基于STM32的老人健康手环系统设计*

黄文静，卢雨博，杜雨静，宗凌轩，马华红

(河南科技大学信息工程学院,河南 洛阳 471023)

0 引言

随着中国人口老龄化日趋明显,越来越多的独居老人因为摔倒不能及时就医面临着生命危险[1]。为更好的保护老年人,本文提出了一种健康监测手环系统,可以实时监控老人的跌倒情况,当监测到老人跌倒后,手环会自动发送位置信息到预先设置的联系人手机,第一时间让老年人能够获得急救。除此之外,该系统还具有检测血氧和PM2.5并实时显示的功能,有极高的使用价值。

1 系统工作流程

系统总体框图如图1所示,健康管理手环系统具有普通手环的时间、日期、温度显示功能,通过OLED显示。还有专门为老人设计的跌倒报警功能,一旦老人摔倒,手环会把老人的位置通过短信发送到紧急联系人的手机上。另外还有心率和血氧监测功能,一旦这些指标超过正常阈值会立即报警。

图1 系统总体框图

2 硬件设计

2.1 系统电源电路设计

本系统由锂电池为其供电,由于充电器输出电压大于系统最大供电电压3.3 V,所以本系统应用双向稳压的MIC5205电源管理模块进行降压,模块由两部分组成。

1) 降压电路:该部分使用输出是3.3 V 的电压调节器件MIC5205。VIN接入5 V电压,GND管脚接地,EN使能端接5 V电压代表芯片不受其他信号控制,固定输出3.3 V电压。本电路不考虑噪声影响,故而BYP端不接电容。输出端接3个电容起到滤波作用。对锂电池以100 mA电流进行恒流充电。

2) 充电电路:TP4056 作用于充电电路,采用单节锂电池,充电器为线性充电器,电阻可以根据需要的充电电流设置,在电压低于3.3 V时,对电池进行升压稳压。

2.2 心率传感器设计

该部分使用MAX30102传感器,电路如图2所示。MAX30102是一种灵敏度极高的脉搏血氧器和心率监测器,并集成了660 nm红光LED、880 nm紫外光LED、光电子学探测器和具有环境光控制功能的电路。1.8 V 单电源为该高灵敏度元件供电,内部具有LED,单独的 5.0 V 电源为其供电。芯片的数字处理电路部分将ADC切换出来的原始内容进行滤波电路处理后放于缓冲区内;单片机利用IIC接口读取出对应的数据。由于MAX30102的逻辑电路的IIC通信电平是1.8 V,需要将相应的控制引脚设置为上拉模式。

图2 MAX30102模块电路

2.3 MPU6050传感器电路设计

MPU6050 模块内部同时安装了一套3轴的陀螺仪组件和一套3轴的加速度传感器组件,MPU605模块通过这两套组件测量得到手环的轴倾角和轴加速度信号并最终通过内置的一个16位高速数字AD转换器转化为数字量,然后经过I2C接口向应用端实时地输出数据。AD0是模块IIC从机地址设置引脚,设置从机地址为0x68,AD0接低电平。由于串行数据线与串行时钟线为漏极开路且为双向口,因此通过10 k的上拉电阻拉至3.3 V。通过串行数据线上与串行时钟线上产生的电平信息来控制与主控的数据传输或传感器与主控之间的中断。将串行数据线电源设置为高电平,串行时钟线信号由高电平状态转换到低电平的状态后,传感器和主控设备开始完成数据传输。当串行数据线设为高电平状态,串行时钟线从低电压有效转化成高电压有效后,传感器芯片将与主控设备停止串行同步数据线的传输。MPU6050电路如图3所示。

图3 MPU6050模块电路

2.4 SIM900A GSM/GPRS 模块

通信模块采用载有双频GSM/GPRS模块的SIM900A,电路如图4所示。SIM900A模块具有两组TTL端口,一组为2.85 V的TTL端口,可以与3.3 V的单片机直接连通,另一个可以兼容于不同电压的TTL输入输出电平,5 V、3.3 V等的单片机都能与其连接。在使用时,需要将SIM900A和单片机的一些端口相连,即可通信。

图4 SIM900A模块电路

2.5 温度传感器SHT30模块

SHT3x湿度感应器系列结合了多种功能和端口,测量方法使用热电偶的方式,当工作端和自由端的温度不同,就会在输出回路产生热电动势,经过电路的变换将这个电压的变化送入单片机,转化成可识别的信息。SHT30通过IIC通讯,SCL与SDA应设置为开漏输出,总线上均有上拉电阻,电路如图5所示。

图5 SHT30模块电路

3 软件设计

3.1 MPU6050摔倒监测及位置获取与发送

根据在正常行动时人体加速度值和角速度的值和跌倒时的值进行比较来判断老人是否跌倒,同时也考虑到由于上下楼梯、弯腰、躺下等情况导致的误差,本部分主要研究的是如何将老人意外跌倒与日常活动区分开来。

图6 摔倒检测流程图

加速度部分数据处理:

设X轴、Y轴、Z轴方向的加速度分别为ax、ay、az,则合加速度SVM为:

(1)

角度部分数据处理:

MPU6050数据处理采用硬件DMP解算,通过计算得到欧拉角。当人体直立时,人体与Z轴方向的夹角φ一般<60°;当人体平躺时,人体与Z轴方向的夹角φ≈90°;当人体跌落时,人体从直立状态变为水平状态。所以将人体倾角Pitch值为60°作为摔倒时的角度阈值,当超过阈值时,判断为跌倒。

3.2 心率监测

通过光电脉搏传感器所获得的原始信号,难免会收到外界环境的干扰,因此需要对采集的脉搏波原始信号进行处理。PPG信号成分的频率主要集中在0.5～2 Hz之间,为了消除个体差异,应该保留的频率成分0.5～3 Hz(也就是心率30次/min～180次/min)。首先对原始信号进行中值滤波,中值滤波能够很好地滤除高频噪声,同时还能防止边缘模糊化。然后再对其使用巴特沃斯数字低通滤波器,进行进一步处理。

3.3 血氧测量

由朗伯比尔定律经过推导可以得到血氧的基本数学表达式(2)。此式中的a、b、c是经验常数,R是在某个很小的时间间隔上,两种光电信号的幅度变化量之比。R可以通过式(3)计算得到,先计算红光的交流除以红光的直流即ACred/DCred和红外的交流除以红外的直流分量即ACired/DCired,然后两者再相除得到R。在实际的应用中还需要对传感器血氧浓度进行标定才能准确得出血氧的饱和度,通过实验测得a、b、c如式(4)所示,这个标定表达式实际上是对血氧饱和度的二次曲线拟合。

SpO2=aR2+bR+c.

(2)

(3)

SpO2=-45.060×R×R+
30.354×R+94.845.

(4)

4 结果测试

打开电源,发现OLED可以正常显示时间、温度、血氧等数据,佩戴手环模拟老人跌倒发现提前预设的紧急联系人手机可以接收到手环发送的含有测试者位置信息的短信,并且手动取消报警后不再发送短信。此次测试跌倒和各项数据能按照本次设计要求实现,说明各项功能完好,测试初步成功。

5 结语

本文基于32位微控制器设计了老人健康手环系统,在MPU6050数据滤波、摔倒检测算法和心率、血氧的精确测量等方面提出了方案。将传统的手环增加了专为老年人身体健康设计的心率、血氧和摔倒检测等功能,增加了系统的实用性,可以解决当前老年人独居生活的一些安全问题。