健康养老预警系统的设计与实现

王文博 刘保菊

摘  要：随着人口老龄化形势的日益严峻，健康养老问题引起社会的广泛关注。文章设计的健康养老预警系统可以实现对老年人心率、体温、血氧浓度等各项生理指标的监测，并可通过Wi-Fi将数据上传到养老院工作人员手机上，在指标数据异常时启动报警。同时对不慎跌倒的老年人进行状态判断，通过GPS模块判断跌倒老人所在的位置，从而確保跌倒老人能够得到及时的救治。

关键词：健康养老；Wi-Fi通信；GPS定位技术；预警系统

中图分类号：TP273   文献标识码：A   文章编号：2096-4706（2023）16-0066-05

Design and Implementation of a Healthy Elderly Care Early Warning System

WANG Wenbo， LIU Baoju

（School of Information Engineering， Pingdingshan University， Pingdingshan  467000， China）

Abstract： With the increasingly severe situation of aging population， the issue of healthy elderly care has attracted widespread attention from society. The healthy elderly care early warning system designed in the paper can monitor various physiological indicators such as heart rate， body temperature， and blood oxygen concentration of the elderly， and can upload data to the mobile phones of nursing home staff through Wi-Fi， triggering an alarm in case of abnormal indicator data. At the same time， the status of elderly people who accidentally fall is judged， and the GPS module is used to determine the location of the elderly people who falls， in order to ensure that the elderly people who falls can receive timely treatment.

Keywords： healthy elderly care; Wi-Fi communication; GPS positioning technology; early warning system

0  引  言

“十四五”期间，我国将会出现一个养老高峰期，60岁以上老年人将由1.78亿增加到2.21亿，老年人人口将由目前的13.3%增加到16%，人口老龄化进程进一步加剧[1]。对于老年人来说，随着年龄增大，患有心脏病和高血压等各种并发类疾病的概率也随之增加，实时监测老年人血压及血氧值对于确保老年人的健康具有重要意义。国外在1975年到1999年期间出现了可穿戴手机设备，进入21世纪后，可穿戴设备得到了迅速的发展。国内在2019年的CES展会上，华为推出了一款全新的智能化手环，该产品不仅具备运动、睡眠等基本监控检测功能，还具备以手机为终端的万物互联的华为云系统，功能强大。但目前的产品都没有专门针对养老院老年人的。据世界卫生组织（WHO）统计，每年全球约有1/3的65岁的老年人出现跌倒[2，3]，在养老院内设置监控系统，采用Wi-Fi模块进行数据采集和传输，对老年人跌倒状态进行监测，可以很好地守护老年人的健康。

本文选用STM32F103C8T6最小开发板检测老年人的当前状态，一方面对老年人的心率、血氧以及体温进行监测，同时用GPS实现定位功能。另一方面当老年人出现跌倒时，蜂鸣器发出警报并利用Wi-Fi模块上传到手机APP。可以实现对老年人的身体状态进行实时监测，以及跌倒时发出警报，本系统的开发对当前的智能养老模式具有一定的参考价值。

1  系统总体设计方案

该系统结构以STM32F103C8T6单片机为主控芯片，同时包含Wi-Fi模块、GPS定位模块、心率和血氧模块、温度感应模块、蜂鸣器模块、防跌倒模块等。基于STM32单片机实现防跌倒功能的健康养老预警系统的总体设计如图1所示。

在该系统中，利用心率、血氧检测模块以及体温模块收集数据，并把收集到的数据传输到主控芯片进行分析处理，然后通过ADXL345三轴加速器检测跌倒状态，GPS定位模块检测当前定位状态，最后通过Wi-Fi模块将检测到的数据传送到手机APP上，实时关注老年人的健康状态。

2  硬件设计

系统的硬件主要包括主控芯片、GPS定位模块、心率和血氧模块、DS18B20温度模块、ADXL345防跌倒模块、蜂鸣器模块、Wi-Fi模块、OLED模块等，下面将对其硬件设计进行介绍。

2.1  主控单元STM32F103C8T6

本次设计的主控单元，我们选择的是德意法半导体公司生产的STM32F103C8T6芯片。最经典的51单片机和STM32单片机都拥有很强的通信和控制功能。STM32单片机是一种32位的MCU，相对于8位的51单片机，性能更加突出，运算速度更块。51单片机的功能少，需要自己搭电路；而STM32单片机的外设资源较多，接口功能强大。51单片机开发时需要指针操作寄存器；而STM32单片机官网有封装好的库函数，可直接调用，开发的难度小。综上所述，我们选择STM32F103C8T6芯片，其原理图如图2所示。

2.2  温度传感器模块

温度传感器在预防老年人的一些常见疾病中非常重要，在众多的温度传感器中，DS18B20是一款常用的数字温度传感器，其具有体积小、抗干扰能力强、精度高等优点，非常适合各种狭小空间设备的测温功能，因此采用它作为本系统的硬件模块之一[4]。其技术特点采用单總线数据通信，精度可达±0.5 ℃，可选择寄生工作方式。DS18B20测量温度有接触式测量和非接触式测量，其中接触式测量的精度高、简单、有效，但是不能接触高温，而人体温度不存在高温，因此本文采用接触式测量，其温度检测模块原理图如图3所示。

