紀(jì)凱鑫，劉石堯，鄭子爍，劉超英，文 浩

（1.肇慶學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061；2.廣東省肇慶市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東 肇慶 526070）

老年人健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

紀(jì)凱鑫1，劉石堯1，鄭子爍1，劉超英1，文 浩2

（1.肇慶學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061；2.廣東省肇慶市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東 肇慶 526070）

老人健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為3部分：多功能手表、小型血壓計(jì)和移動(dòng)終端APP.穿戴式端分為主機(jī)和從機(jī)2部分，均采用一顆具有硬件浮點(diǎn)單元的STM32F405芯片作為核心處理器.手表端嵌入u/cosii操作系統(tǒng)管理所有軟件的運(yùn)行，同時(shí)移植了STemWin，結(jié)合一塊5.133 cm的電容觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互.結(jié)合板上多種傳感器，如6軸慣性傳感器、心率傳感器、體溫傳感器和作為從機(jī)的小型血壓計(jì)，可以輕松監(jiān)測(cè)老人身體的多個(gè)健康因素以及是否發(fā)生摔倒等情況.此外，手表可以通過(guò)WiFi連入互聯(lián)網(wǎng)綁定的指定手機(jī)，家人就可以通過(guò)手機(jī)APP即時(shí)獲取數(shù)據(jù)，了解老人的身體情況，也可通過(guò)手機(jī)傳遞一些簡(jiǎn)單命令，使用十分靈活.

摔倒檢測(cè)；健康檢測(cè)；互聯(lián)網(wǎng)

0 引言

隨著中國(guó)人口老齡化的加重，空巢老人的健康和安全問(wèn)題成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn).相關(guān)研究表明，老人摔倒和心臟問(wèn)題造成的死亡所占比例相當(dāng)高，每年應(yīng)對(duì)老人意外事故的財(cái)政支出都相當(dāng)大.如果可以預(yù)防或者當(dāng)老人遇到此類(lèi)問(wèn)題時(shí)能使之得到及時(shí)救助，則可有效緩解社會(huì)各方面的壓力.

可穿戴式設(shè)備是近幾年興起的研究題目，隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，可穿戴設(shè)備朝著微型化和智能化的方向發(fā)展.其應(yīng)用愈來(lái)愈廣，如近來(lái)很流行的智能眼鏡、手套、運(yùn)動(dòng)手環(huán)和手表，等等.穿戴式智能設(shè)備正在從實(shí)驗(yàn)階段不斷向商業(yè)化和產(chǎn)品化發(fā)展，逐步走向成熟.

針對(duì)孤寡老人的健康安全問(wèn)題和穿戴式智能設(shè)備這2個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了老人健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng).通過(guò)該健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，家人可以通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控在家中老人的身體情況，必要時(shí)還可以緊急報(bào)警，有效地為獨(dú)居式孤寡老人提供保障.

1 系統(tǒng)的簡(jiǎn)介和功能

1.1 系統(tǒng)的組成

本監(jiān)測(cè)產(chǎn)品主要由可穿戴設(shè)備與移動(dòng)終端的APP組成.可穿戴設(shè)備又由多功能智能手表和小型血壓計(jì)組成.

小型血壓計(jì)由主控芯片、WiFi模塊、血壓傳感器、開(kāi)關(guān)電路、電源電量管理電路和LED提示電路構(gòu)成.

在手表端，主要集成了WiFi模塊、6軸慣性傳感器、紅外體溫傳感器、高精度心率傳感器、光敏傳感器、電源電量管理電路、一鍵開(kāi)關(guān)機(jī)電路和震動(dòng)馬達(dá)等.

由于血壓計(jì)傳感器的體積比較大，若集成在手表上將給穿戴者造成諸多不便.為此，我們采用了分立式設(shè)計(jì)，手表可通過(guò)自帶的WiFi與血壓計(jì)進(jìn)行無(wú)線連接，并且血壓計(jì)采用被動(dòng)式測(cè)量的方式.即手表端根據(jù)設(shè)定的時(shí)間會(huì)對(duì)人體進(jìn)行提醒，而后手表和血壓計(jì)兩者將通過(guò)WiFi局域網(wǎng)相連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)交流.

