基于单片机的老年健康管家

吕海玉，严路昊，张郡夫，许少娟

（大连理工大学城市学院，辽宁 大连 116000）

0 引 言

目前我国国内人口老龄化不可避免，社会上老年人越来越多，年轻人有时因为工作、学习原因可能无暇顾及老人的健康状况[1]。在相关领域，已有单一的老年人监控系统[2]研发，其缺点是对老年人生理各项指标等采集不够全面，仪器体积过于庞大以致老人无法便捷携带。本文提出一种基于GPS技术的老人防丢系统的设计方案，由主控模块、GPS模块组成。本系统采用STC15系列单片机作为控制核心，首先将GPS模块采集到的信号送入STC15系列单片机进行处理，通过老人主动按钮，将信息传递给GPS模块并发送短信。一旦老人发现自己走失或者迷路，就可以通过此设计将位置发送给儿女。

随着技术的不断更新，现在防丢器和以往相比有极强的抗干扰性和稳定性，功能也越来越多。本方案设计的防丢器沿用了以前的发射抑制原理，在特定条件下给使用者提出警告。该方案采用蓝牙4.0，其是传统蓝牙技术[3]、高速蓝牙技术和低功耗蓝牙技术[4]的合集。本设备其他模块利用传感器监控老人的心率、血压状况，并可通过蓝牙连接方式将数据传输到监护人的移动设备中，还具有时间显示、摔倒报警、数据存储、运动检测等附加功能；同时具有体积小、便于携带、跟踪定位响应快速、环境适应性好、操作简单等优点。

1 系统方案

1.1 系统设计方案

如图1所示，老年健康管家系统设计是以STC15W4K58S4为主控制器，以MAX30100心率血氧监测芯片、VK2828U8G5LFGPS定位芯片[5]和MPU-6000加速度计模块采集数据为主，经过单片机分析处理数据，通过24C02芯片进行数据存储，同时通过蓝牙芯片将数据传输至手机，使得监护人可实时监测老人情况，以便于进一步了解老人的身体情况。除此之外，此产品还有实时时钟功能，增加了此系统的应用性。

图1 系统结构

1.2 硬件设计

1.2.1 GPS模块

如图2所示，VK2828U8G5LF模块具备高灵敏度GPS天线、高精度TCXO。该模块引线VCC为系统主电源，TX为并行输入接口，RX为并行输出接口，通过串口输出的是NEMA-0183语句，带$GN前缀，不同字段代表了经纬度、日期、速度等信息，其体积小巧、性能优异，老人走失时可准确地确定他们的位置。

图2 GPS模块实体图

1.2.2 心率血氧模块

如图3所示，MAX30100模块有2个发光二极管，1个光检测器，通过红外LED灯照射，能够得到心率的ADC值，通过相关算法，可以得出心率。而且由于携带氧气的红血球能吸收较多红外光[6]，未携带氧气的红血球则是吸收较多的红光，所以内置分光计，利用不同红血球吸收光谱不同的原理，来分析血氧饱和度。老人只需要将手指头紧贴在传感器上，就能估计心跳及血氧饱和度。

图3 检测模块实体图

1.2.3 运动处理组件

本文使用MPU-6000运动处理传感器，其俯视图如图4所示。MPU-6000内置的陀螺仪[7]用于姿态检测和倾角测量，老人摔倒时，系统能实时检测，并且发射报警信息传输给蓝牙模块，体现在监护人移动设备上。其加速度计可测得老人步行速度。陀螺仪和加速度计均使用3个16位ADC，将测得的模拟量以数字量形式输出。将数据依照相关公式处理后与通用标准模型进行比较，当偏差较大时输出报警信息。

图4 传感器俯视图

1.2.4 时钟芯片

由于单片机本身定时器用作时钟时，精度不够，单片机内部对于指令的执行需要额外时间，而专门的时钟芯片可以进行精准计时，功耗极低，且具有闰年补偿等多种功能。时钟芯片管脚图如图5所示，除了DS1302的基本计时功能以外，还有额外架构，如双管脚主电源、备用电源以及7 B的暂存器等。

图5 时钟芯片管脚图

1.2.5 蓝牙模块

HC-05嵌入式蓝牙串口通信模块如图6所示。把其设置为自动连接工作模式[8]，自动进行数据传输，实现老人和监护者的实时消息互通。其主要利用指令集实现配对、连接和数据写入。

图6 蓝牙模块实体图

1.2.6 数据存储模块

为了实现掉电后数据不丢失，采用E2PROM来保存数据。AT24C02可以一次写入16个字节的数据，每成功写入一个字节，E2PROM存储空间的地址就会自动加1，最多可以往AT24C02存储器里面写2 048个字节，即256个8位字节。这为保存老人重要个人信息提供了途径。如图7所示，默认为A0=0、A1=0、A2=0，关闭写保护。当R/W为0时，表示写方向；R/W为1时，表示读方向。所以此处E2PROM芯片的写地址为0xA0，读地址为0xA1。

图7 管脚图

1.2.7 显示模块

LCD12864模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构还是显示程序都要简洁得多，且价格便宜。

2 结 语

本文设计的老年健康管家能够随时显示时间，随时测得心率，记录心率数据，并有效地实时定位，当使用者走失时可准确地确定使用者的位置；并且可以通过远程发送求救信息，以便让使用者得到身边人的帮助。当使用者摔倒时，系统可发出求助警报，并将摔倒信息反馈给子女，若使用者长时间倒地不起，系统会直接将位置发送给120指挥中心，以寻求帮助。子女可将老人的个人信息以及既往病史和自己的联系方式等信息存储到“老人健康管家”中，老人此前测得的心率数据也将被储存起来。当老人遇到突发情况时，路人可通过子女的联系方式联系到子女，医生可根据心率情况和既往病史来判断老人当前的状况，以进一步救治。另外，本产品操作极其简单，学习成本极低，有利于老年人学习使用。

中国由于人口基数庞大，纵使计划生育政策的颁布实施，有效遏制了人口急剧膨胀的趋势，但人口老龄化问题也接踵而至。老人身体逐渐衰老，免疫力下降，但社会的林荫大道上仍不乏他们的身影，在参与道路交通活动时常因手脚不灵便、视力低下、听觉失察等造成一系列不可预知的不良后果发生。在人口老龄化这种不可短期改变的现状下，人们只能不断改进对老年人群体的健康看护措施，做到方便、响应快捷、价格低廉、控制有效、及时检测、及时行动。