基于STM32的智慧養(yǎng)老監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：基于醫(yī)療健康的理念，文章設(shè)計(jì)了一款對(duì)老人居家環(huán)境監(jiān)測(cè)和生理參數(shù)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了多種傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)老人心率、血氧和體溫等生理參數(shù)，通過(guò)OLED顯示屏和手機(jī)客戶端進(jìn)行顯示。系統(tǒng)具備跌倒檢測(cè)功能，當(dāng)老人跌倒時(shí)，觸發(fā)GSM模塊運(yùn)行并立即發(fā)送短信通知子女，從而確保能及時(shí)采取救助措施；煙霧報(bào)警功能能有效檢測(cè)到煙霧的存在，及時(shí)發(fā)出警報(bào)，以保障老年人的居家安全。該監(jiān)護(hù)系統(tǒng)不僅提升了老年人的生活質(zhì)量，也為家屬提供了更為可靠的監(jiān)護(hù)手段。

關(guān)鍵詞：STM32；智慧養(yǎng)老；摔倒檢測(cè)；氣體檢測(cè)；智能手環(huán)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

截至2023年年底，全國(guó)60歲及以上人口為29697萬(wàn)人，占全國(guó)人口的21.1%；其中65歲及以上人口為21676萬(wàn)人，占全國(guó)人口的15.4%^［1］。中國(guó)人口老齡化的形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，國(guó)家“十四五”規(guī)劃和黨的二十屆三中全會(huì)決議中，延遲法定退休年齡的內(nèi)容都被放在與人口發(fā)展有關(guān)的部分。智慧養(yǎng)老能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使養(yǎng)老服務(wù)信息數(shù)據(jù)化，為老年人提供更好的養(yǎng)老服務(wù)的同時(shí)還能緩解社會(huì)養(yǎng)老壓力。

因此，本文基于STM32設(shè)計(jì)了智慧養(yǎng)老監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括智能手環(huán)以及廚房煙霧報(bào)警器2部分^［2］，其中智能手環(huán)具備計(jì)步、心率血氧檢測(cè)及聯(lián)網(wǎng)等功能，同時(shí)具備摔倒檢測(cè)功能，當(dāng)檢測(cè)到老人摔倒時(shí)，蜂鳴器會(huì)報(bào)警并給子女手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信，提醒老人摔倒；煙霧報(bào)警器能夠檢測(cè)天然氣、煤氣、一氧化碳等氣體，達(dá)到判定泄漏的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，機(jī)器內(nèi)部的蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲響，提醒老人關(guān)閉閥門(mén)，以有效避免火災(zāi)等事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

本智慧養(yǎng)老監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用STM32處理器作為主控制器，主要包括MPU6050加速度傳感器、MAX30102心率脈搏傳感器、蜂鳴器、OLED液晶屏、MQ-2煙霧傳感器、GSM通信模塊和ESP8266 WiFi模塊組成，能實(shí)現(xiàn)氣體檢測(cè)、生理參數(shù)監(jiān)測(cè)、摔倒檢測(cè)、GPS定位和通信等功能^［3］，同時(shí)，能實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)顯示在OLED屏幕和手機(jī)App中，用戶可通過(guò)按鍵或App調(diào)整心率、血氧和體溫的報(bào)警閾值。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)采用STM32系列的CortexM3處理器STM32 F103c8t6，具有高性?xún)r(jià)比、高性能、低功耗等特點(diǎn)；支持16個(gè)外部中斷和多種優(yōu)先級(jí)設(shè)置，提高了實(shí)時(shí)響應(yīng)能力；集成了ADC、DAC、USART、SPI、IIC、USB等多種外設(shè)接口，方便與其他設(shè)備連接和數(shù)據(jù)傳輸；內(nèi)置 64 kB Flash和20 kB SRAM，適合儲(chǔ)存程序代碼和運(yùn)行數(shù)據(jù)。該芯片被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)療設(shè)備、傳感器節(jié)點(diǎn)等多個(gè)領(lǐng)域。