該智能手表體積小巧，采用5.133 cm高分辨率的TFT電容屏對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，通過(guò)WiFi連接APP的網(wǎng)絡(luò)功能是本設(shè)計(jì)的一大特色.軟件方面采用了UCOSII嵌入式操作系統(tǒng)和STemwin圖形設(shè)計(jì)，根據(jù)老人的生理特點(diǎn)，采用簡(jiǎn)潔的圖形界面和簡(jiǎn)單靈活的操作方式，便于老人進(jìn)行操作.靈活的任務(wù)調(diào)度高效并實(shí)時(shí)地處理了多個(gè)傳感器之間的數(shù)據(jù)運(yùn)行.手表通過(guò)WiFi可以接入家中的路由器或其他公共場(chǎng)合的無(wú)線熱點(diǎn)，最終通過(guò)服務(wù)器與家人手機(jī)的APP建立連接，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換.

1.2 系統(tǒng)的功能

1）基本功能.智能手表除了顯示的時(shí)間日期外，在屏幕上還可以顯示當(dāng)前電量、WiFi連接狀態(tài)和各種傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)觸控滑動(dòng)和點(diǎn)擊可以在各個(gè)菜單之間進(jìn)行靈活切換.

2）解鎖功能.利用觸屏和慣性傳感器，可支持觸控滑動(dòng)解鎖屏或者翻腕手勢(shì)解鎖.

3）屏幕亮度調(diào)節(jié)功能.通過(guò)光感電路可以實(shí)現(xiàn)屏幕亮度的調(diào)節(jié)，達(dá)到低功耗的效果.

4）心率、體溫和血壓檢測(cè)功能.手表利用了安裝在手表底部的心率傳感器和體溫傳感器，實(shí)時(shí)記錄老人的體溫和心率數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊屏幕可查詢(xún)?cè)敿?xì)狀態(tài).

5）摔倒檢測(cè)功能.通過(guò)6軸慣性傳感器，采用閾值判別算法對(duì)老人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)生摔倒情況，將通過(guò)振動(dòng)馬達(dá)提示穿戴者是否報(bào)警；穿戴者可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，防止誤報(bào)情況發(fā)生.如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)手表一直檢測(cè)到危險(xiǎn)信號(hào)，而穿戴者又沒(méi)有解除危險(xiǎn)信號(hào)，超過(guò)設(shè)定時(shí)間手表將會(huì)立即自動(dòng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向家人發(fā)出求助信號(hào).

6）一鍵多功能設(shè)計(jì).我們?cè)跈C(jī)身上采用一鍵設(shè)計(jì)，摒棄了以往單片機(jī)系統(tǒng)不靈活的撥碼式開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì).此鍵長(zhǎng)按可以開(kāi)關(guān)機(jī)，中長(zhǎng)按可緊急報(bào)警，防止出現(xiàn)其他意外情況而無(wú)法及時(shí)報(bào)警，短按可以進(jìn)行鎖屏或者解鎖.一鍵多用的設(shè)計(jì)也是本設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)之一.

7）智能提醒功能.手表接入網(wǎng)絡(luò)后自動(dòng)將數(shù)據(jù)跟APP同步，根據(jù)APP的設(shè)置進(jìn)行智能提醒，如提醒吃藥等.網(wǎng)絡(luò)功能是本設(shè)計(jì)的特色功能.以往的設(shè)備只能通過(guò)藍(lán)牙等局域連接進(jìn)行傳輸，傳輸距離十分有限，采用網(wǎng)絡(luò)連接即可突破這個(gè)限制.

