老年人健康監測手表設計

桑賢伯 楊武帥 萬啟元

摘 要：本文針對老年人健康問題，設計了一款專門針對老年人的健康監測手表的軟硬件方案，主要功能有心率監測、血壓監測、血氧監測、實時定位、寵物找回和跌倒檢測等功能。手表能與網絡連接，可以把老人實時信息發送到家屬的客戶端。

關鍵詞：老年人；健康；手表；物聯網

中圖分類號：R153 文獻標志碼：A

Abstract： Aiming at the health problems of the elderly， a software and hardware solution designed specifically for elderly health monitoring watches is designed. The main functions are heart rate monitoring， blood pressure monitoring， blood oxygen monitoring， real-time positioning， pet recovery and fall detection. Watch can connect with the network， you can send the elderly real-time information to the family members of the client.

Keywords： Elderly；Health；Watch；Internet of Things

1 項目概況

1.1 研究背景與設計方法

現如今人口老齡化日漸嚴重，同時生活節奏變快，照顧老人成為家庭的難題。城市獨居老人通常會面臨一些令人擔憂的健康問題。最先要解決的問題是在老人身體出現狀況或者老人跌倒時及時的通知家人。本文針對這些問題介紹一款老人專用的健康監測手表，這款手表能實時監測老人運動狀態、血壓、心率和位置，并能把這些信息發送到服務器備案。家人可以在手機客戶端讀取老人的身體特征信息。此外，該手表還有音樂播放與寵物找回等功能方便老人日常的娛樂。該手表功能豐富，方案成熟，是一種可以商業化的方案。在設計時對老人的需求分析準確性，產品實用性，可量產性都有極高的要求。

1.2 手表總體結構

項目設計的手表主要是針對老人，完成對老人的身體狀態和健康狀況的實時監測。整個手表硬件部分包括：心率血壓傳感器模塊，屏幕模塊，姿態傳感器模塊，定位模塊，通信模塊，中央處理器模塊，電源模塊。

軟件部分包括：顯示與交互部分、姿態監測部分、通信部分、數據加密部分、定位計算部分和心率血壓分析部分。

2 硬件方案設計（圖1）

2.1 中央處理器模塊

手表使用MT2502芯片作為主控， MT2502為聯發科公司設計的可穿戴物聯網設備商用解決方案芯片，使用260MHz主頻的32位ARM7EJ-S內核，運算快。集成度高，集成多模GSM以及2.1 SPP和 4.0 GATT藍牙，是多種物聯網商用方案中使用的芯片。該手表同時使用松恩公司的BP1708芯片作為心率血壓算法協處理器，保證脈搏相關算法的實時性。

2.2 屏幕模塊

手表使用一個1.54寸可觸摸TFT-LED屏幕，觸摸芯片使用GT9xx系列的觸摸芯片，顯示芯片使用ST7789s。該屏幕具有240×240像素的顯示分辨率，能夠清晰地顯示時間和其他內容。

2.3 姿態傳感器模塊

姿態方向等使用意法半導體的LSM6DSL和LSM303C。這兩款芯片通過iic總線連接至主控。這是意法半導體新一代iNEMO MEMES傳感器，體積小，集成度高，頂面面積僅有2.5mm×3mm，容易集成在手表類智能穿戴設備，如圖2所示。

2.4 心率血壓傳感器模塊

脈搏檢監測使用SON7015傳感器并使用BP1708作為血壓血氧算法芯片，該部分通過iic總線與主控連接。該傳感器為光電容積式脈搏傳感器，在運動心率檢測方面比二極管式脈搏傳感器更加精確，適合在老人運動時實時監測老人脈搏狀態。

2.5 定位模塊

定位方面衛星定位使用MT3332芯片，該芯片可在脫離網絡的情況下提供精確的衛星定位，并可以同時提供GPS和北斗兩種衛星的定位結果，將兩種結果融合相比單星方案可以大大提高定位精度。

