基于物聯(lián)網(wǎng)技術的可穿戴式健康管家

摘 要：為實現(xiàn)對獨居老人以及心腦血管疾病、眩暈癥患者等人群的健康監(jiān)測和實時救治，設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術的可穿戴式健康管家。采用STM32F103C8T6單片機進行數(shù)據(jù)處理，由ADXL345進行三軸加速度數(shù)據(jù)采集，借助WiFi與SIM800C進行報警信息發(fā)送，基于現(xiàn)場姿態(tài)檢測分析與物聯(lián)網(wǎng)技術進行跌倒狀態(tài)檢測，及時進行跌倒保護、報警、GPS定位信息發(fā)送，并在作品外殼定制包含佩帶人基礎健康信息的專用二維碼，為救護人員提供便利。測試結(jié)果表明，跌倒檢測正確率達到了預期目標，能夠?qū)崟r有效地對佩戴者進行健康監(jiān)測和防護。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；可穿戴設備；健康監(jiān)護；定位信息；短信發(fā)送；姿態(tài)采集

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-0-05

0 引 言

當前，我國老齡人口不斷增長，而患有心腦血管疾病、眩暈癥等慢性病需要照顧的人也日益增多，在全面建設社會主義現(xiàn)代化國家的新征程上，提高全民生活品質(zhì)，尤其是提高獨居老人、患病人群的生活品質(zhì)，成為一項重要任務[1]。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，利用網(wǎng)絡平臺，基于移動物聯(lián)網(wǎng)的可穿戴式設備不僅可以對用戶的身體數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，還可以通過平臺算法對個人的身體異常做出提前預警[2]，有效緩解需照顧人群帶來的社會壓力和家庭壓力[3]。

目前市場上的手環(huán)等可穿戴設備一般面向普通人群，主要對使用者的日常運動數(shù)據(jù)進行記錄，而對老人、患病需照顧人群的使用需求考慮較少，缺乏監(jiān)測報警等功能。因此，針對需照顧的人群開發(fā)操作簡單易用、更具專業(yè)性的可穿戴設備具有極大的市場潛力[4-5]。

本文面向老人、患病需照顧的人群設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的可穿戴式健康管家，其具有跌倒檢測、GPS定位、緊急報警、頭部抬升避免窒息、提供基礎健康信息等功能，能夠有效對佩戴者進行健康監(jiān)測和防護，從多個角度提高救治效率，降低了病人因救治不及時留下后遺癥的機率。

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)設計包括3部分：測量部分用于判斷監(jiān)測對象是否摔倒；響應和緩沖部分用于反饋系統(tǒng)的輸出信號并做出相應動作；外殼和供電倉用于保護內(nèi)電路和簡要示意相應的基本信息。

1.1 測量部分

測量部分由三軸加速度傳感器ADXL345、主控芯片STM32F103C8T6、GPS模塊組成。主控芯片STM32主要用于采集GPS的經(jīng)緯度與三軸加速度傳感器ADXL345的實時數(shù)據(jù)，判斷病人是否跌倒。系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

1.2 響應部分

跌倒是指人體在外力作用或者非主觀意識下身體位置發(fā)生劇烈變化，倒在地上或者其他地方，并與接觸面產(chǎn)生碰撞。通常在跌倒過程中人體的重心會迅速下降，身體從站立狀態(tài)迅速變成傾斜狀態(tài)，并伴有明顯的角度變化[6]。

單片機根據(jù)采集的數(shù)據(jù)判斷病人跌倒后，首先蜂鳴器和報警燈開始工作，在此期間，跌倒人員有10 s的緩沖時間—如果使用者未失去意識，可自行爬起或求助，按下按鍵取消報警。若使用者因失去意識而跌倒，則10 s后SIM模塊會向預定手機號發(fā)送求助短信，同時WiFi模塊會上傳數(shù)據(jù)至指定設備，關聯(lián)設備會提示使用者狀態(tài)異常并顯示經(jīng)緯度，便于家人救援。在發(fā)出求救短信的同時氣泵開始工作，為藏在衣服里的氣囊充氣，為跌倒者提供相對舒適的環(huán)境。本產(chǎn)品還具有隱藏功能：為兒童或患有健忘癥的老人設計了一款電子圍墻，可以根據(jù)使用者的活動范圍設定半徑，當使用者發(fā)生意外離開規(guī)定的區(qū)域時，本產(chǎn)品會發(fā)送報警短信到設定的手機，以免使用者走丟。

