黃文靜，盧雨博，杜雨靜，宗凌軒，馬華紅

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

隨著中國(guó)人口老齡化日趨明顯,越來(lái)越多的獨(dú)居老人因?yàn)樗さ共荒芗皶r(shí)就醫(yī)面臨著生命危險(xiǎn)[1]。為更好的保護(hù)老年人,本文提出了一種健康監(jiān)測(cè)手環(huán)系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)監(jiān)控老人的跌倒情況,當(dāng)監(jiān)測(cè)到老人跌倒后,手環(huán)會(huì)自動(dòng)發(fā)送位置信息到預(yù)先設(shè)置的聯(lián)系人手機(jī),第一時(shí)間讓老年人能夠獲得急救。除此之外,該系統(tǒng)還具有檢測(cè)血氧和PM2.5并實(shí)時(shí)顯示的功能,有極高的使用價(jià)值。

1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示,健康管理手環(huán)系統(tǒng)具有普通手環(huán)的時(shí)間、日期、溫度顯示功能,通過(guò)OLED顯示。還有專門為老人設(shè)計(jì)的跌倒報(bào)警功能,一旦老人摔倒,手環(huán)會(huì)把老人的位置通過(guò)短信發(fā)送到緊急聯(lián)系人的手機(jī)上。另外還有心率和血氧監(jiān)測(cè)功能,一旦這些指標(biāo)超過(guò)正常閾值會(huì)立即報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由鋰電池為其供電,由于充電器輸出電壓大于系統(tǒng)最大供電電壓3.3 V,所以本系統(tǒng)應(yīng)用雙向穩(wěn)壓的MIC5205電源管理模塊進(jìn)行降壓,模塊由兩部分組成。

1) 降壓電路:該部分使用輸出是3.3 V 的電壓調(diào)節(jié)器件MIC5205。VIN接入5 V電壓,GND管腳接地,EN使能端接5 V電壓代表芯片不受其他信號(hào)控制,固定輸出3.3 V電壓。本電路不考慮噪聲影響,故而BYP端不接電容。輸出端接3個(gè)電容起到濾波作用。對(duì)鋰電池以100 mA電流進(jìn)行恒流充電。

2) 充電電路:TP4056 作用于充電電路,采用單節(jié)鋰電池,充電器為線性充電器,電阻可以根據(jù)需要的充電電流設(shè)置,在電壓低于3.3 V時(shí),對(duì)電池進(jìn)行升壓穩(wěn)壓。

2.2 心率傳感器設(shè)計(jì)

該部分使用MAX30102傳感器,電路如圖2所示。MAX30102是一種靈敏度極高的脈搏血氧器和心率監(jiān)測(cè)器,并集成了660 nm紅光LED、880 nm紫外光LED、光電子學(xué)探測(cè)器和具有環(huán)境光控制功能的電路。1.8 V 單電源為該高靈敏度元件供電,內(nèi)部具有LED,單獨(dú)的 5.0 V 電源為其供電。芯片的數(shù)字處理電路部分將ADC切換出來(lái)的原始內(nèi)容進(jìn)行濾波電路處理后放于緩沖區(qū)內(nèi);單片機(jī)利用IIC接口讀取出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。由于MAX30102的邏輯電路的IIC通信電平是1.8 V,需要將相應(yīng)的控制引腳設(shè)置為上拉模式。

圖2 MAX30102模塊電路

2.3 MPU6050傳感器電路設(shè)計(jì)

MPU6050 模塊內(nèi)部同時(shí)安裝了一套3軸的陀螺儀組件和一套3軸的加速度傳感器組件,MPU605模塊通過(guò)這兩套組件測(cè)量得到手環(huán)的軸傾角和軸加速度信號(hào)并最終通過(guò)內(nèi)置的一個(gè)16位高速數(shù)字AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,然后經(jīng)過(guò)I2C接口向應(yīng)用端實(shí)時(shí)地輸出數(shù)據(jù)。AD0是模塊IIC從機(jī)地址設(shè)置引腳,設(shè)置從機(jī)地址為0x68,AD0接低電平。由于串行數(shù)據(jù)線與串行時(shí)鐘線為漏極開路且為雙向口,因此通過(guò)10 k的上拉電阻拉至3.3 V。通過(guò)串行數(shù)據(jù)線上與串行時(shí)鐘線上產(chǎn)生的電平信息來(lái)控制與主控的數(shù)據(jù)傳輸或傳感器與主控之間的中斷。將串行數(shù)據(jù)線電源設(shè)置為高電平,串行時(shí)鐘線信號(hào)由高電平狀態(tài)轉(zhuǎn)換到低電平的狀態(tài)后,傳感器和主控設(shè)備開始完成數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)串行數(shù)據(jù)線設(shè)為高電平狀態(tài),串行時(shí)鐘線從低電壓有效轉(zhuǎn)化成高電壓有效后,傳感器芯片將與主控設(shè)備停止串行同步數(shù)據(jù)線的傳輸。MPU6050電路如圖3所示。