2.6 通信模塊

通信模塊包括WiFi模塊，藍牙模塊，GSM和GPRS模塊。

2.6.1 WiFi模塊

WiFi模塊使用了MT5931芯片，該芯片支持802.11b/g/n通信標準，以2.4GHz的射頻頻率連接無線網絡。無線網絡天線使用BT/WiFi二合一陶瓷天線，節省了PCB空間同時又提高了天線增益，防止了WiFi斷流。

2.6.2 藍牙模塊

藍牙模塊使用了MT2502集成的藍牙基帶，在方便了軟件的驅動開發之外又可以最大化地利用已有芯片減小功率節省體積，與WiFi功能共用天線。

2.6.3 GSM和GPRS模塊

GSM和GPRS使用了MT2502主控集成的GSM基帶，因為GSM技術不是開源技術，只能使用已集成的基帶才能完成GSM功能的開發。

2.7 電源模塊

電源模塊包括電池供電部分和USB輸入部分。

電池供電部分使用ETA3410作為穩壓芯片輸出3.3V。

USB輸入部分的5V供電直接接入MT2502的PMU引腳，直接由主控芯片管理。

3 軟件方案設計

3.1 通信部分

手表中包括多種通信方式，主控中集成了藍牙通信，短信和GPRS通信。為了節約通信成本在通常狀態下并不啟用短信通信，只有在老人跌倒以及心率異常時通過短信直接通知家屬，在一般狀態下，僅使用GPRS將極少的關鍵性數據使用TCP協議發送到服務器，家屬可以在手機客戶端上查看老人的相關身體特征信息。藍牙通信對于不使用智能手機的老人在初次使用手表時家屬通過藍牙配置手表，之后就可以關閉藍牙，對于使用智能手機的老人就可以連接藍牙查看自己的相關信息。藍牙也可以在寵物防丟功能時使用。同時手表的 WiFi通信能適用于敬老院等小范圍環境的低成本多終端傳輸。在敬老院模式時是通過WiFi直接將老人相關數據發送至敬老院數據中心。

3.2 數據加密部分

因為手表要通過網絡傳輸老人的身體狀態等隱私信息所以數據需要進行加密。在手表中使用的加密算法為TEA算法，處理的輪數為8輪，在保證一定數據保密性的同時加快加密速度。

3.3 顯示與交互部分

在交互方面，我們優化了對老人的交互方式，讓老人可以在不進行任何復雜操作的情況下使手表正常工作。手表的相關操作均可通過網絡遠程操作，老人戴著手表抬腕即可亮表，監測和數據發送均為自動完成。本機操作可以通過按鍵和觸摸屏來實現，我們在Nucleus操作系統上自主開發了界面系統，包括6種控件，可以很快的組建界面。

3.4 姿態監測部分

程序中的一個線程實時監測加速度和陀螺儀數據并進行姿態的運算，來判斷老人的動作，老人的運動狀態，以便計步和統計老人的運動情況。電子羅盤主要是為老人提供方向導航。

在跌倒檢測時不但包括姿態的監測，還有脈搏監測的數據作為輔助，提高了跌到檢測的準確性，防止誤判。

3.5 定位計算部分

程序會把老人的運動軌跡發送到服務器，在服務器請求老人的實時位置時程序也可以返回老人的實時位置。在敬老院模式下可以使用基于WiFi指紋與藍牙的室內定位，提供老人在敬老院內的位置。

3.6 心率血壓分析部分

程序的一個線程會實時獲取原始ECG數據和血壓血氧數據，如果發現老人的心率血壓異常將會根據異常的級別選擇通過網絡發送到服務器或者直接短信通知家屬，如圖3所示。

結語

我們期望能給老人更多的關愛，但是我們奔忙于生活，無法時時刻刻照顧著老人，所以健康監測手表成為老人們生活中的助手，有效地防止了老人走失，也讓家屬能時刻關注老人的身體狀況。

在物聯網不斷地發展下，相信以后可以實現醫療遠程化，微型化，便攜化。

參考文獻

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