2.3  心率与血氧传感器模块

老年人中患有心脏病的人数较多，因此本系统需要采集老年人的心率和血氧，但是单独测量心率和血氧成本较大。本次采用MAX3010X系列中最新的MAX30102传感器，其内部有一个660 nm红光LED和880 nm红外光LD，这两个灯会发出特定波长的光，采集人体反射回来的光，经过内部电路的光电转换，再通过ADC转换器转变为数字信号，最后通过读写数据进行读取数据[5]。其心率与血氧传感器模块原理图如图4所示。

2.4  GPS定位模块

当老年人跌倒时，利用GPS模块可以对老年人实现精准定位，使老年人能够得到及时的救治。GPS模块相当于一个GPS接收机，主要负责接收卫星信号。卫星通过测量GPS模块与其自身的距离实现多个卫星多次测量从而实现精准控制，然后通过GPS模块将接收到的信号转换成数字信号，就可以转换为当前位置的经纬度了[6]。对于GPS模块的选择，本文选用的是G28U7FTTL GPS模块，G28U7FTTL GPS模块安装在一个白色的盒子中，盒子上引出6条颜色不一的杜邦线，可方便地与STM32F103C8T6实验开发板进行连接，并且价格便宜实用。

2.5  Wi-Fi传输模块

Wi-Fi模块属于物联网传输层，其具有两种拓扑形式：基础网和自组网，通过串口、TTL到无线网络转换实现其传输功能，内部有IEEE802.11协议栈和TCP/IP协议栈。本文采用的ESP8266是采用无线电波进行双向传输，兼容3.3 V和5 V单片机系统，支持三种天线接口形式：板载PCB天线、IPEX接口和邮票孔接口，具有STA、AP、STA+AP三种工作模式[7]。在本次开发设计中采用了AP模式，天线选择板载PCB天线，利用IIC通信方式上传数据到手机APP；这个模块的数据传输速度快，传输的可靠性好，最大的传输速率可达460 800 bit/s，其Wi-Fi模块原理图如图5所示。

2.6  ADXL345三轴加速器模块

在本次健康养老预警系统的设计与应用中，采用了ADXL345倾角加速度传感器。这个模块既可以测到静态重力运动时的倾角，也可以测到运动时的各种态重力加速度[8]。ADXL345倾角加速度传感器具有很好的分辨率，精准到能够检测到最小0.25°的偏角。当ADXL345倾角加速度传感器计算并输出到一定的加速度时，不会再持续地进行仿真模数变换，极大地节省了主控单元的空间。同样ADXL345倾角加速度传感器具有非常多的内部功能，能够检测是否活动。在检测自由落体时无需内部计算，极大地减少了主机处理器的数据，其ADXL456三轴加速度模块原理图如图6所示。

2.7  OLED液晶屏幕

本文采用0.96寸OLED屏幕进行显示的原因是，其在厚度和伸缩性以及耗电程度上都要比LCD屏幕更加优秀，因此选择OLED屏幕。此外OLED屏幕是一种专门显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。分辨率是通过像素点来计算的，比如本次屏幕的分辨率是128×64，说明在水平方向有128个像素点，垂直方向有64个像素点。对于其接口模式OLED液晶屏幕有两种：SPI、IIC，本文选择IIC的方式，其OLED模块原理图如图7所示。

3  软件设计

程序执行时，首先对各部分的接口和串口进行初始化操作。初始化完成后，按照如下操作执行：1）初始化各个硬件模块。2）测量人体体温数据。3）测量人体心率和血氧浓度。4）实时测量老年人当前位置，将其数据传送至OLED屏幕上。5）检测老年人当前是否处于跌倒状态。6）如果处于跌倒状态将发送信息到养老院工作人员手机上。主程序流程图如图8所示。

3.1  温度传感器程序设计

由于系统采用的是1-Wire总线协议，即在一个数据线上进行双向传输，因此需要遵守严格的读写时序，并且定义了三种时序，分别是初始化时序、写时序、读时序。首先启动设备，发送温度转换命令，将温度转换成数据，然后主机从写时序开始通过总线送回数据，在送回数据同时主机启动读时序进行数据的接收，最后将后接收到的高八位数据进行时移放在一个新的数据中，组成完整的温度数据。发送到OLED屏幕上，如果没有收到数据则主机等待。

