基于STM32及北斗定位的老年人自动监护报警系统

杜云海，丁文静，张梓涵，蒋佳彤，张 旭

（1.金陵科技学院 国际教育学院，江苏 南京 211169；2.金陵科技学院 网络与通信工程学院，江苏 南京 211169）

0 引 言

随着我国人口老龄化问题的加剧，老龄人口占总人口的比重在不断升高，空巢老人的数量也在不断增加；很多老年人缺少专门的看护，他们的生活健康问题难以得到及时救助，从而造成了一些悲剧。因此，当今社会关于老年人安全保障和幸福养老方面的需求在不断增加。

近些年，随着通信和定位技术的发展，给当前社会热点问题提供了新的技术支撑，如搜救等现实问题的解决，同时也给研究人员带来了新的挑战和机遇。为此，研究人员提出了大量解决方案，文献[3]提出了一种实时监测老年人生理信号的可穿戴系统；文献[4]提出了老年人穿戴式智能产品的设计原则和设计要点；文献[5]研究了一种实时动态检测老年人是否跌倒的穿戴式监测系统；文献[6]通过最大类间方差法和三帧时间差分法进行了自然背景和光照条件下室内运动人体目标的分割及运动状态的检测，从而对独居老年人的状态进行检测；文献[7]提出了一种基于改进codebook算法的老年人跌倒检测方法。

综合分析发现，当前产品将功能进行集成化的较少，且操作相对复杂，过多依赖于网络进行数据交互。本设计基于STM32及北斗定位开发了老年人自动监护报警系统，该系统以一种简便易操作的方式向用户呈现数据，能自动地将数据写入服务器，并将有效数据信息实时同步显示在相应的网页上。

1 客户端设计

1.1 功能简介

根据实际需求分析，客户端主要实现以下功能：位置信息获取、心率血氧信息获取、温湿度信息获取、用户交互、紧急短信和数据发送。服务器端主要实现两个功能：数据接收和数据库写入。各功能说明如下：

（1）位置信息获取：使用北斗天线及EC20模块实时获取当前位置信息。

（2）心率血氧信息获取：通过心血氧传感器，对用户的心血氧数据进行采集。

（3）温湿度信息获取：通过温湿度传感器，对用户所处环境温湿度信息进行采集。

（4）用户交互：在客户端设置一个屏幕和4个按钮，方便用户对功能的选择。

（5）紧急短信：在发生紧急情况时，客户端能够自动通过基站向预留的号码发送包含老年人地理位置的短信，用户也可以自行手动发送。

（6）数据的发送：客户端能够通过4G网络不间断地向主机发送包含各项传感器数据的UDP数据包。

（7）数据接收和数据库写入：服务器端通过运行Java脚本的方式自动完成UDP数据包接收、字符串处理以及MySQL数据库写入。

1.2 硬件部分

本项目客户端硬件连接情况如图1所示，主要包括MCU、EC20、MAX30102心血氧模块、MPU-6050陀螺仪、按钮模块、0.96寸OLED屏等模块。

图1 硬件连接示意图

1.3 核心MCU

在本设计中，开发板所采用的MCU型号为STM32F407ZET6，是整个系统的核心控制模块。该开发板包含一个EC20模块，此模块通过串口通信与MCU相连接（如图2所示）。通过EC20自带的AT命令可以实现MCU对EC20模块的操控，从而实现UDP数据包发送、北斗信息接收以及短信发送功能。

图2 EC20硬件

1.4 MAX30102心血氧模块

本项目采用的心血氧模块为MAX30102，其原理如图3所示。通过LED灯主动发出红光并经过血管反射后，通过模数转换模块对信号进行分析，得到当前心率。该模块包含一个LED灯以及一个光敏传感器。当LED光射向皮肤，透过皮肤组织后，反射回的光被光敏传感器接收并转换成电信号，再经过A/D转换成数字信号，最后对转换后的数字信号进行滤波和分析。计算电信号周期性变换频率即为心率。同时，由于不同含氧量的血液对光的吸收程度不同，对反射回来的光进行分析并对血氧饱和度进行定义，如下：

图3 MAX30102硬件原理

根据公式（1）可以计算出当前血氧浓度。在本项目中，MCU通过模拟SPI协议读取MAX30102采集到的数据，协议时序如图4所示。采集过程中，心率波形能够实时在OLED屏上显示，并实时显示相应心率血氧信息。