1.3 緩沖、外殼和供電倉設計

為避免跌倒時佩戴者將本產(chǎn)品碰到堅硬物體使物品受損，使用SOLIDWORKS設計了產(chǎn)品外殼，并在外殼與PCB板間填充泡沫。經(jīng)過測試，此舉不會影響檢測的準確性。在外殼上為使用者定制了二維碼，若發(fā)生意外時醫(yī)生可掃碼查看病人的血型、慢性病、藥物過敏史等，省去了常規(guī)檢查與判斷治療的時間。采用航模電池，在保證續(xù)航的同時減輕了重量。外殼設計如圖2所示。

2 軟件設計

2.1 總體設計

系統(tǒng)采用模塊化編程，將一個大型程序分解成多個可獨立編寫和測試的模塊。本系統(tǒng)將主程序、跌倒檢測程序、短信報警程序、GPS定位程序、電子圍墻程序、云平臺程序、計步程序、OLED顯示程序等進行模塊化處理。其中，主程序由模塊初始化函數(shù)、按鍵判斷與執(zhí)行函數(shù)、跌倒異常判斷函數(shù)、電子圍墻函數(shù)、GPS定位及短信報警函數(shù)等組成。模塊之間相互關聯(lián)形成閉環(huán)控制。其他模塊程序主要由串口、算法、通信協(xié)議組成。系統(tǒng)采用傳感器到單片機、單片機到執(zhí)行器的執(zhí)行模式。為了提高跌倒檢測準確性，程序采用合理算法進行自動校準，流程如圖3所示。

2.2 主要模塊程序設計

2.2.1 跌倒檢測模塊

采用三軸數(shù)字加速度傳感器ADXL345測量人體加速度，通過讀取傳感器的測量值獲取物體在3個空間維度上的加速度信息，包括初始化函數(shù)、自動校準函數(shù)、加速度獲取函數(shù)、角度獲取函數(shù)等。由于該模塊采用I2C通信協(xié)議，所以初始化函數(shù)首先進行I2C初始化，并將中斷輸出設置為低電平，數(shù)據(jù)采用右對齊，數(shù)據(jù)輸出頻率為100 Hz。將數(shù)據(jù)和地址存放在初始化寄存器中，在測得三軸各10組樣本數(shù)據(jù)后，取其平均值并減去對應偏移值即可得到三軸校準值[7]。

2.2.2 GPS定位程序

采用GPS模塊GYGPSNEO6MV2進行定位。通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取人體當前位置、速度、時間等，實現(xiàn)地理定位、軌跡記錄、航向計算等功能。該模塊包含有GPS數(shù)據(jù)處理函數(shù)、GPS信息顯示函數(shù)，采用UART串口接收和發(fā)送GPS數(shù)據(jù)。

2.2.3 短信報警程序

采用集成度高的GSM/GPRS模塊實現(xiàn)短信報警。GSM短信通信網(wǎng)絡有較為廣泛的覆蓋面，基于短信完成相應數(shù)據(jù)的監(jiān)測和傳輸，具有較強的穩(wěn)定性、可靠性和較高的利用率[8]。可通過控制模塊的AT指令進行通信，實現(xiàn)設備和服務器之間的短信通知、遠程控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｏ到y(tǒng)判斷老人跌倒后通過AT指令及時發(fā)送報警信息。

2.2.4 云平臺程序

通過WiFi模塊與云服務建立網(wǎng)絡連接，并通過該連接將設備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，實現(xiàn)設備與云平臺之間的實時通信和數(shù)據(jù)交互，包括WiFi初始化、WiFi連接控制函數(shù)、機智云初始化等。

3 硬件設計

圖4采用傳感器到單片機、單片機到執(zhí)行器的工作模式，通過3軸數(shù)字輸出加速度傳感器檢測老人當前的身體姿態(tài)，并采用I2C通信協(xié)議將老人的姿態(tài)信息上傳到單片機，當姿態(tài)信息達到單片機設定的閾值時，系統(tǒng)判斷監(jiān)測對象跌倒，此時通信模塊動作，將GPS檢測的經(jīng)緯度信息以短信的形式發(fā)送到監(jiān)護人的手機上，并進行聲光報警。傳感器在此過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將通過WiFi模塊同步上傳到云平臺。