2.2 GSM通信電路設(shè)計(jì)

通信芯片采用SIMCom公司推出的緊湊型新產(chǎn)品SIM900A，該模塊為雙頻GSM/GPRS類(lèi)型，使用SMT封裝，具有穩(wěn)定的性能和精巧的外觀，同時(shí)性?xún)r(jià)比優(yōu)秀，能夠滿足不同用戶的需求。在實(shí)現(xiàn)斷線自動(dòng)重連功能時(shí)，涉及DCD和RI 2個(gè)引腳的使用。DCD引腳負(fù)責(zé)模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)模塊掉線時(shí)，會(huì)向DCD引腳發(fā)送高電平信號(hào)，模塊則會(huì)根據(jù)這一信號(hào)采取措施重新連接。RI引腳在模塊在線時(shí)始終保持高電平，接收到電話和短信時(shí)，該引腳會(huì)出現(xiàn)低電平，當(dāng)RI引腳檢測(cè)到這一變化，模塊就會(huì)相應(yīng)切換到短信或電話模式。

2.3 氣體檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

MQ-2煙零傳感器是一種常用的氣體傳感器，主要用于檢測(cè)空氣中的煙霧濃度。它的工作原理如下：MQ-2煙零傳感器內(nèi)部包含了1個(gè)可燃?xì)怏w傳感器元件和1個(gè)電化學(xué)傳感器元件。當(dāng)空氣中存在可燃?xì)怏w或煙霧時(shí)，這些氣體會(huì)與傳感器元件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致傳感器元件的電阻發(fā)生變化^［4］。MQ-2煙霧傳感器通過(guò)檢測(cè)傳感器元件的電阻值變化來(lái)判斷空氣中的煙霧濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧的檢測(cè)。

2.4 生理參數(shù)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

MAX30102是一款高度集成的脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)模塊，由Maxim Integrated（現(xiàn)為Analog Devices公司的一部分）設(shè)計(jì)生產(chǎn)，專(zhuān)為可穿戴設(shè)備、便攜式醫(yī)療設(shè)備以及其他需要進(jìn)行非侵入式血氧飽和度（SpO2）和心率監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合而設(shè)計(jì)^［5］。MAX30102傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括3個(gè)方面：光源模塊、信號(hào)處理模塊、接口通信模塊^［6］。

MAX30102傳感器的INT為中斷引腳，當(dāng)傳感器內(nèi)部檢測(cè)到特定事件時(shí)，可通過(guò)該引腳向主控MCU發(fā)送中斷信號(hào)，SCL引腳為IIC總線的時(shí)鐘線，連接到STM32 F103C8T6單片機(jī)的PB10引腳，SDA引腳為IIC總線的數(shù)據(jù)線，與STM32 F103C8T6的PB11引腳相接。

2.5 摔倒檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

MPU6050是InvenSense公司推出的6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，內(nèi)部集成了三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器，配有IIC接口以連接外部磁力傳感器。它還具備數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（DMP），能夠通過(guò)主IIC接口輸出整合的9軸數(shù)據(jù)。InvenSense 提供的基于DMP的運(yùn)動(dòng)處理驅(qū)動(dòng)庫(kù)，顯著減輕了單片機(jī)的處理負(fù)擔(dān)，降低了編程難度。該傳感器主要用于對(duì)運(yùn)動(dòng)追蹤、姿態(tài)識(shí)別和導(dǎo)航定位等功能要求較高的設(shè)備，例如無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、平衡車(chē)、智能手機(jī)和其他便攜電子產(chǎn)品。

MPU6050的設(shè)計(jì)展現(xiàn)了各個(gè)組件的緊密集成和協(xié)同工作，使其成為運(yùn)動(dòng)跟蹤、姿態(tài)識(shí)別等需要精確運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用的理想選擇。MPU6050的SCL引腳為IIC總線的時(shí)鐘線，連接到STM32 F103C8T6單片機(jī)的PB6引腳，SDA引腳為IIC總線的數(shù)據(jù)線，與STM32 F103C8T6的PB7引腳相接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇

軟件編程環(huán)境選擇Keil uVision5，它是一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE），用于對(duì)嵌入式系統(tǒng)中的微控制器進(jìn)行編程。Keil uVision5是一個(gè)軟件套件，包括源代碼編輯器、項(xiàng)目經(jīng)理、調(diào)試器以及微控制器開(kāi)發(fā)、調(diào)試和編程所需的其他工具。Keil uVision5 IDE主要用于對(duì)基于ARM架構(gòu)的微控制器進(jìn)行編程，支持業(yè)界常用的各種基于ARM的微控制器。它為軟件開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)全面的環(huán)境并允許開(kāi)發(fā)人員以高效的方式編寫(xiě)、編譯和調(diào)試代碼。IDE還包括一個(gè)模擬器，允許開(kāi)發(fā)人員在不需要實(shí)際硬件的情況下測(cè)試他們的代碼。

3.2 主程序軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)核心在于創(chuàng)建終端設(shè)備的主程序，其運(yùn)行依賴(lài)于完善的硬件系統(tǒng)和清晰的軟件架構(gòu)。主程序的工作流程如下：先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，隨后循環(huán)檢測(cè)按鍵，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果更新屏幕顯示內(nèi)容；接著啟動(dòng)血氧、心率及體溫監(jiān)測(cè)功能，使其正常工作。系統(tǒng)利用 MPU6050傳感器判斷老人狀態(tài)是否異常，一旦檢測(cè)到老人跌倒，蜂鳴器立即報(bào)警并發(fā)送短信通知家屬。系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。

3.3 心率血氧檢測(cè)子程序設(shè)計(jì)

當(dāng)手指接觸到MAX30102傳感器，MAX301002內(nèi)置的 LED光源（通常包括紅光LED和紅外光 LED）開(kāi)始發(fā)光^［7］。光線透過(guò)皮膚并照射到血管內(nèi)的血液。當(dāng)LED光照射到皮膚上，透過(guò)皮膚組織的光會(huì)被光敏傳感器接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，整體過(guò)程可以簡(jiǎn)化為：光→電→數(shù)字信號(hào)。程序設(shè)計(jì)流程如下：先初始化IIC接口，然后初始化血氧模塊SPO2_Init（）；檢查樣本并獲取紅光FIFO和紅外FIFO的AC值；對(duì)紅外FIFO進(jìn)行脈沖值過(guò)濾；根據(jù)相應(yīng)算法，通過(guò)光電容積脈搏波描記法（PPG）計(jì)算心跳速率和血氧濃度。心率血氧檢測(cè)子程序流程如圖3所示。

3.4 摔倒檢測(cè)子程序設(shè)計(jì)

在單片機(jī)系統(tǒng)中，利用MPU6050內(nèi)置的DMP處理器對(duì)原始傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行自主解析和計(jì)算，能夠有效提取出 pitch、roll 和 yaw 三軸角度以及加速度值，從而顯著減輕單片機(jī)的計(jì)算負(fù)擔(dān)。隨后，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的數(shù)據(jù)通過(guò) NRF24L01 無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行循環(huán)發(fā)送。考慮到 MPU6050 可能出現(xiàn)的噪聲干擾和單片機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)刷新的需求，數(shù)據(jù)傳輸被分為3個(gè)階段：先將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)地址一，接著發(fā)送相同數(shù)據(jù)到地址二，并在第三階段選擇性地丟棄這批數(shù)據(jù)，然后重復(fù)這一流程。此外，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中特別添加了校驗(yàn)機(jī)制，在每組數(shù)據(jù)末尾增加校驗(yàn)位，以實(shí)時(shí)驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，防止發(fā)送或接收過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而確保信息傳輸?shù)目煽啃院屯暾浴Ｋさ箼z測(cè)子程序流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

4.1 WiFi模塊功能測(cè)試

在系統(tǒng)功能測(cè)試中，經(jīng)過(guò)初始化后，OLED屏幕會(huì)顯示初始數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成后，串行接口會(huì)將當(dāng)前日期、時(shí)間、人體狀態(tài)和各項(xiàng)生理參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸至無(wú)線傳輸模塊。該模塊按照TCP協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和加密，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包發(fā)送至云端服務(wù)器。服務(wù)器收到上傳的數(shù)據(jù)包后，會(huì)將其轉(zhuǎn)發(fā)至手機(jī)客戶端應(yīng)用。最后，手機(jī)客戶端應(yīng)用根據(jù)TCP協(xié)議解析并解密數(shù)據(jù)包，準(zhǔn)確、完整地在界面上展示上傳的所有信息。WiFi模塊功能測(cè)試界面如圖5所示。

