基于云平台的多功能老年人智能辅助行走设备

李嘉斌 李 盛 邢世波 刘 建 陈明哲

(西京学院,陕西 西安710000)

1 总体方案设计

基于云平台的多功能老年人智能辅助行走设备具有实时监测心率体温的功能，还具有体温心率异常和摔倒报警实时功能，采用云平台进行数据传输，能够将定位和心率体温数据实时上传至云端，所研发的手机移动端APP具有实时查看老人健康体征及定位信息的功能。此设备能够对传统老年人辅助行走设备进行功能的有效扩展，应用模块化思想进行电路设计，模块之间相互独立，当某个模块发生故障时对其他模块不受影响，提高产品实用性，易于排查故障，维修成本减少等诸多优点。

2 机械结构设计

设备支架全都使用圆柱形钢材，没有棱角有效避免老人磕碰，把手两侧分别装有体温心率传感器和加速度传感器，在支架正面横栏有大部分位置安装主控电路，包括报警模块、微处理器模块、WiFi模块等。（图1）

图1

3 系统硬件电路设计

设备通过检测老人的健康体征和定位信息上传至云端储存，同时对体温异常和摔倒信号实现实时报警并通过WiFi发送到手机终端的装置，设备采用锂电池供电，家属可在手机终端发送命令实时显示定位信息和体温心率数值。如果体温、心率以及加速度传感器数值超出范围则触发报警，并且实时将相关的定位信息和体温心率信息传至客户端。此设备所有的模块相互独立，由处理器进行相应控制。（图2）

图2

3.1 处理器模块的设计。单片机作为最常用的处理器模块有成本低、开发难度小和移植性强等优点。本设备则选择最常用的STM32单片机作为主控芯片，具体型号为STM32F103RCT6。这款芯片是中等容量增强型芯片，32位基于ARM核心的带64或128K字节闪存的微控制器，具有USB、CAN、7个定时器、2个ADC、9个通信接口。芯片的工作频率为72MHz，具有丰富的I/O口和连接到两条APB总线外设。芯片的供电电压为2.0 V至3.6 V，包含-40℃至+85℃温度范围，具有省电模式满足低功耗的需求。

3.2 体温心率检测模块。体温模块采用SHT31数字温湿度传感器，结合了多种功能和各种接口（I2C、模拟电压输出），应用友好，工作电压范围宽（2.15 至5.5 V），适合各类应用。SHT3x是根据IP67的PTFE膜，可防止传感器开孔接触水和灰尘。因此允许传感器在恶劣环境条件下使用，如淋水和密切接触灰尘可能对传感器的精准性具有挑战性的地方。PTFE膜通过双面胶带连接传感器封装，其目的是在传感器的生命周期中一直留在封装上。整个封装能够承受多个回流焊周期，且受多项专利独有保护。

心率模块选用GY-MAX30102血氧浓度心率脉搏传感器模块，芯片能够测量人的心率和血氧浓度，能够使用STM 32作为主控芯片进行数据传输和应用，有很良好的兼容性。目前除了心率脉搏是个重要的健康指标，随着社会科技的发展，血氧浓度也能够很方便的检测出来，也可以作为老人最重要的健康指标。芯片供电电压为5V，主要的指令方式为AT指令，能够通过STM 32芯片进行编程，测量的心率范围为20～200次/分钟，血氧浓度的测量范围为50%～100%，输出方式为可以通过USB转TTL连接电脑由串口助手直接输出或者是报警电平输出，本设备兼具二者的功能，既可以串口输出，又提供报警功能。

3.3 GPS定位模块。GPS定位模块采用正点原子GPS北斗双定位模块ATK1218-BD，带有源天线，定位精度为2.5 CEP，冷却启动时间为30秒左右，更新频率能够达到20Hz，采用GPS+北斗双模导航，能够更加精准，通信波特率能够达到230400。

该模块自带后备电池，可保存星历数据，掉电后半小时内重新上电，可在几秒内定位，通过排针进行串口通信，且数据可保存，实用非常方便，而且有全套驱动代码，使用更加方便，开发难度低。

