基于物聯網技術的老人監護智能系統的研究與設計

摘 要：文章設計是基于物聯網技術為孤寡老人專門設計的監護系統，該系統采用功能強大、高靈活性的多協議SoC的NRF51822作為處理單元，結合外圍設備（包括陀螺儀、加速度計、溫度、心率傳感器等），對傳感器數據進行分析和統計，實現對老人的體溫、心率、運動量等監測，如遇緊急情況還能自動呼救。本系統具有方便、易用，為孤寡老師提供了便攜式移動監護站。

關鍵詞：NRF51822；BLE；心率

隨著物聯網技術的發展，可穿戴設備逐漸步入醫療領域，為人們的身心健康提供極大的保證，作為新世紀的大學生，應該站在時代發展的前沿，掌握最先進的現代科學技術知識，以適應和造福社會。而中國人口老年化，獨居老人增多，無人看護，養老院看護人員過少，近幾年經常出現老人摔倒或因疾病無人及時發現導致死亡的案例。所以設計了這款基于物聯網技術的智能老人看護系統，避免因無人及時發現出現的悲劇。MPU6050是6軸運動處理傳感器，它集成了3軸陀螺儀、3軸加速度傳感器和一個數位運動處理器，通過I2C總線串行輸出三軸方向上的加速度和角速度。NRF51822是NORDIC公司設計生產的一款多協議的超低功耗的無線芯片，當下移動終端快速發展，NRF51822在無線通信領域有著廣闊的應用前景。

1 系統整體設計

圖1 系統設計

系統設計如圖1所示：主控NRF51822負責采集數據和傳輸數據以及用戶交互功能。手機端APP采用低功耗藍牙和NRF51822通信，負責發送短信和緊急撥號功能。OLED負責顯示時間、來電提醒、短信提醒功能，與振動電機相結合能及時提醒老齡用戶。心率傳感器和溫度傳感器都通過非接觸式采集數據，給用戶舒適體驗。陀螺儀和加速度傳感器負責實時監測用戶的行動狀態，如遇突然狀況（摔倒）能自動及時通知監護中心或者家屬避免發生意外。

2 部分模塊設計

2.1 NRF51822與MPU6050接口

NRF51822作為系統的控制核心可直接控制MPU6050的工作狀態和數據采集，并將MPU6050采集的數據經過解算處理然后通過BLE發送到手機端，NRF51822與MPU6050通過I2C總線接口進行通信，其電路結構如圖2所示。

對MPU-6050模塊的角度數據處理，算法很多，比如最常見的積分處理，卡爾曼濾波處理，自帶DMP處理等，本設計充分利用NRF51822的定時器，采用積分處理。我們知道在誤差要求允許范圍內，對不連續的數據進行求和有時候可以替代積分，本設計就是依據這個思想來實現的。

2.2 NRF51822與心率傳感器接口

圖3 心率檢測設計方案

心率采集方案如圖3所示：SON1303采用了570nm發光波長的綠光，與紅外光相比反射率更高，測量感度更高，同時提高了S/N比特性，采用的反射式光電傳感器使測量方式更加自由，應用范圍遍及可佩戴式電子產品以及新式測試方法的脈搏測量儀器，內部集成高科技納米涂層環境光檢測傳感器，過濾不需要的光源，減少由其他光源干擾的誤判動作，準確度高，經過四運放SON3130，處理得到方波，MCU僅僅需要讀取高低電平就能采集出心跳速率。且此方案不需要和人體直接接觸，即可采集出信號，擁有絕佳的用戶體驗。

3 軟件設計

3.1 NRF51822藍牙協議分層

首先是應用層，從藍牙特別興趣小組SIG的官方網站可以看到已經發布的GATT規范列表，包括今警告通知、血壓測量、心率、電池等，如圖4等，他們都是針對具體的低功耗藍牙的應用實例來設計的。

控制層包括三部分：

主機控制器（HCI），也稱為設備管理器，是基帶中的一個功能模塊，控制一般的藍牙設備行為。它負責所有與數據無關的數據系統操作，例如詢問附近藍牙設備是否存在，連接藍牙設備，或者讓本地的藍牙設備可以被其他設備發現或者連接。為了執行相應的功能，設備管理器要求提供基帶的資源控制器訪問傳輸媒介。

鏈路層（LL），主要負責鏈路管理、鏈路控制，包括負責創建、維護和釋放邏輯鏈路已經跟新設備之間物理鏈路的相關參數。

物理層，負責從物理信道傳輸和接收信息數據包，在基帶和物理層之間一條控制路允許基帶模塊控制物理層的時隙和頻率載波。同時，物理層模塊向物理層信道和基帶發送和接收符合格式要求的數據流。

3.2 軟件MCU程序設計

如圖5：本設備開機后程序自動運行，首先連接手機，然后自動采集數據，算出心率值，體溫值，用戶的運動量和自身的運動姿態，判斷是否摔倒和體溫心率是否超過設定值，摔倒或者超過設定值立刻通知手機發送短信給監護人或者監護中心。來短信，本設備電機震動提醒用戶，防止用戶年紀大耳朵不好聽不見，同時OLED還會顯示時間和一天的運動量，到了晚上會提醒用戶多鍛煉，防止肌肉萎縮。本設備還有求救報警功能，老人只需輕輕一點按鍵，就能發送短信（也可設置為電話撥號功能）到監護人或者監護中心。

4 結束語

文章設計研究的可穿戴式老人監護系統，檢測出的心率值準確率高達99%，體溫值準確到0.1攝氏度，且都是非接觸式，給用戶極佳的體驗。運動過程中也不影響其準確度，姿態檢測也非常準確，測試期間，摔倒檢測概率非常高。結果表明，該設備對于獨居老人的監護效果明顯，能大大減少獨居老人的事故率。

參考文獻

[1]聶水茹.高動態環境下捷聯慣導的優化算法研究[D].西安：西北工業大學，2003.

[2]劉付強.基于MEMS器件的捷聯姿態測量系統技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007.

[3]黃紅霞，嚴偉.便攜多功能心率計的設計[J].黃石理工學院學報，2006（6）.

[4]王存思，劉 ，孫玉玲，等.數字心率計[J].醫療裝備，1989（6）：22-24.