4.2 摔倒檢測(cè)模塊功能測(cè)試

根據(jù)閾值檢測(cè)法來(lái)判斷人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)老人摔倒時(shí)，俯仰角或者橫滾角的絕對(duì)值大于30°，判定老人跌倒。蜂鳴器報(bào)警，GSM模塊發(fā)送短信和定位信息到子女手機(jī)上，提醒老人摔倒，須及時(shí)處理。對(duì)摔倒檢測(cè)功能進(jìn)行測(cè)試，同一用戶模擬摔倒行為，做出類(lèi)似于摔倒的動(dòng)作，摔倒檢測(cè)模塊功能測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1的測(cè)試結(jié)果可知，摔倒檢測(cè)模塊的漏報(bào)率為0%，誤報(bào)率為4%。盡管存在一些類(lèi)似檢測(cè)摔倒的行為被誤判為摔倒行為，但是由于老年人的行動(dòng)較為遲緩，誤報(bào)的概率會(huì)降低，因此本摔倒檢測(cè)模塊的可靠性較高。

4.3 生理參數(shù)檢測(cè)模塊功能測(cè)試

采用MAX30102測(cè)量心率和血氧，人正常的心率范圍為60～100次/min，人體正常血氧飽和度為95%以上，當(dāng)心率和血氧不在這個(gè)閾值范圍內(nèi)時(shí)，蜂鳴器會(huì)報(bào)警。利用MPU6050六軸加速度傳感器計(jì)步，DS18B20溫度傳感器測(cè)量溫度。選取6名用戶，對(duì)他們的生理參數(shù)進(jìn)行測(cè)試并將測(cè)試結(jié)果與小米手環(huán)9以及家用溫度計(jì)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。心率、血氧和步數(shù)采集數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比如表2所示；溫度采集數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比如表3所示。由表2—3對(duì)比結(jié)果可知，本系統(tǒng)測(cè)試生理參數(shù)的穩(wěn)定性較佳。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅充分考慮了老年人的生活需求和安全隱患，也借助現(xiàn)代科技手段增強(qiáng)了監(jiān)護(hù)的有效性與便利性。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與傳輸，系統(tǒng)能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)老人的健康狀態(tài)，提供摔倒檢測(cè)和煙霧報(bào)警功能，確保在遇到意外情況時(shí)能夠快速響應(yīng)。同時(shí)，數(shù)據(jù)的上傳與分析為家屬和護(hù)理人員提供了全面的信息支持，幫助他們更好地了解和關(guān)心老人的生活狀況。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，筆者將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)功能，提升用戶體驗(yàn)，使這一監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在保障老年人安全與健康方面發(fā)揮更大的作用，真正實(shí)現(xiàn)安享晚年的目標(biāo)。

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（編輯 沈 強(qiáng)）

Design of smart elderly care monitoring system based on STM32

SHEN" Yan， ZHANG" Tong， CHEN" Mingqiang， WANG" Wei*

（Xianyang Normal University， Xianyang 712000， China）

Abstract：" Based on the concept of medical health， this article designs a system for monitoring the home environment and physiological parameters of the elderly. The system integrates multiple sensors that can monitor physiological parameters such as heart rate， blood oxygen， and body temperature in realtime for the elderly. It is displayed through OLED screens and mobile clients. The system has a fall detection function. When an elderly person falls， it triggers the GSM module to run and immediately sends a text message to notify their children， ensuring timely rescue measures can be taken; The smoke alarm function can effectively detect the presence of smoke and issue an alarm in a timely manner to ensure the safety of the elderly at home. This monitoring system not only improves the quality of life of the elderly， but also provides more reliable monitoring methods for their families.

Key words： STM32; smart aging; fall detection; gas detection; smart wristband