老年人心率異常及意外跌倒及時報警系統的設計

周涵　涂嘉翔　樸雪

摘要：該項目基于Android的移動應用開發，采用Java和嵌入式開發等技術，充分利用移動設備的普及性并結合可穿戴設備來解決老年人身體健康呈異常狀態或發生意外跌倒時的監測與報警問題。在解決上述問題的過程中，報警系統做出及時反應，從而避免老年人病情惡化，實現醫療的移動化和便利化。

關鍵詞：移動應用開發;老年人;可穿戴設備;意外跌倒;報警系統

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）06-0060-03

1 背景

1.1 課題研究背景及意義

目前，我國人口老齡化程度日益嚴重。據國家統計局2019年1月21日公布的2018年統計數據，截至2018年年底，我國60周歲以上老年人口達到2.4億人，占總人口比重17.9%[1]。隨著全國城鎮化速度的日益加快，越來越多的年輕人選擇進城務工，而造成的問題即留守老年人數量越來越龐大。當老年人獨自在家時，意外跌倒、心率異常的現象時有發生。問題嚴重時，特別是當老年人失去意識或行動能力又很難被別人及時發現時，甚至可能會產生生命危險。因此，研發一套能夠及時、準確地判斷老年人心率異常及意外跌倒報警系統是非常重要的。

通過對上述要求進行了詳盡的研究，設計了一種基于STM32單片機的可穿戴設備，并結合手機等移動設備，通過在可穿戴設備內置加速度傳感器、陀螺儀和脈搏傳感器，當老年人跌倒或者心率異常時能夠自動判斷異常并通過移動設備快速發送報警信息給緊急聯系人，使得老年人能及時地得到醫療救助，從而最大可能地降低上述意外對身體的傷害。

1.2 國內外研究現狀

現在國內外主流的老年人心率異常及意外跌倒報警系統主要依靠的還是患者自己或者當發生緊急情況時，患者本人通過無線對講系統聯系他人，向他人報警。利用無線對講系統進行報警具有可靠性高、自動化程度高等優點，但是卻忽略了一個很重要的問題，很多未能得到及時救助的老年人往往是因為自身身體狀況的原因不能夠自主地按下操作按鈕、進行對講并準確地告訴醫護人員自己的具體位置[2-3]。隨著科學技術的不斷發展，智能手機普及率越來越高，其搭載的模塊也越來越多，這為項目研究提供了很好的研究平臺。

1.3 本文研究的主要內容

在本系統中：智能手機通過其內置的藍牙模塊連接可穿戴設備，連接成功后接收可穿戴設備傳輸的數據并對數據進行判斷，發生異常時立即調用手機的GPS模塊得到具體的位置信息，并將具體的位置信息和相關的生理參數通過短信或電話等方式發送給提前預設的緊急聯系人，為病人爭取更多寶貴的搶救時間。在未來，還能進一步地完善智能手機端的App，拓展出更多的功能。

本研究在綜合了傳統報警系統與現代物聯網技術優勢的基礎上，設計了一種裝置小巧，佩戴方便，能通過手機發出求助信息的智能報警系統。

2 報警器工作原理

2.1 跌倒報警工作原理

老年人因為身體失去平衡而跌倒，在跌倒的一瞬間，人體受重力的作用，身體姿態發生改變，在跌倒方向會有向下的加速度，為了簡化人體在跌倒時重力、加速度和姿態的變化，將人體分為三軸，前后為X軸，左右為Y軸，上下為Z軸，人在運動的過程中，加速度傳感器的坐標系也會隨著人體姿態的改變而改變，此時加速度急劇變化，將會超過閾值，為了減少運算的復雜性，消除不同方向加速度坐標的映射問題，這里引入合加速度：

2.2 心率異常檢測原理

老年人在心率異常時會直接影響脈搏，通過測量脈搏可以準確地判斷出老年人的身體健康狀況，常見的檢測脈搏的方法有電極式、壓力式和光電式心率傳感器，其中電極式心率傳感器需要黏性電極來傳導心電信號，由于黏性電極上的電解導電凝膠容易引起接觸性皮炎，與設計理念不符，不適合長期佩戴。壓力式心率傳感器構造簡單，但是體積過于龐大并且測量精度低，不符合要求，故最終采用光電式心率傳感器。光電式心率傳感器的輸出信號為模擬信號[4]，經過單片機模數轉換后得到的數據如圖1所示。

3 及時報警系統設計與實驗

3.1 系統結構

老年人心率異常及意外跌倒即時報警系統框圖如圖2所示，它由STM32單片機、光電心率傳感器、加速度傳感器、藍牙模塊和智能手機組成。光電心率傳感器和陀螺儀主要收集心率和三軸加速度的原始數據，原始數據經過STM32單片機分析處理后決定傳感器是否發出警報，報警信息通過藍牙傳輸至智能手機，智能手機調用GPS模塊得到具體位置后將位置信息發送給緊急聯系人和醫療機構。

3.1.1 STM32F103開發板

開發板是整個系統設計的核心，以STM32F103為核心的單片機系統的硬件電路設計主要包括以下四個部分：時鐘電路、電源電路、復位電路和SWD接口。其中各個部分的功能如下：1）時鐘電路給單片機提供一個外接16 MHz的石英晶振;2）電源電路為單片機提供一個5V的直流電源;3）復位電路為單片機提供一個復位的電平信號;4）SWD接口主要用于程序燒錄程序與調試。