8）網(wǎng)絡(luò)時(shí)間校準(zhǔn)功能.使用單片機(jī)系統(tǒng)制作的時(shí)間系統(tǒng)，往往因?yàn)榫д窕蛘咝酒仍蛑率箷r(shí)鐘走時(shí)不準(zhǔn)確.而我們?cè)O(shè)計(jì)的手表，當(dāng)接入服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)來(lái)往之后，會(huì)在一定的時(shí)間間隔后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)間的校準(zhǔn)，消除了手表時(shí)鐘走時(shí)不準(zhǔn)的弊端.

9）在手機(jī)端，家人可以通過(guò)APP對(duì)手表進(jìn)行各種設(shè)置，通過(guò)注冊(cè)賬號(hào)進(jìn)行登錄.在APP上，可查看手表同步過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并且設(shè)置是否接收?qǐng)?bào)警提示.服務(wù)器是手表和APP進(jìn)行連接的橋梁，服務(wù)器和手表通過(guò)websocket協(xié)議進(jìn)行全雙工實(shí)時(shí)通信，同時(shí)也將通過(guò)這個(gè)協(xié)議與APP進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，并且服務(wù)器會(huì)將獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新到數(shù)據(jù)庫(kù)中.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇

2.1 主控芯片的選擇

本次設(shè)計(jì)選擇基于ARM內(nèi)核的STM32單片機(jī).該系列均為32位的單片機(jī)，是ST公司專(zhuān)為高性能較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的單片機(jī)，擁有極為豐富的片內(nèi)外資源[1]，F(xiàn)4系列最高可穩(wěn)定工作在168 MHz的頻率，可以運(yùn)行如UCOS的嵌入式操作系統(tǒng)，適合應(yīng)用于復(fù)雜的嵌入工作.F4系列具有高性能的硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元，結(jié)合DSP庫(kù)可以勝任大量的運(yùn)算工作.其性?xún)r(jià)比也相當(dāng)高，因此得到了廣泛應(yīng)用.

由于本設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，實(shí)時(shí)性要求高，運(yùn)行UCOSII時(shí)，液晶顯示要求有較大的內(nèi)存，并且得到慣性傳感器的數(shù)據(jù)后需要進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，WiFi與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交流也需要占用一定的資源.STM32F4單片機(jī)作為主控，其資源十分適合本設(shè)計(jì).

2.2 心率傳感器的選擇

心率傳感器選擇SON7015+SON3130.前者是反射式綠光傳感器，后者是軌道軌輸入/輸出四運(yùn)放，兩者結(jié)合可以十分精確地測(cè)量出人體的心率，可輸出與心臟脈搏同步的方波信號(hào)和正弦信號(hào)，在人體任何裸露的皮膚皆可測(cè)量，適合產(chǎn)品化的設(shè)計(jì).其缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，手工焊接難度較大；但從精度的角度出發(fā)，該芯片在同類(lèi)產(chǎn)品中較為出色.

2.3 體溫傳感器的選擇

本設(shè)計(jì)選用MLX90615紅外溫度傳感器.這款溫度傳感器用于非接觸式的檢測(cè)方式，探測(cè)精度十分高，其分辨率可高達(dá)0.02°.傳感器的輸出噪聲十分小，與外部連接采用IIC通信，電路簡(jiǎn)單，體積小巧，可靠性高.結(jié)合精度和體積因素考慮，MLX90615較為適合本次的設(shè)計(jì).

2.4 慣性傳感器的選擇

慣性傳感器采用MPU6050的6軸慣性傳感器.這款慣性傳感器結(jié)合了3軸加速度計(jì)和3軸陀螺儀，通過(guò)IIC或者SPI協(xié)議可以讀出測(cè)量的原始數(shù)據(jù).該傳感器內(nèi)部嵌入DMP引擎[2]，配合官方的運(yùn)動(dòng)庫(kù)自身便可進(jìn)行數(shù)據(jù)融合演算，大大節(jié)省了CPU資源，所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性高，可以方便地進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算；但該傳感器同樣存在漂移問(wèn)題，需要算法校準(zhǔn).