圖3 MPU6050模塊電路

2.4 SIM900A GSM/GPRS 模塊

通信模塊采用載有雙頻GSM/GPRS模塊的SIM900A,電路如圖4所示。SIM900A模塊具有兩組TTL端口,一組為2.85 V的TTL端口,可以與3.3 V的單片機(jī)直接連通,另一個(gè)可以兼容于不同電壓的TTL輸入輸出電平,5 V、3.3 V等的單片機(jī)都能與其連接。在使用時(shí),需要將SIM900A和單片機(jī)的一些端口相連,即可通信。

圖4 SIM900A模塊電路

2.5 溫度傳感器SHT30模塊

SHT3x濕度感應(yīng)器系列結(jié)合了多種功能和端口,測(cè)量方法使用熱電偶的方式,當(dāng)工作端和自由端的溫度不同,就會(huì)在輸出回路產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì),經(jīng)過(guò)電路的變換將這個(gè)電壓的變化送入單片機(jī),轉(zhuǎn)化成可識(shí)別的信息。SHT30通過(guò)IIC通訊,SCL與SDA應(yīng)設(shè)置為開漏輸出,總線上均有上拉電阻,電路如圖5所示。

圖5 SHT30模塊電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 MPU6050摔倒監(jiān)測(cè)及位置獲取與發(fā)送

根據(jù)在正常行動(dòng)時(shí)人體加速度值和角速度的值和跌倒時(shí)的值進(jìn)行比較來(lái)判斷老人是否跌倒,同時(shí)也考慮到由于上下樓梯、彎腰、躺下等情況導(dǎo)致的誤差,本部分主要研究的是如何將老人意外跌倒與日?；顒?dòng)區(qū)分開來(lái)。

圖6 摔倒檢測(cè)流程圖

加速度部分?jǐn)?shù)據(jù)處理:

設(shè)X軸、Y軸、Z軸方向的加速度分別為ax、ay、az,則合加速度SVM為:

(1)

角度部分?jǐn)?shù)據(jù)處理:

MPU6050數(shù)據(jù)處理采用硬件DMP解算,通過(guò)計(jì)算得到歐拉角。當(dāng)人體直立時(shí),人體與Z軸方向的夾角φ一般<60°;當(dāng)人體平躺時(shí),人體與Z軸方向的夾角φ≈90°;當(dāng)人體跌落時(shí),人體從直立狀態(tài)變?yōu)樗綘顟B(tài)。所以將人體傾角Pitch值為60°作為摔倒時(shí)的角度閾值,當(dāng)超過(guò)閾值時(shí),判斷為跌倒。

3.2 心率監(jiān)測(cè)

通過(guò)光電脈搏傳感器所獲得的原始信號(hào),難免會(huì)收到外界環(huán)境的干擾,因此需要對(duì)采集的脈搏波原始信號(hào)進(jìn)行處理。PPG信號(hào)成分的頻率主要集中在0.5～2 Hz之間,為了消除個(gè)體差異,應(yīng)該保留的頻率成分0.5～3 Hz(也就是心率30次/min～180次/min)。首先對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行中值濾波,中值濾波能夠很好地濾除高頻噪聲,同時(shí)還能防止邊緣模糊化。然后再對(duì)其使用巴特沃斯數(shù)字低通濾波器,進(jìn)行進(jìn)一步處理。

3.3 血氧測(cè)量

由朗伯比爾定律經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可以得到血氧的基本數(shù)學(xué)表達(dá)式(2)。此式中的a、b、c是經(jīng)驗(yàn)常數(shù),R是在某個(gè)很小的時(shí)間間隔上,兩種光電信號(hào)的幅度變化量之比。R可以通過(guò)式(3)計(jì)算得到,先計(jì)算紅光的交流除以紅光的直流即ACred/DCred和紅外的交流除以紅外的直流分量即ACired/DCired,然后兩者再相除得到R。在實(shí)際的應(yīng)用中還需要對(duì)傳感器血氧濃度進(jìn)行標(biāo)定才能準(zhǔn)確得出血氧的飽和度,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得a、b、c如式(4)所示,這個(gè)標(biāo)定表達(dá)式實(shí)際上是對(duì)血氧飽和度的二次曲線擬合。

SpO2=aR2+bR+c.

(2)

(3)

SpO2=-45.060×R×R+
30.354×R+94.845.

(4)

4 結(jié)果測(cè)試

打開電源,發(fā)現(xiàn)OLED可以正常顯示時(shí)間、溫度、血氧等數(shù)據(jù),佩戴手環(huán)模擬老人跌倒發(fā)現(xiàn)提前預(yù)設(shè)的緊急聯(lián)系人手機(jī)可以接收到手環(huán)發(fā)送的含有測(cè)試者位置信息的短信,并且手動(dòng)取消報(bào)警后不再發(fā)送短信。此次測(cè)試跌倒和各項(xiàng)數(shù)據(jù)能按照本次設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn),說(shuō)明各項(xiàng)功能完好,測(cè)試初步成功。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于32位微控制器設(shè)計(jì)了老人健康手環(huán)系統(tǒng),在MPU6050數(shù)據(jù)濾波、摔倒檢測(cè)算法和心率、血氧的精確測(cè)量等方面提出了方案。將傳統(tǒng)的手環(huán)增加了專為老年人身體健康設(shè)計(jì)的心率、血氧和摔倒檢測(cè)等功能,增加了系統(tǒng)的實(shí)用性,可以解決當(dāng)前老年人獨(dú)居生活的一些安全問(wèn)題。