3.1.2 藍牙通信模塊

藍牙模塊主要負責單片機和手機之間的通信連接，HC-05是一款經典的主從一體藍牙串口模塊，集成度高，體積小，最大通信范圍15米，串行通信時使用簡單，能滿足項目的要求。使用時將TX對應連接單片機的USART_RX，RX對應連接USART_TX，配對后進入從機模式即可傳輸數據[5]。

3.1.3 心率傳感器

心率傳感器測量采集心率信號，信號經過加工處理后得到具體的心率，PulseSensor心率傳感器是一款模擬信號傳感器，引腳定義分別為GND、Vcc和S，GND為接地端，Vcc為3.3v電源接口，其中S輸出模擬信號，模擬信號反映了血容積的變化，根據血容積變化就能夠判斷出一次心跳[6]。

3.1.4 加速度傳感器

加速傳感器主要用來測量各個方向上對應的加速度，MPU6050[7]是一款六軸加速度傳感器，輸出信號為數字信號，主要用到其中四個引腳，除去Vcc和GND，還有兩個引腳為SCL和SDA，分別是串行時鐘線和串行數據線，連接到單片機的I2C接口，作為從設備。

3.2 系統程序軟件設計

系統軟件設計主要由兩個部分組成：單片機系統程序設計和手機軟件設計。單片機系統程序主要處理來自兩個傳感器的信號，判斷佩戴者的生理信號是否正常，在信號異常時及時地將異常發送給智能手機。

3.2.1 單片機程序設計

單片機開機時首先要對μOS和單片機硬件平臺進行初始化，若初始化失敗則重新進行初始化，初始化成功后將創建兩個主要任務，分別為Task_Maibo和Task_Fall，最后啟動OS內核，主程序流程圖如圖3所示。全部初始化成功后，兩個主要任務開始運行，其中Task_Maibo主要負責心率的監測，每兩分鐘進行一次測量，如果發現異常時接著會再進行一次測量，來確認是否存在測量干擾，排除干擾后確定心率異常時就會立即將心率信息發送給手機。Task_Fall負責跌倒檢測，當合加速度超過設定閾值時就會立刻調用Task_Maibo測量心率異常時發送跌倒信息和心率信息至手機，并在接下來的一段時間內繼續檢測合加速度以確定狀態，沒有任何變化時表明老年人跌倒且無法正常活動，同樣的會發送跌倒信息至手機。信息通過HC05藍牙模塊以文本模式發送至手機，文本模式發送消息簡單，代碼容易實現，一共有三種類型的文本消息，分別是：1）心率異常消息，一共5個字節，前兩個字節為消息類型標識符，是00;后三個字節為心率信息。2）跌倒心率異常消息，一共有八個字節，前兩個字節為消息類型標識符，為01;后三個字節位心率信息。3）跌倒消息，只有兩個字節，標識符10。

3.2.2 手機軟件設計

手機軟件界面UI的登錄界面由兩個標簽、兩個文本框和一個按鈕組成，醫護人員在登錄界面分別輸入用戶名和密碼完成登陸，手機App通過移動網絡連接服務器，并訪問數據庫比對信息，即判斷該數據庫中是否存在該用戶，若用戶名存在則驗證用戶登錄密碼是否正確，若登錄密碼不正確則提示用戶重新輸入密碼，密碼驗證正確后進入手機App主界面。主界面由三個按鈕組成，分別是連接、斷開和設置按鈕，點擊連接時，系統打開藍牙開關并自動連接可穿戴設備，若連接失敗則提示“設備連接失敗，請檢查相關的藍牙設備”，連接成功則提示連接成功。點擊斷開時則關閉手機藍牙，并提示斷開成功[8]。

單片機通過藍牙模塊連接手機，手機將單片機采集來的數據進一步上傳到服務器進行比對，在后臺數據接口時判斷數據是否達到閾值，若超過閾值則彈出提示信息，并調用手機的GPS模塊獲得準確的位置信息，并將老年人的生理數據和位置信息發送給緊急聯系人和相應的醫療機構。通過webservice連接至手機App后臺，后臺連接以及預先安置在服務器上的數據庫，通過webservice對數據進行處理，后臺提供接口給手機App客戶端，安卓用json解析展示到界面上[9]。

3.3 實驗

為了驗證設計的有效性，搭建了實驗樣機，實驗次數一共60次，檢測心率30次，其中28次準確，實驗數據對比如圖4所示。跌倒測試20次，干擾10次，一共報警23次，真正跌倒報警次數20次，干擾報警3次。通過對樣機的實驗，說明了樣機的有效性，能夠在一定程度上反映報警系統的有效性，但是樣機在跌倒測試中對干擾的辨別效果不佳，應該增大跌倒加速度報警閾值，另外，系統還是存在一定的欠缺：1）沒有利用智能手機內部的加速度傳感器結合可穿戴設備進行聯合檢測;2）由于時間有限，實驗數據相對少，后期可增加實驗頻次以提升檢測設備的可靠性。

4 結束語

本文針對老年人意外跌倒和心率異常所帶來的嚴重問題，研發了一種基于老年人跌倒和心率異常檢測報警的綜合系統，解決了老年人發生此類危險而不能及時得到救助的問題，為搶救提供了寶貴的時間。本系統結合了現代的智能手機，使得可穿戴設備的體積大幅度減小，穿戴更加方便舒適，適合于經常單獨活動的老年人，有著非常廣泛的應用前景和市場。

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[9] Sirotkin A.The Java API to Android's telephony stack[EB/OL].[2020-04-16].https：//www.researchgate.net/publication/262398757_The_Java_API_to_Android%27s_telephony_stack.

【通聯編輯：謝媛媛】