老年人多功能智能护腰“守护你”的设计和实现

陈东来,王南兰,李超君

(湖南文理学院 计算机与电气工程学院,湖南 常德,415000)

随着时间的推移,老龄化的问题也越来越严重,老年人口抚养比例持续上升,与此同时大量子女选择异地工作或生活,进而导致了空巢老人数量不断上涨,老年人的生活得不到保障,此外随着社会的发展老年人保健的重要性也日益凸显。基于以上种种原因,老年人的安全监护这一极其突出的社会性问题显露了出来。随着老年人年龄的进一步增长,其免疫力及身体机能逐步下降进而导致了多种老年性疾病的发生,最显著的表现为他们在日常生活中更容易跌倒。众所周知,老年人的身体是经不住跌打损伤的,所以老年人特别是独居老人摔倒后能否得到及时救助是至关重要的。此外,老年性疾病大多数与血压等生理信号存在一定的相关性,所以对老年人的各项生理信号检测是必要的,这对于摔倒检测的辅助判断和相关身体健康的监测也很重要[1]。虽然现在市场上也有一些类似的老人智能手表之类的产品,但只能检测一些基础的数据,其过于智能化,老人使用时会出现其各种问题,而且价格不菲,而我们的设计不仅可以检测一些基础数据,并且可以对老人姿态进行判别,可以有效对老人跌倒进行报警,使老人得到及时治疗,对提高社会和经济效益起着至关重要的作用[2]。本项目致力于为老年人设计和开发智能远程身体状况检测和监测系统。运用此监护系统进行远程监测心率、血压、体温等老人的身体数据,数据超过标准时报警。一旦检测到老人跌倒则发出警报,若老人自己或在他人帮助下及时起身时解除警报,若老人不能及时起身则发送位置等报警信息到监护人手机并发出语音求助,此外具备智能语音吃药提醒等功能。

1 整体设计

该老年人多功能智能护腰“守护你”在普通护腰的基础上加装远程老年人身体状况检测系统,在保护腰部的同时,亲属可以远程监护老人。老年人远程身体状况检测系统以STM32F103单片机为主控制器,配备oled显示模块、蜂鸣器模块、语音模块、GSM通信模块、红外测温模块、血压测量模块、心率脉搏模块、WiFi模块、北斗定位模块、跌倒检测模块以及超声波测距模块。超声波测距模块检测障碍物距离,当前方障碍物距离低于安全距离时,发出警报提醒,预防老人撞到障碍物而跌倒。陀螺仪adxl345检测老年人的身体姿势,判断老年人是否跌倒,若老人不慎跌倒,系统自动报警。并通过相应的模块实现身体温度、血压以及心率脉搏的测量,若检测到老人跌倒或者身体温度、血压、心率脉搏等异常信息,蜂鸣器将发出警报,LED将闪烁,并通过GSM通信模块将异常信息以及位置信息等发送给预先设置好的手机进行报警。采用语音模块实现定时提醒服药功能,防止老人未及时用药而引发病症,此外通过语音模块进行老人跌倒后的语音呼救。WiFi模块接入网络后,可通过手机app实时查看系统数据,从而达到对老人的远程监护,也使得家属、医护人员等更快捷的了解到老人的身体状况。图1是总体设计思想框图。

2 硬件部分设计

2.1 主控制器

该系统采用的微处理器器是STM32F103(c8t6),该款微处理器封装体积小、融高性能、实时性、数字信号处理、低功耗于一身,为MCU用户开辟了一个全新的自由开发空间,并且同时灵敏的中断系统响应和精良的性能。该微处理器工作状态下的频率为72 MHz,内置high-speed-storage,它具有12位ADC、16位定时器和PWM定时器,还具有若干个先进的串口通信接口[3]。因其有丰富的外设配置使得此微控制器适合于多种场合,一系列的省电模式使其能够达到低功耗应用的要求,此外其价格低廉,正符合本设计的需求。设计实物图如图2所示。

2.2 心率检测模块

该心率检测模块由1个多功能生物传感器组成,型号为MAX30102,其采用光电容积法检测心率,利用人体组织在血管搏动时产生的透光率来计算脉搏。其只将数字接口留给用户,用户使用MCU通过硬件I2C或模拟I2C接口读取max3102的FIFO,以此来获取转换后的cd(光强)值,结合编写的算法,就能获得心率和血氧饱和度[4]。其具有可控、可稳、最优化等特点。图3为其实物图。

2.3 超声波测距模块

该超声波模块的型号为Hc-sr04,当其中的一个控制端口发送一个高于10 us的高电平,并在另一个接收端口等待其输出。只需要读取计算从发射到接收的时间,结合超声波传输速率,则可算出距离。连续的周期性测量可以达到移动测量的目的,该模块性能稳定,测距准确,盲区较小[5]。其实物图与电路接口原理图如图4所示。