3.1 控制層

硬件平臺采用以STM32F103C8T6為核心的控制系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的51系列單片機，STM32具有高性能、低功耗、高穩(wěn)定性等優(yōu)點。同時還具有豐富的外設資源，包括定時器、中斷控制器、串行通信接口、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器等。這使得STM32單片機可以適應更多的應用場景，如嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等，更適合現(xiàn)代工業(yè)應用。

3.2 感知層

ADXL345是ADI公司推出的基于MEMS技術的3軸數(shù)字輸出加速度傳感器，其分辨率高達13位，靈敏度高達

3.9 mg/LSB，能測量到最小1.0°的傾斜角度變化，具有±2g、±4g、±8g、±16g測量范圍[9]，適用于需要精確測量加速度的場景。其工作原理是基于陶瓷電容式MEMS（微機電系統(tǒng)）技術。這種傳感器的結(jié)構特點是在硅基底上制作出微小的懸空結(jié)構，形成一個具有彈性的微懸梁。當傳感器受到加速度作用時，微懸梁會發(fā)生形變，進而引起電容值的變化。通過對電容值的測量和處理，可以得到加速度的大小和方向。本系統(tǒng)選用ADXL345檢測病人的身體姿態(tài)，并通過程序判斷病人是否跌倒，模塊如圖5所示。

3.3 GPS定位模塊

GYGPSNEO6MV2是一款高性能、低功耗的GPS模塊，具有體積小、定位精度高、兼容性強等特點，可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的高精度定位。該模塊采用了最新的GNSS技術，支持 GPS、GLONASS、北斗、伽利略等全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，被廣泛應用于需要高精度定位的場景，如智能交通、車載導航、戶外探險、無人機、智能家居等。GYGPSNEO6MV2模塊主要通過接收衛(wèi)星信號、信號處理、定位計算、數(shù)據(jù)輸出、故障檢測與處理以及電源管理等方式，實現(xiàn)全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的高精度定位功能。本系統(tǒng)選用GYGPSNEO6MV2檢測病人跌倒后的位置信息，模塊如圖6所示。

3.4 執(zhí)行層

SIM800C模塊是一款高性能、高性價比的工業(yè)級GSM/GPRS模塊。其采用城堡孔封裝，具有性能穩(wěn)定、外觀小巧、性價比高等特點。該模塊的工作頻率涵蓋GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz頻段，可以低功耗實現(xiàn)語音、短信和數(shù)據(jù)信息的傳輸[10]。SIM800C模塊通過接收和發(fā)送無線信號，實現(xiàn)語音、短信和數(shù)據(jù)傳輸，同時支持外部電源和USB接口供電，并通過UART端口與上級處理器進行通信和控制。本系統(tǒng)選用SIM800C在病人跌倒后將其位置信息以短信的方式發(fā)送給監(jiān)護人，模塊如圖7所示。

3.5 通信層

ESP8266是一款WiFi網(wǎng)絡模塊，在物聯(lián)網(wǎng)領域得到廣泛應用，可以通過串口通信和WiFi網(wǎng)絡模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠程控制，具有低功耗、高性能、可擴展性強等特點，適用于物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等場景。同時ESP8266的可編程性較強，用戶可以根據(jù)需要對其進行配置和編程，滿足不同的應用需求。本系統(tǒng)通過ESP8266與云服務建立網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)設備與云平臺之間的數(shù)據(jù)交互，模塊如圖8所示。

4 系統(tǒng)測評

4.1 系統(tǒng)響應流程

對于系統(tǒng)硬件電路，按鍵部分用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，OLED顯示屏顯示當前的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)，蜂鳴器用于報警，陀螺儀用以檢測佩戴者的身體姿態(tài)，發(fā)光LED小燈用來進行報警指示，電源接口用來連接電源。此外，系統(tǒng)硬件電路還包括外接揚聲器的語音播報模塊、STM32單片機、短信發(fā)送模塊、GPS定位模塊。

在操作時，當GPS上的指示燈閃爍時表明定位成功。開機后OLED顯示屏顯示時間、定位狀態(tài)、跌倒檢測狀態(tài)以及行走步數(shù)。按下系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)鍵，顯示屏會顯示跌倒檢測和計步檢測的參數(shù)，當在設定的時間范圍內(nèi)（通常設定為500 ms）超過了設定的角度差值，系統(tǒng)判定為跌倒狀態(tài)。當計步檢測前后差值超過了設定參數(shù)，在規(guī)定時間范圍內(nèi)改變姿態(tài)，記行走一步，增加步數(shù)參數(shù)。系統(tǒng)參數(shù)可通過對應的按鍵進行調(diào)節(jié)。

