基于阿兹海默症患者的感应报警器创新设计

俞冰，张晓霞，张宇雪，王列震，陈鑫，林晓雷

温州医科大学 眼视光学院、生物医学工程学院，浙江 温州 325000

引言

阿兹海默症（Alzheimer disease，AD），也称为老年痴呆症，是一种起病隐匿的进行性发展的神经系统退行性疾病。临床上以记忆障碍、失语、失用、失认、视空间技能损害、执行功能障碍以及人格和行为改变等全面性痴呆表现为特征，病因迄今未明[1]。由于行为上的障碍，阿兹海默症患者容易毫无征兆地在夜里频繁“出走”，极易发生走失，这威胁到患者的生命安全。为了避免这个状况发生，监护人担心老人出走，需要时不时地监控患病老人的动态，监护人夜晚不敢深睡，直接影响到了监护人的起居和精神状态。因此，用便捷方式监测老人夜间的行动非常必要。而目前市场上并没有成熟的商品用于监控阿兹海默症患者的动态，近年来国内外在这方面的研究主要专注于阿兹海默症的治疗[2-5]。而在监护方面，传统的人工监护仍是主流。即使在不久的将来，这类设备得以问世，也必然需要昂贵的代价来换取。

基于上述情况，我们设计了一种感应报警装置。本装置佩戴于患者鞋底，实物图，见图1。通过压力传感器对患者的行动进行检测，设定好压力后，压力传感器实时采集并将信息传递给单片机，经过单片机系统信号处理，将所需信息通过蓝牙传给手机端，手机端记录并显示患者行走的步数，当步数达到预设值后实现报警。本装置在保障患病老人安全的基础上减去了大部分的家庭护理开销，减轻了监护人的工作量与起夜压力。

图1 感应报警器实物图

1 设计路线和实现

本系统由电源电路、感应电路和控制电路组成[6]。感应电路包括压力传感器电路、信号放大电路、A/D转换电路，控制电路主要包括单片机电路和蓝牙电路（图2）。其中电源采用USB供电方式，USB接口供电方便程序调试。

图2 电路结构框图

1.1 感应报警原理

电源供电，使用YZC-161B半桥传感器对患者夜间行动产生的重力信号进行线性放大，再经A/D转换为电信号后传送到单片机进行处理，后经蓝牙电路将信号无线传输给手机端[7]，手机端实现记步功能，最后判断是否启动报警。

1.2 电路设计

1.2.1 感应电路设计

本装置使用YZC-161B半桥传感器。应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。原理如下：

则电桥输出为：

通过对压力传感器[8]与电阻应变式传感器比较分析，还考虑到振动和冲击分量，以及避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重5 kg。

关于AD数模信号的转换，我们使用了HX711芯片[9]。这是一款高精度的24位A/D转换器芯片，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。感应电路原理图， 见图3。

1.2.2 控制电路设计

本设计由STC89C52单片机[10]电路和蓝牙电路组成，该电路作为整个系统功能实现的核心单元。控制电路原理图，见图4[11]。

当老人行走时，原始信号经过感应电路的一系列处理，将模拟信号转换为电信号后，本装置开始工作。本装置采用STC89C52处理器，这是是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器[12]，具有8 K字节系统可编程Flash存储器，拥有全双工串行口。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存。这些特性满足感应报警装置系统的要求。内部电路设计采用C语言编写，可完成压力感应监控[13-14]、压力比较计算、蓝牙信号传输控制等功能。

2 软件设计

本设计包括单片机中运行的下位机程序和安卓手机中运行的上位机程序两部分。

图3 感应电路原理图

图4 控制电路原理图

2.1 单片机下位机程序

本软件系统包括：主程序、数据采集及处理程序、串行口通信程序[15]。

单片机与蓝牙之间的通信采用串行口方式1。在具体操作串行口之前，需要对单片机的一些与串口有关的特殊功能寄存器进行初始化设计。当采集到的信号数字化后，数据被写入SBUF寄存器后，单片机自动开始从起始位发送数据，发送到停止位的开始时，由内部硬件将T1置1，向CPU申请中断。用软件置REN为1时，检测到RXD引脚输入电平发生负跳变时，则说明起始位有效，将其移入输入移位寄存器，并开始接收这一帧信息的其余位。这样就实现了单片机与蓝牙之间的串行口通信。

蓝牙串口模块用于把串口转换为蓝牙，它主要的功能是取代串口线。单片机接上蓝牙模块的从机，可以和手机的蓝牙适配器配对通信，使得单片机和手机之间虚拟了一根串口线，可以进行串口通信。

本设计能实现数据无线传输方式。在老人下床后，本装置开始工作。老人每行走一步，单片机都能将数据通过蓝牙传给手机端，在手机端实现计步并显示及报警功能（图5）。

图5 单片机程序框图

2.2 手机上位机程序

上位机程序是指运行在安卓智能手机[16]微处理器中的程序，用来接收下位机传输来的数据。使用了最新推出的Android Studio开发环境[17]，该开发环境功能完善、比较容易上手。考虑到房间的大小（4.8 m×3.6 m）和老人单步行走的距离为350 mm左右，我们将阈值设保守值为“20”，也就是说老人走出20步默认为已离开。主程序框图，见图6。软件界面，见图7。

图6 手机端主程序框图

图7 软件界面

3 总结与展望

我们对测试者进行编号，分别记录脚自然垂放状态下手机应用计步情况（计步/不计步；正常情况下，脚自然垂放不计步），比较实际行走步数和手机界面步数，并观察手机端的报警情况（报警预设为20步）。测试结果，见表1。

表1 测试结果

表中结果显示，脚自然垂放不计步，实际步数与系统感应步数一致；当步数达预设值时，手机端响铃报警。结果符合设计目标，能够精确感应患者的实时动态，具有时效性，满足大众需要。

本研究结果在市面上有很好的应用前景：当老年痴呆患者离开床时，感应器会捕捉移动信号经单片机处理由蓝牙无线输给手机端，从而引起响铃报警，提醒监护人前来照顾患者，避免病人夜起的各种危害。本感应报警器的主要特点：① 信息无线传输取代线缆传输，实现短距离内不同空间的快速互连；② 采用较薄的传感器，在实用性上有一定的成效；③ 设计了匹配的手机应用软件，符合用户需求。

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