最后各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸至APP 并顯示。主程序流程如圖4 所示。

■3.2 數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先進(jìn)行傳感器的初始化，讀取傳感器數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)是否正常，如不正常重新讀取，如正常則判斷讀取數(shù)據(jù)是否超出設(shè)定閾值，超出閾值則報(bào)警，未超出閾值則上傳數(shù)據(jù)并保存，最后采集數(shù)據(jù)在A(yíng)PP 顯示。數(shù)據(jù)采集流程如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖

■3.3 通信傳輸

通信傳輸流程如圖6 所示，通過(guò)MQTT 協(xié)議從阿里云服務(wù)器獲取推送數(shù)據(jù)（即單片機(jī)采集上傳數(shù)據(jù)），并將數(shù)據(jù)以合適的方式在客戶(hù)端顯示，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在設(shè)備和客戶(hù)端之間的傳輸和共享，用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)APP 顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并遠(yuǎn)程控制設(shè)備。ESP-01S 模塊通過(guò)WiFi 實(shí)現(xiàn)與手機(jī)客戶(hù)端的連接，ESP-01S 模塊是通過(guò)串口指令來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的觸發(fā)。首先，控制器將使用串口向ESP-01S 發(fā)送連接WiFi 的AT 指令。然后，再次利用串口發(fā)送連接阿里云服務(wù)器的AT 指令。如果成功連接，控制器將會(huì)發(fā)送訂閱信息的指令。此時(shí)，監(jiān)護(hù)系統(tǒng)就可以監(jiān)聽(tīng)來(lái)自所訂閱ID 的阿里云服務(wù)器的賬戶(hù)信息，即可實(shí)現(xiàn)與手機(jī)客戶(hù)端的通信。

圖6 通信傳輸流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)的實(shí)物如圖7 所示，系統(tǒng)完成后對(duì)數(shù)據(jù)采集和通信功能進(jìn)行測(cè)試。

圖7 系統(tǒng)實(shí)物圖

■4.1 數(shù)據(jù)采集功能測(cè)試

心率血氧功能測(cè)試是將手指尖放在心率傳感器的感應(yīng)部分，傳感器捕獲相應(yīng)數(shù)據(jù)并計(jì)算出心率血氧數(shù)值。DHT11 溫濕度監(jiān)測(cè)模塊測(cè)試通過(guò)用水噴霧模擬濕度改變傳感器周?chē)h(huán)境的溫濕度進(jìn)行測(cè)試。人體紅外體溫監(jiān)測(cè)模塊測(cè)試將人體紅外測(cè)溫傳感器放至老人額頭或者內(nèi)手腕1～3cm處進(jìn)行體溫采集。當(dāng)傳感器檢測(cè)到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值范圍時(shí)，監(jiān)護(hù)人手機(jī)APP 會(huì)彈出異常提醒。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)各項(xiàng)功能均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。數(shù)據(jù)采集功能測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集功能測(cè)試結(jié)果

■4.2 通信功能測(cè)試

該部分測(cè)試系統(tǒng)的信息上傳阿里云服務(wù)器以及手機(jī)APP 下發(fā)信息設(shè)備是否可以正常執(zhí)行命令。通過(guò)對(duì)不同情況的調(diào)整床位高度、發(fā)送報(bào)警信息以及整體的監(jiān)護(hù)信息顯示進(jìn)行測(cè)試。

手機(jī)APP 通過(guò)阿里云服務(wù)器下發(fā)轉(zhuǎn)動(dòng)方向、步進(jìn)數(shù)的命令，經(jīng)ULN2003 五線(xiàn)四相驅(qū)動(dòng)板模塊驅(qū)動(dòng)執(zhí)行。按下報(bào)警獨(dú)立按鍵，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲音，同時(shí)監(jiān)護(hù)人手機(jī)端APP 會(huì)彈出紅色警報(bào)頁(yè)面提醒，長(zhǎng)按報(bào)警按鍵可以取消報(bào)警。當(dāng)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)異常時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)同時(shí)監(jiān)護(hù)人手機(jī)APP 會(huì)彈出當(dāng)前警報(bào)信息。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以正常上傳下發(fā)。數(shù)據(jù)異常報(bào)警結(jié)果如圖9 所示。

圖9 數(shù)據(jù)異常測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

以STM32 單片機(jī)作為失能老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的核心控制器，通過(guò)對(duì)老人的心率血氧、體溫、室內(nèi)溫濕度、是否失禁等周?chē)h(huán)境的數(shù)據(jù)采集，然后設(shè)置報(bào)警閾值，當(dāng)某一環(huán)境數(shù)據(jù)超出閾值時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警電路。同時(shí)嵌入式控制器會(huì)發(fā)送相應(yīng)的信息，通過(guò)WiFi 通信模塊傳輸給監(jiān)護(hù)人。老人可以通過(guò)一鍵報(bào)警功能進(jìn)行求助，并可以通過(guò)APP 對(duì)床鋪進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試調(diào)試，該系統(tǒng)的性能穩(wěn)定度高、價(jià)格費(fèi)用低、實(shí)際應(yīng)用性好，能夠在多種場(chǎng)景下發(fā)揮作用，確認(rèn)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求和功能。