图4 MAX30102驱动时序示意图

1.5 DHT11温湿度传感器

本项目采用的温湿度传感器为DHT11，该传感器通过一根双向的总线与MCU进行通信，连接示意图和总线时序分别如图5、图6所示，从而获取温湿度信息，并在屏幕上显示。

图5 DHT11连接示意图

图6 DHT11总线时序

1.6 0.96寸OLED显示屏

0.96寸的OLED显示屏（如图7所示），该显示器通过SCI协议与MCU进行通信。基于此，本文设计了人机交互界面。用户可以通过该界面看到实时时间，通过按钮选择相应功能（如温湿度、心血氧）；在选择相应功能后，显示屏可以根据用户需求呈现相应数据。

图7 0.96寸的OLED显示屏

1.7 FreeRtos操作系统

本系统移植了FreeRtos操作系统。FreeRtos能够对MCU的内存资源、运算资源、时序资源进行合理的调度，同时运行多项任务（如图8所示），并实时响应中断。通过该操作系统，能够在同一时间对不同传感器数据进行采集处理，并实时发送到上位机。

图8 FreeRtos任务调度示意图

2 服务器端设计

2.1 需求分析

当前物联网技术迅速发展，万物互联时代离人们的生活也越来越近，在“互联网+”时代也同步出现了随时随处皆可获得感兴趣信息的需求，在不同的老年人监测系统中也能看到相关技术的应用。

本文的设计采用了一种可行的、错误率更低的信息传递方式，传递过程如图9所示。在正常情况下监测系统开发板采集用户数据之后，通过携带的4G模块将数据以UDP数据包形式发送至公网，随后远程设立固定IP服务器使用持续运行的脚本监听本机端口，获取数据包后解码并写入数据库。同时，用户和紧急联系人都可以通过任意连接至公网的网络设备（如手机、平板、个人电脑）访问该服务器，获取实时信息。

图9 老年人监测系统传导方案

2.2 框架搭建

设计采用较为传统的服务器搭建模式，结合HTML、JavaScript、PHP技术设计了网页，通过MySQL搭建数据库，并使用了Windows Sever+Apache的服务器结构。数据写入端则由持续运行的Java脚本完成。本组采用的开发工具为AdobeDreamweaver 2019，服务器使用的是阿里云服务器。项目组的硬件部分对用户的数据采集主要集中在三个方面：（1）用户所在的地理位置经纬度坐标；（2）用户所处环境的温湿度数据；（3）用户的心率血氧信息。其中前两个信息为实时信息，每隔15 s录入一次数据库，第三个为选择性信息，仅当用户使用该功能时才会输入数据。通过以上需求分析，制作五个功能模块，分别是主页、地图、心率血氧、温湿度和“关于我们”。简洁的页面和大型的字体更有利于老年人使用，而固定IP服务器则方便远程调试，如图10所示。

图10 服务器配置桌面截图

2.3 功能实现

如图11所示，本页面核心内容为百度地图API对象，对接的核心用JavaScript创建地图对象并选取中心点变量和调用数据库里存取的信息。为了方便后续程序扩展，记录了详细的时间、位置等信息。

图11 地图页面反馈流程

相较于地图页面反馈方式，心率血氧的反馈方式较为简单，只需要以表单形式从数据库中获取数据即可，以温湿度传感器的反馈为例进行介绍。如图12所示，本页面调用Echarts绘图工具的JavaScript脚本，温湿度数据存储形式与坐标信息相似，但由于环境温湿度变化较小，数据-时间抽样率较高，因此调用样本数据时采用的是MySQL自带的AVG函数。

图12 温湿度页面反馈流程

2.4 前端网页

基于上述技术，最终的设计实现在线地图功能，该地图能够实时读取数据库最新的北斗模块定位坐标并显示。同时能够读取最新心血氧数据以及当天的温湿度信息，并通过文字、折线图的形式简洁直观地进行展现。

3 实验结果

图13为心血氧数据采集页面，图14为温湿度数据采集页面，可以看出客户端能够实现对老年人的生理信息、周围环境信息数据进行采集。图15为地图页面，图16为一段时间内的温湿度变化趋势折线图。系统可实现远程实时采集和记录客户端的信息数据。

图13 心血氧数据采集页面

图14 温湿度数据采集页面

图15 地图页面

图16 温湿度变化趋势折线

4 结 语

目前我国老龄化问题日益加剧，对老年人缺乏精心合理的监护。因此，在未来借助智能设备的养老将会成为主流发展趋势。本文主要介绍了基于STM32及北斗定位的老年人自动监护报警系统的软硬件设计原理，并展示和分析了测试结果。本设计实现了远程查询老年人的位置、心血氧、周围环境等信息的功能；在此基础上能够实时地将这些数据发送到服务器并写入数据库，同时可以在页面上进行可视化查看，在老年人遇险时能自动发送求助短信。未来将进一步地对客户端硬件电路板进行设计，加大硬件端的集成度，还将考虑增加运动记录功能，例如步数统计、运动消耗统计等，从而实现判断每日运动情况是否合理且达标的目的。