3.4 报警模块。报警模块选用普通的无源蜂鸣器，其结构原理简单、成本便宜、操作简单，而且发出的声音特别适合报警。普通大部分无源蜂鸣器的规格如下：（1）板载无源蜂鸣器；（2）板载8550三极管驱动；（3）低电平有效，可以直接和单片机IO控制；（4）工作电压：5V；（5）板子尺寸：22(mm)x12(mm)。

3.5 加速度传感器模块。加速度传感器模块采用MPU-6050模块，MPU-6050的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec(dps)，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g与±16g。MPU-6050可在不同电压下工作，VDD供电电压介为2.5 V±5%、3.0 V±5%或3.3 V±5%，逻辑接口VDDIO供电为1.8 V±5%。MPU-6050的包装尺寸4x4x0.9 mm(QFN)，在业界是革命性的尺寸。其他的特征包含内建的温度感测器、包含在运作环境中仅有±1%变动的振荡器。VLOGIC是IO口电压，该引脚最低可以到1.8 V，我们一般直接接VDD即可。

3.6 WiFi模块。WIFI模块采用ESP-01SP8266串口转WIFI模块，是高性能无线SOC，在较小尺寸封装中集成了业界领先的Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，带有16位精简模式，主频支持80 MHz和160 MHz，支持RTOS，集成Wi-Fi MAC/BB/RF/PA/LNA，板载天线。支持标准的IEEE802.11 b/g/n协议，完整的TCP/IP协议栈。

4 软件电路设计

软件设计分为硬件程序和软件程序，硬件程序主要是通过C语言编写，完成各个模块之间的协调和数据传输，把体温心率血糖等数据传输到主控芯片，然后主控芯片再将数据传输到服务器；软件程序主要是通过BLYNK软件制作相应的APP界面，登录服务器将WIFI发送过来的数据进行读取，显示到手机终端，能够实时查看相应的信息。

4.1 硬件程序设计。硬件程序主要是应用于设备本身的单片机中，主要完成将设备上的传感器信号进行采集，并将采集到的信号通过WiFi发送到服务器中等待手机端进行查询。设备系统的流程框图如图3所示。

图3

4.2 手机软件平台设计。Blynk是一项物联网（IoT）服务，旨在使远程控制和从您的设备中读取传感器数据的速度尽可能快和容易。首先手机下载BLYNK APP，安装好App后，打开App后点击Create New Account（注册新用户），然后在注册页面填写自己的邮箱和密码即可完成注册。首次登录后可以看到App内暂时还没有任何项目，点击Create New Project（创建新项目）。在创建项目页面填写项目基本信息，其中的CHOOSE DEVICE（选择设备）要选择WeMos D1，下面的CONNECTION TYPE（连接类型）选择Wi-Fi并保存。保存之后，App会提示授权码已经生成并发送到了你的邮箱。

利用Blynk案例生成器产生一段简单的范例程序。将程序中的ssid修改成你当前位置的Wi-Fi名称，将pass修改成该Wi-Fi的密码，注意此处的引号一定要保留，点击上传按钮就可以将程序上传到WeMos D1开发板中。制作样例如图4所示。

图4

手机终端显示有体温、心率、血氧饱和度、经纬度和地图。能够很清楚的显示设备和老人的具体信息，中间还有报警信息界面，能够显示当前的设备信息。

5 结论

国内目前的老人辅助设备只具有单一辅助行走的功能，还不具有实时对老人健康状况进行检测并作相应处理的功能。本项目针对此方面缺口，能够培养对普通的老人辅助行走设备增加实时心率体温监测和定位，同时可以将数据实时上传至云端，对健康体征异常和摔倒等突发情况进行实时报警的创新能力。本设备能够基本完成对老年人的体温心率以及血氧浓度的检测，并且能够实时上传服务器，通过手机终端进行实时查询，每时每刻掌握老年人的健康状况。本设备应用范围广，不仅适合中老年人，还适合由于受伤或者腿脚不方便的各类人群。