3.2  GPS定位模块程序设计

GPS的解析方法有两种，我们采用的是正点原子的解析方法。首先，从GPS中得到数据的信息是“位置”。其次，将两个字符串中的数字变成整数。第三，解析GPGSV协议，此外还有GPRMC信息的解析，分析GPVTG信息，配置NMEA信息，解析NMEA信息，配置UBLOX NEO-6的相关信息，对GPS的信息进行校验和计算，对UBLOX的发送和接收进行相关配置；其中NMEA信息是为了统一GPS中的相关协议才配置的，而信息的发送是通过串口3进行的，即首先要对系统进行初始化，使主控板的各个引脚和GPS传输信息的引脚使能，然后通过卫星接收数据，GPS模块判断是否接收到数据；如果接收到数据则开始计算数值，得到当前所在位置的经纬度，并将当前的数据传输给OLED显示屏并显示老年人当前经纬度。

3.3  运动检测模块程序设计

对于三轴加速度传感器ADXL345，我们首先要知道如何对老年人跌倒时的状态进行判断。当三轴加速度传感器ADXL345倾斜角度达到45°及以上是条件之一；另一个条件则是在一定的时间间隔内，测得的加速度小于正常人体速度的一个较小的数值，这时可以判定当前老年人处于跌倒的状态。因此需要实现的功能是获得三个方向的加速度值及角度值，从而得到老年人跌倒的角度与加速度。同时三轴加速度传感器ADXL345需要连接模拟IIC接口。首先对系统进行初始化，然后定时读取ADXL345三轴传感器检测到的加速度和角度值，并计算所检测到的数值，判断是否满足当前所设置的跌倒阈值，如果满足跌倒条件蜂鸣器发出警报并向手机APP上发送信息，不满足进行下一个周期。

3.4  OLED显示模块程序设计

对于OLED屏幕的设计，传输模式采用的是IIC通信，一条IIC通信总线上可以连接多个IIC设备，并且一条IIC总线上只使用两条总线线路，一条为串行数据线（SDA），另一条为串行时钟线（SCL）。因此我们要对IIC线路进行设置，设置数据线的输入引脚和输出引脚，编写IIC的起始信号和终止信号，并对应答信号的到来进行编写，以及对发送一个字节和接受一个字节的函数及OLED屏幕的驱动函数进行编写。

4  系统测试

系统测试主要包括对老年人的心率、血氧及体温进行测试，同时对老年人跌倒时跌倒状态的功能进行测试，然后在OLED屏幕显示当前的一些数据，数据及实物测试结果分别如表1及图9所示。

同时系统还要对老年人跌倒时的位置进行定位，因此也需要对定位数据进行测试，看是否能够在OLED屏幕上显示当前定位信息，测试表格如表2所示。

系统的软件服务端采用的是网络助手APP，因为采用的是TCP协议，所以要在端口的服务端设置IP地址以及所需要的端口号，我们选择的端口号为默认的8086，手机IP地址为192.168.4.1。我们选择的ESP8266的模式为AP模式，ESP8266的功能相当于我们的手机可以给别的手机分享热点，所以服务端要连接上ESP8266的手机Wi-Fi。

5  结  论

针对养老院老年人出现的跌倒等意外事件提出了相应的解决方案，对老年人的身体健康数据进行实时监测，当有意外出现时，能够及时地发现并且进行及时的救治。老年人群体中普遍存在血压和心率数据较高的情况，并且因为其身体关节僵硬、行动时也时常出现跌倒的情况，并且因为跌倒还会引起一系列的急性脑卒中疾病和心梗等潜在疾病。本文设计并实现了一套基于STM32技术的智能养老预警系统。该系统实现了求助功能的分级，既能够在OLED屏幕上进行显示，也能够在护理人员的手机APP上显示，给护理人员提供了便利；实现了实时监控，提高了老年人的安全性。今后我们会重点关注老年人身体健康数据采集方向，通过智能手表和云存储，实时获取和存储人的身体状态数据，以更好地监护老年人。

参考文献：

[1] 张博，韩俊江.积极老龄化政策下智能养老产业发展研究 [J].广西社会科学，2019（7）：95-98.

[2] 黄卓铭.人工智能养老利弊分析及对策建议 [J].中国商论，2019（19）：214-215.

[3] 宋振兴，姚俊明.基于智能手表的跌倒检测系统在养老院应用 [J].医学信息学杂志，2019，40（5）：15-18+27.

[4] 刘华东.串行温度传感器DS18B20的应用 [J].湖北职业技术学院学报，2010，13（4）：89-91.

[5] Maxim MAX30102可穿戴血氧和心率生物传感器解决方案 [J].世界电子元器件，2018（4）：45-48.

[6] 杨增金.论全球定位系统（GPS）的原理及在工程中的应用 [J].建材与装饰：下旬刊，2008（6）：338-340.

[7] 张琥石，林伟龙，杨发柱，等.基于ESP8266 WiFi模块的物联网体温监测系统 [J].物聯网技术，2020，10（12）：32-35.

[8] 孙思.居家养老中的智能防跌倒产品研究 [J].大众文艺，2016（6）：92.

作者简介：王文博（1999.03—），男，汉族，河南

平顶山人，本科在读，研究方向：智慧医疗；刘保菊（1980.

07—），女，汉族，河南鹤壁人，讲师，博士，研究方向：电力通信网网络管理与优化。