老年人健康监测系统的设计

纪凯鑫，刘石尧，郑子烁，刘超英，文 浩

（1.肇庆学院 电子与电气工程学院，广东 肇庆 526061；2.广东省肇庆市质量计量监督检测所，广东 肇庆 526070）

老年人健康监测系统的设计

纪凯鑫1，刘石尧1，郑子烁1，刘超英1，文 浩2

（1.肇庆学院 电子与电气工程学院，广东 肇庆 526061；2.广东省肇庆市质量计量监督检测所，广东 肇庆 526070）

老人健康监测系统分为3部分：多功能手表、小型血压计和移动终端APP.穿戴式端分为主机和从机2部分，均采用一颗具有硬件浮点单元的STM32F405芯片作为核心处理器.手表端嵌入u/cosii操作系统管理所有软件的运行，同时移植了STemWin，结合一块5.133 cm的电容触摸屏来实现人机交互.结合板上多种传感器，如6轴惯性传感器、心率传感器、体温传感器和作为从机的小型血压计，可以轻松监测老人身体的多个健康因素以及是否发生摔倒等情况.此外，手表可以通过WiFi连入互联网绑定的指定手机，家人就可以通过手机APP即时获取数据，了解老人的身体情况，也可通过手机传递一些简单命令，使用十分灵活.

摔倒检测；健康检测；互联网

0 引言

随着中国人口老龄化的加重，空巢老人的健康和安全问题成为社会关注的热点.相关研究表明，老人摔倒和心脏问题造成的死亡所占比例相当高，每年应对老人意外事故的财政支出都相当大.如果可以预防或者当老人遇到此类问题时能使之得到及时救助，则可有效缓解社会各方面的压力.

可穿戴式设备是近几年兴起的研究题目，随着微电子技术的高速发展，可穿戴设备朝着微型化和智能化的方向发展.其应用愈来愈广，如近来很流行的智能眼镜、手套、运动手环和手表，等等.穿戴式智能设备正在从实验阶段不断向商业化和产品化发展，逐步走向成熟.

针对孤寡老人的健康安全问题和穿戴式智能设备这2个热点问题，结合互联网技术，我们设计了老人健康监测系统.通过该健康监测系统，家人可以通过手机实时监控在家中老人的身体情况，必要时还可以紧急报警，有效地为独居式孤寡老人提供保障.

1 系统的简介和功能

1.1 系统的组成

本监测产品主要由可穿戴设备与移动终端的APP组成.可穿戴设备又由多功能智能手表和小型血压计组成.

小型血压计由主控芯片、WiFi模块、血压传感器、开关电路、电源电量管理电路和LED提示电路构成.

在手表端，主要集成了WiFi模块、6轴惯性传感器、红外体温传感器、高精度心率传感器、光敏传感器、电源电量管理电路、一键开关机电路和震动马达等.

由于血压计传感器的体积比较大，若集成在手表上将给穿戴者造成诸多不便.为此，我们采用了分立式设计，手表可通过自带的WiFi与血压计进行无线连接，并且血压计采用被动式测量的方式.即手表端根据设定的时间会对人体进行提醒，而后手表和血压计两者将通过WiFi局域网相连接并进行数据交流.

该智能手表体积小巧，采用5.133 cm高分辨率的TFT电容屏对数据进行显示，通过WiFi连接APP的网络功能是本设计的一大特色.软件方面采用了UCOSII嵌入式操作系统和STemwin图形设计，根据老人的生理特点，采用简洁的图形界面和简单灵活的操作方式，便于老人进行操作.灵活的任务调度高效并实时地处理了多个传感器之间的数据运行.手表通过WiFi可以接入家中的路由器或其他公共场合的无线热点，最终通过服务器与家人手机的APP建立连接，从而实现实时的数据交换.

1.2 系统的功能

1）基本功能.智能手表除了显示的时间日期外，在屏幕上还可以显示当前电量、WiFi连接状态和各种传感器数据，通过触控滑动和点击可以在各个菜单之间进行灵活切换.

2）解锁功能.利用触屏和惯性传感器，可支持触控滑动解锁屏或者翻腕手势解锁.

3）屏幕亮度调节功能.通过光感电路可以实现屏幕亮度的调节，达到低功耗的效果.