當系統(tǒng)判定佩戴者處于跌倒狀態(tài)時，系統(tǒng)蜂鳴器發(fā)出警報的同時指示燈閃爍，外加語音播報提醒旁人并發(fā)送佩戴者的狀態(tài)信息和經(jīng)緯度信息到指定設備。如果系統(tǒng)判斷錯誤，可以按下對應按鍵取消聲光警報，顯示屏顯示“正?！薄?/p>

當延時控制功能開啟時，設定好參數(shù)后，系統(tǒng)檢測到跌倒狀態(tài)，在設定時間內(nèi)LED燈閃爍，蜂鳴器、語音播報模塊等暫時不工作，為佩戴者處理自身狀況留夠時間。此時若在達到系統(tǒng)設定時間前，佩戴者按下狀態(tài)取消按鍵，則系統(tǒng)回到正常運行狀態(tài)；反之，進入異常狀態(tài)處理流程。

在顯示屏界面中，系統(tǒng)可調(diào)節(jié)的參數(shù)包括延時控制時間開關及參數(shù)、跌倒檢測參數(shù)、計步檢測參數(shù)、聲光報警開關、掉電可保存的報警號碼參數(shù)、系統(tǒng)時分秒時間參數(shù)、定位信息經(jīng)緯度參數(shù)，實物如圖9所示。

4.2 跌倒檢測準確率測試

由團隊5名成員模擬監(jiān)測對象進行測試，每人進行2類5組模擬測試，每組2次，總計100次實驗。測試分為相對靜止狀態(tài)與相對運動狀態(tài)兩類情況，以涵蓋實際情況的多樣性。相對靜止狀態(tài)是指一般情況下正常人未進行劇烈運動時的狀態(tài)；相對運動狀態(tài)是指劇烈運動后的狀態(tài)。每人每組的模擬實驗內(nèi)容都包括步行、跑步、下蹲、彎腰、跌倒5類動作，測試結(jié)果見表1、表2所列。

在本模擬測試中，步行、跑步、彎腰皆為干擾選項，不應該發(fā)出警報。由表1可知，在相對靜止狀態(tài)下的測試數(shù)據(jù)正確率達到96%；在相對運動狀態(tài)下的正確率達到90%。本模擬測試中干擾項共計80次，干擾項警報5次；跌倒項共計20次，警報18次，總體正確率為90%。綜上可知，本系統(tǒng)產(chǎn)品基本可滿足實際應用要求。

4.3 系統(tǒng)遠程監(jiān)控界面

系統(tǒng)通過WiFi連接設備，即可在該設備上遠程觀察系統(tǒng)狀態(tài)，主要顯示的信息包括經(jīng)緯度、跌倒狀態(tài)、行走步數(shù)等。系統(tǒng)遠程監(jiān)控界面如圖10所示。

5 結(jié) 語

隨著人口老齡化和慢性疾病等情況的增加，健康管理變得尤為關鍵?？纱┐魇皆O備與物聯(lián)網(wǎng)技術的結(jié)合為實現(xiàn)個性化、連續(xù)的健康監(jiān)測和管理提供了新機遇。這項研究意義重大，它可以通過實時監(jiān)測和管理、長期追蹤和預防等促進人們進行個性化健康管理，樹立健康意識并改變自身行為。

本系統(tǒng)基于SIM短信發(fā)送技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、GPS定位技術以及三軸數(shù)字加速度傳感器ADXL345設計了一款可穿戴式健康管家。利用三軸數(shù)字加速度傳感器判斷佩戴者是否跌倒，檢測到狀態(tài)異常后，SIM短信發(fā)送模塊會將GPS采集的定位信息發(fā)送到指定的手機號碼，做出報警提示，同時WiFi模塊將跌倒信息上傳到云平臺，可從多個渠道獲取信息，及時展開救援。外殼的二維碼可使救護人員快速審查病因，施行精確快速的診斷與救治。未來，這款產(chǎn)品采集的數(shù)據(jù)可以呈現(xiàn)到地圖上，通過定位系統(tǒng)為救護行動規(guī)劃最優(yōu)路線。

注：本文通訊作者為許少娟。

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