2.4 跌倒检测模块

设计采用ADXL345模块检测加速度的变化与倾斜角度的变化综合分析确定老人是否跌倒。此模块是一款3轴加速度计,小而薄。采用16位二进制代码进行数字输出,一般通过数字SPI(3-4)或I2C接口进行访问。它可以测量静态重力加速度与由运动或碰撞引起的动态加速度,即使是小于1.0°的倾角变化也可测量[6]。在I2C数据总线上传送数据时,主机传输数据时顺序是由高位向低位进行传输的[7]。活动和非活动检测功能通过比较任意轴上的加速度与设置的阈值来检测是否跌倒,并通过整合倾斜角度的变化来确认是否发生跌倒。图5是本模块电路的原题图。

2.5 通信报警模块

设计通信报警采用SIM800C模块,它是一款4频GSM/GPRAS模块,性能稳定,能适用于紧凑型产品的设计需求。其功能齐全且支持全球通用。内置防静电芯片,防止插拔SIM卡时手与模块接触产生静电对模块和SIM卡造成损坏,极大提高稳定性。通常使用该模块检测位置信息并发送报警信息,通过指示灯的闪烁情况,可以直观的了解到其工作状态。其模块原理图如图6所示。

2.6 定位模块

设计采用ATK-NEO-6M GPS/北斗模块获取定位信息。该模块自带抗干扰的无源陶瓷天线,并通过串行端口与外部系统进行联接,可以非常方便地与其他设备进行连接。采用NMEA-0183协议输出定位数据,控制协议为UBX协议。ATK-NEO-6M GPS/北斗模块原理图如图7所示。

2.7 WIFI模块

WIFI模块的设计采用ESP866(见图8),搭建云平台,通过APP以达到实时查看数据信息的目的。该无线模块采用SOC模块,具有标准的IEEE802.11B/g/N协议,内置完整的IP协议栈,高效且经济[8]。该模块可随时对设备进行互联网联接,其搭载构建独立的网络控制器这一强大的功能,采用低功率的32位CPU,可兼作应用处理器,主频最高可达160 MHz,内置10 bit高精度ADC,支持多种休眠模式,深度睡眠电流低至20 uA。

3 软件部分设计

3.1 主程序流程

各模块先进行初始化(机智云、WIFI、缓冲区、语音、心率、陀螺仪等),然后单片机搭载的各个模块获取参数并且进行检测判断,再进行网络交互根据结果确定是否发送报警信息,在此期间实时进行参数比对,合理选择应对措施(单片机实时将相应的各种信息传输给云平台,通过联网后,APP可实时查询到相应的信息)。图9为主程序流程图。

3.2 心率检测模块程序流程

先对各项要用到的部分进行初始化操作,模块和单片机连接成功后进行数据的采集,I2C协议,判断手指是否有按在心率模块上(有手指判断是否为第一次),然后对采集到的数据进行有效性判断,诸如手指抖动幅度较大时产生的数据等无效数据将被剔除掉。剔除无效数据和首次检测而产生的前50个误差较大的数据之后执行算法,最后将数据信息返回。其程序流程图见图10所示。

3.3 超声波模块程序流程

此模块结构简单,操作便捷。其上有2个端口,其中1个端口用于发射高于10 us的高电平,另1个用于等待高电平的输出,通过内部的定时器读取高电平转换为低电平的时间,结合超声波传输的速度则可计算出距离。图11所示为其程序流程图。

3.4 跌倒检测模块程序流程

先初始化该模块,再初始化IIC总线,再对其进行端口配置,然后再读写寄存器,再进行数据读取并取其平均值,进行自动校准后,链接使能,测量模式,读取3个轴的数据,最后与参考值进行比较,判断是否需要报警。其程序流程图如图12所示。

3.5 软件应用程序

通过按键配置网络访问。连接到云服务器后,WiFi设备将接收从云或智能云应用发送的数据点、状态和其他信息。接收后以协议帧的形式发送到MCU端。MCU端将接收到的数据存储在缓冲器中,并定期在缓冲器中捕获数据包。在正确捕获数据包后,它将进行深入分析,然后进入动作执行环节,各个数据点根据各自对应的事件来实现各自的逻辑。主控制器端按照协议栈帧格式将各传感器采样到的数据进行打包,打包好后再将其传输到WiFi设备,之后通过WiFi设备进行数据传输。其程序流程图如图13所示,APP界面图如图14所示,定位查询图如图15所示。

4 结论

本智能护腰装置基于 STM32F103控制器,能够实现定位、摔倒报警通知、各种生理信号检测,手机APP后台查询用户状态等功能。对老年人存在的安全隐患得到了良好的解决,实现了对老人的远程监护,也使得家属、医护人员等能更快捷的了解到老人的身体状况。