4）心率、体温和血压检测功能.手表利用了安装在手表底部的心率传感器和体温传感器，实时记录老人的体温和心率数据，点击屏幕可查询详细状态.

5）摔倒检测功能.通过6轴惯性传感器，采用阈值判别算法对老人的运动状态进行实时监控，一旦发生摔倒情况，将通过振动马达提示穿戴者是否报警；穿戴者可根据实际情况进行选择，防止误报情况发生.如果在设定的时间内手表一直检测到危险信号，而穿戴者又没有解除危险信号，超过设定时间手表将会立即自动通过网络向家人发出求助信号.

6）一键多功能设计.我们在机身上采用一键设计，摒弃了以往单片机系统不灵活的拨码式开关设计.此键长按可以开关机，中长按可紧急报警，防止出现其他意外情况而无法及时报警，短按可以进行锁屏或者解锁.一键多用的设计也是本设计的亮点之一.

7）智能提醒功能.手表接入网络后自动将数据跟APP同步，根据APP的设置进行智能提醒，如提醒吃药等.网络功能是本设计的特色功能.以往的设备只能通过蓝牙等局域连接进行传输，传输距离十分有限，采用网络连接即可突破这个限制.

8）网络时间校准功能.使用单片机系统制作的时间系统，往往因为晶振或者芯片等原因致使时钟走时不准确.而我们设计的手表，当接入服务器进行数据来往之后，会在一定的时间间隔后通过网络进行时间的校准，消除了手表时钟走时不准的弊端.

9）在手机端，家人可以通过APP对手表进行各种设置，通过注册账号进行登录.在APP上，可查看手表同步过来的数据，并且设置是否接收报警提示.服务器是手表和APP进行连接的桥梁，服务器和手表通过websocket协议进行全双工实时通信，同时也将通过这个协议与APP进行实时通信，并且服务器会将获取的数据实时更新到数据库中.

2 系统设计方案的选择

2.1 主控芯片的选择

本次设计选择基于ARM内核的STM32单片机.该系列均为32位的单片机，是ST公司专为高性能较复杂的嵌入式系统开发的单片机，拥有极为丰富的片内外资源[1]，F4系列最高可稳定工作在168 MHz的频率，可以运行如UCOS的嵌入式操作系统，适合应用于复杂的嵌入工作.F4系列具有高性能的硬件浮点运算单元，结合DSP库可以胜任大量的运算工作.其性价比也相当高，因此得到了广泛应用.

由于本设计较为复杂，实时性要求高，运行UCOSII时，液晶显示要求有较大的内存，并且得到惯性传感器的数据后需要进行浮点运算，WiFi与网络的数据交流也需要占用一定的资源.STM32F4单片机作为主控，其资源十分适合本设计.

2.2 心率传感器的选择

心率传感器选择SON7015+SON3130.前者是反射式绿光传感器，后者是轨道轨输入/输出四运放，两者结合可以十分精确地测量出人体的心率，可输出与心脏脉搏同步的方波信号和正弦信号，在人体任何裸露的皮肤皆可测量，适合产品化的设计.其缺点是电路复杂，手工焊接难度较大；但从精度的角度出发，该芯片在同类产品中较为出色.

2.3 体温传感器的选择

本设计选用MLX90615红外温度传感器.这款温度传感器用于非接触式的检测方式，探测精度十分高，其分辨率可高达0.02°.传感器的输出噪声十分小，与外部连接采用IIC通信，电路简单，体积小巧，可靠性高.结合精度和体积因素考虑，MLX90615较为适合本次的设计.

2.4 惯性传感器的选择

惯性传感器采用MPU6050的6轴惯性传感器.这款惯性传感器结合了3轴加速度计和3轴陀螺仪，通过IIC或者SPI协议可以读出测量的原始数据.该传感器内部嵌入DMP引擎[2]，配合官方的运动库自身便可进行数据融合演算，大大节省了CPU资源，所得数据的准确性高，可以方便地进行姿态计算；但该传感器同样存在漂移问题，需要算法校准.

2.5 血压传感器的选择

血压传感器采用动联创科的数字血压检测模块.该模块测量原理为示波法，通过阻塞袖带中的振荡波测量，实现动脉血压的间接测量.通过串口发送AT指令，即可读出测量出的收缩压和舒张压.该模块误差较小，为0.4 KPa，应用于心率为40～180 bmp的范围.