2.5 血壓傳感器的選擇

血壓傳感器采用動(dòng)聯(lián)創(chuàng)科的數(shù)字血壓檢測(cè)模塊.該模塊測(cè)量原理為示波法，通過(guò)阻塞袖帶中的振蕩波測(cè)量，實(shí)現(xiàn)動(dòng)脈血壓的間接測(cè)量.通過(guò)串口發(fā)送AT指令，即可讀出測(cè)量出的收縮壓和舒張壓.該模塊誤差較小，為0.4 KPa，應(yīng)用于心率為40～180 bmp的范圍.

2.6 WiFi模塊的選擇

WiFi模塊采用USR-WIFI1232模塊.該模塊體積很小，內(nèi)置天線，采用串口即可與單片機(jī)連接.模塊內(nèi)置IPv4,TCP/UDP/FTP/HTTP協(xié)議棧，支持STA/AP/STA+AP共存工作模式.該模塊十分適合多向通信，支持智能連接，方便與服務(wù)器對(duì)接，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)連接和雙向數(shù)據(jù)交流，可大大節(jié)省CPU資源.

2.7 屏幕的選擇

單片機(jī)的顯示大多基于液晶屏，在本設(shè)計(jì)中，我們采用5.133 cm的進(jìn)口彩色液晶屏，分辨率為240*240，并且配備了iic接口的電容觸控屏，尺寸恰好適用于智能手表.屏幕結(jié)合簡(jiǎn)潔靈活的UI顯示和觸控操作，老人操作十分方便.

2.8 服務(wù)器的構(gòu)建與移動(dòng)終端的軟件編寫(xiě)

為了降低手表的功耗和實(shí)現(xiàn)全雙工的通信方法，本設(shè)計(jì)服務(wù)器的構(gòu)建采用HTML5中的一種新協(xié)議——WebSocket協(xié)議.

移動(dòng)終端是基于android 5.1編寫(xiě)的手機(jī)APP.APP的主要功能是實(shí)現(xiàn)用戶(hù)登錄、用戶(hù)管理、smartlink的實(shí)現(xiàn)、設(shè)備二維碼的綁定、功能設(shè)置、實(shí)時(shí)獲取手表的狀態(tài)及檢測(cè)的數(shù)據(jù)等.APP與手表之間是通過(guò)Web-Socket協(xié)議進(jìn)行全雙工通信的，而與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接則通過(guò)Servlet實(shí)現(xiàn).

3 程序工作流程和硬件框圖

3.1 智能手表工作流程

圖1 智能手表程序流程圖

從圖1中可以看出，當(dāng)按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)上電，首先執(zhí)行按鍵檢測(cè)程序；一旦檢測(cè)到開(kāi)機(jī)信號(hào)，則整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，啟動(dòng)ucosII；在ucosII任務(wù)調(diào)度器的安排下，每個(gè)線程開(kāi)始按照系統(tǒng)心跳進(jìn)行自身的工作[3].一旦檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)時(shí)，會(huì)即刻通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向家人報(bào)警.

3.2 智能手表硬件框圖

圖2 智能手表的硬件組成

3.3 小型血壓計(jì)的工作方式

血壓計(jì)的工作方式如下：當(dāng)按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)上電，首先執(zhí)行按鍵檢測(cè)程序；一旦檢測(cè)到開(kāi)機(jī)信號(hào)，則整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，啟動(dòng)ucosII；在ucosII任務(wù)調(diào)度器的安排下，每個(gè)線程開(kāi)始按照系統(tǒng)心跳進(jìn)行自身的工作.WiFi與手表進(jìn)行連接，接收到手表命令后進(jìn)行測(cè)量工作，將測(cè)量的數(shù)據(jù)上報(bào)給手表.