2.6 WiFi模块的选择

WiFi模块采用USR-WIFI1232模块.该模块体积很小，内置天线，采用串口即可与单片机连接.模块内置IPv4,TCP/UDP/FTP/HTTP协议栈，支持STA/AP/STA+AP共存工作模式.该模块十分适合多向通信，支持智能连接，方便与服务器对接，能够实现实时连接和双向数据交流，可大大节省CPU资源.

2.7 屏幕的选择

单片机的显示大多基于液晶屏，在本设计中，我们采用5.133 cm的进口彩色液晶屏，分辨率为240*240，并且配备了iic接口的电容触控屏，尺寸恰好适用于智能手表.屏幕结合简洁灵活的UI显示和触控操作，老人操作十分方便.

2.8 服务器的构建与移动终端的软件编写

为了降低手表的功耗和实现全双工的通信方法，本设计服务器的构建采用HTML5中的一种新协议——WebSocket协议.

移动终端是基于android 5.1编写的手机APP.APP的主要功能是实现用户登录、用户管理、smartlink的实现、设备二维码的绑定、功能设置、实时获取手表的状态及检测的数据等.APP与手表之间是通过Web-Socket协议进行全双工通信的，而与数据库的连接则通过Servlet实现.

3 程序工作流程和硬件框图

3.1 智能手表工作流程

图1 智能手表程序流程图

从图1中可以看出，当按键按下时，系统上电，首先执行按键检测程序；一旦检测到开机信号，则整个系统进行初始化，启动ucosII；在ucosII任务调度器的安排下，每个线程开始按照系统心跳进行自身的工作[3].一旦检测到报警信号时，会即刻通过网络向家人报警.

3.2 智能手表硬件框图

图2 智能手表的硬件组成

3.3 小型血压计的工作方式

血压计的工作方式如下：当按键按下时，系统上电，首先执行按键检测程序；一旦检测到开机信号，则整个系统进行初始化，启动ucosII；在ucosII任务调度器的安排下，每个线程开始按照系统心跳进行自身的工作.WiFi与手表进行连接，接收到手表命令后进行测量工作，将测量的数据上报给手表.

3.4 服务器与手机APP工作方式

服务器与智能手表之间依靠websocket协议进行双向的实时数据交流，并且服务器也将和手机APP进行双向的数据交流，达到了沟通APP与智能手表的目的.同时，服务器也将从APP和智能手表中获取的数据更新到数据库中，从数据库中获取有用的信息.

第1次使用APP时，必须先注册账号，再通过手表上附带的二维码进行设备绑定.绑定之后APP将通过服务器搜索该手表是否接入网络.如果没接入网络，将会进行相应的提示；如果已经接入，则进行数据获取和更新，同时将手机端设置的命令发送到手表进行相应的更新.

通过对比确定单片机的算法是否准确.以此来修改算法，使之达到最优的检测效果.

检测摔倒方案的实现.在摔倒的前期测试中，分别测试了mpu6050的角度和合加速度，针对生活中一些常见的动作进行测试分析，分别测试了垂直起跳、从椅子上起立、坐到椅子上、行走、前摔、左摔、右摔等多种状态，采用上位机进行观察.

通过实验和查阅相关资料可知，在人体摔倒后的2～4 s内人体处于水平状态，其小臂基本接近水平，由此倾角的阈值或者倾角的变化量可以确定.通过这2个阈值，就能计算出老人此时的身体运动状态.

4 结论

本系统利用无线路由器和互联网技术，专门针对在家的孤家寡人，实现了穿戴式设备与智能手机的无线远程连接.通过测试，该系统完全满足设计要求，实时的数据监测和智能化的提醒功能，降低了老人在家出现意外事故而得不到及时救助的概率.

[1] 张洋.STM32F4开发指南—寄存器版本[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013．

[2] 李建忠.单片机原理及应用[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[3]LABROSSE J J.嵌入式实时操作系统μCOS-II[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，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年肇庆学院大学生创新创业训练计划项目（201510580094）

纪凯鑫（1996-），男，广东汕头人，肇庆学院电子与电气工程学院学生.

刘超英（1960-），男，陕西三原人，肇庆学院电子与电气工程学院教授，博士.

（责任编辑：陈 静，姜学霞）