3.4 服務(wù)器與手機(jī)APP工作方式

服務(wù)器與智能手表之間依靠websocket協(xié)議進(jìn)行雙向的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交流，并且服務(wù)器也將和手機(jī)APP進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)交流，達(dá)到了溝通APP與智能手表的目的.同時(shí)，服務(wù)器也將從APP和智能手表中獲取的數(shù)據(jù)更新到數(shù)據(jù)庫(kù)中，從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取有用的信息.

第1次使用APP時(shí)，必須先注冊(cè)賬號(hào)，再通過(guò)手表上附帶的二維碼進(jìn)行設(shè)備綁定.綁定之后APP將通過(guò)服務(wù)器搜索該手表是否接入網(wǎng)絡(luò).如果沒(méi)接入網(wǎng)絡(luò)，將會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的提示；如果已經(jīng)接入，則進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和更新，同時(shí)將手機(jī)端設(shè)置的命令發(fā)送到手表進(jìn)行相應(yīng)的更新.

通過(guò)對(duì)比確定單片機(jī)的算法是否準(zhǔn)確.以此來(lái)修改算法，使之達(dá)到最優(yōu)的檢測(cè)效果.

檢測(cè)摔倒方案的實(shí)現(xiàn).在摔倒的前期測(cè)試中，分別測(cè)試了mpu6050的角度和合加速度，針對(duì)生活中一些常見(jiàn)的動(dòng)作進(jìn)行測(cè)試分析，分別測(cè)試了垂直起跳、從椅子上起立、坐到椅子上、行走、前摔、左摔、右摔等多種狀態(tài)，采用上位機(jī)進(jìn)行觀察.

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和查閱相關(guān)資料可知，在人體摔倒后的2～4 s內(nèi)人體處于水平狀態(tài)，其小臂基本接近水平，由此傾角的閾值或者傾角的變化量可以確定.通過(guò)這2個(gè)閾值，就能計(jì)算出老人此時(shí)的身體運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

4 結(jié)論

本系統(tǒng)利用無(wú)線路由器和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)在家的孤家寡人，實(shí)現(xiàn)了穿戴式設(shè)備與智能手機(jī)的無(wú)線遠(yuǎn)程連接.通過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和智能化的提醒功能，降低了老人在家出現(xiàn)意外事故而得不到及時(shí)救助的概率.

[1] 張洋.STM32F4開(kāi)發(fā)指南—寄存器版本[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013．

[2] 李建忠.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[3]LABROSSE J J.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCOS-II[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

Health Monitoring System of the Lonely Old

JI Kaixin1，LIU Shiyao1，ZHENG Zishuo1，LIU Chaoying1,WEN Hao2
（1.School of Electronic and Electrical Engineering,Zhaoqing University,Zhaoqing,Guangdong 526061,China;2.Zhaoqing Institute of Quality Inspection and Metrology of Guangdong,Zhaoqing,Guangdong 526070,China）

Health monitoring system of the lonely old is divided into three parts:a multi-function watch,a small sphygmomanometer and a mobile terminal APP.The wearable equipment includes two parts:host and slave machine,both of which adopt a chip STM32F405 with hardware floating-point unit as the core processor.Au/cosii operating system is implanted into the watch to run all softwares and the STemWin is transplanted,combined with a 1.54-inch touch screen,to achieve human-computer communication.With a variety of sensors(the 6-axis inertial sensor,the heart rate sensor,the temperature sensor and a small sphygmomanometer as the slave machine)on a plate,many health factors of old people and falling conditions can be easily monitored.In addition,the watch can be connected with the designated mobile phones by WiFi so that the family members can obtain the instant data by the APP to know the physical condition of old people.Even some simple commands can be sent by the cell phone,which is very flexible to use.

fall detection；health monitoring；the Internet

TB472

A

1009-8445（2017）05-0022-05

2016-12-19

2015年肇慶學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510580094）

紀(jì)凱鑫（1996-），男，廣東汕頭人，肇慶學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院學(xué)生.

劉超英（1960-），男，陜西三原人，肇慶學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院教授，博士.

（責(zé)任編輯：陳 靜，姜學(xué)霞）