基于STM32的遠程老人健康檢測椅控制系統設計

張笑彤　劉忠富

摘要：現今社會人口老齡化嚴重，很多老人處于獨居的狀態，老人的健康監測越來越重要，因此，設計可遠程實時監測老人健康的輪椅系統有一定的應用價值。本文以STM32單片機為核心控制器，能夠實現對老人位置、速度、身體狀況以及應急藥物的余量檢測的實時檢測，通過無線通信將檢測信息實時傳輸到家人的手機中。同時，通過搖桿對輪椅的行進進行控制。本系統對老人的獨自出行提供了更為安全便捷的方式，實現了對老人健康的遠程監控，具有一定的應用價值。

關鍵詞：STM32F103;無線通信;遠程檢測;搖桿控制;身體狀態檢測

【Abstract】Nowadays，theagingofthepopulationisgrave，manyoldpeoplearelivingbythemselves，it'smoreandmoreimportanttomonitortheelderlyhealth.Sothewheelchairhasbeendesigned，whichhasthepracticalresearchsignificance.Theresearchcouldmonitorthehealthoftheelderlyintrealtimeandremotely.Inthispaper，thecorecontrollerusedSTM32，thespeedoftheemergency，thelocationoftheemergency，andthemedicalconditionoftheelderlycanbemonitoredbythecorecontroller，detectioninformationcanbetransferredtotheirfamily'smobilephonesbywirelesscommunication.Atthesametime，themovementofthewheelchairiscontrolledbytherocker.Thesystemprovidesmoresafeandconvenientwayfortheelderlytotravelalone，realizestheremotemonitoringoftheelderlyhealth.Thefruithascertainapplicationvalue.

【Keywords】STM32F103;wirelesscommunication;remotedetection;rockercontrol;bodystatedetection

作者簡介：張笑彤（1998-），男，本科生，主要研究方向：物聯網技術與應用;劉忠富（1973-），男，碩士，副教授，主要研究方向：物聯網技術。

0引言

隨著經濟快速發展、民眾生活水平的提升，以及人口老齡化的到來，人們對于醫療健康的需要日益增長，導致醫療資源仍然較為緊張。這就催生了對醫療資源的巨大需求，可以說，物聯網智能技術已然成為解決醫療資源問題的突破口。為應對這一現狀，目前國內的多家專業團隊已然陸續開啟了關于物聯網智能技術的各項研究工作。在此，本文則是針對已有的智能輪椅展開研究，可為老人出行提供便捷條件，并沒有結合醫療方面，因此，設計可遠程檢測老人健康的輪椅具有一定的應用價值。

1系統硬件設計

本文研發的可遠程實時監測老人健康的輪椅，需要對老人的健康狀況進行實時監測，為老人提供可自我出行的條件，同時也要為老人的子女或親屬提供老人的實時信息，包括位置、速度、身體狀況以及應急藥物的余量檢測。對于本系統的硬件設計方面，本文擬給出研究論述如下。

1.1系統方案設計

可遠程實時檢測老人健康的輪椅，采用STM32F103RET6單片機作為核心控制芯片。這款單片機具有高效能、低功耗、實時應用、并集競爭性價格于一體的特點，滿足嵌入式領域的要求。經過研究后可得，遠程檢測健康輪椅系統結構如圖1所示。由圖1可知，該系統主要由7個主要模塊組成，分別為：心率脈搏檢測模塊、壓力傳感器模塊、重力加速度計模塊、搖桿模塊、GPS模塊、電源電機模塊、WiFi模塊以及需要搭載一個無線WiFi設備。

1.2控制系統模塊組成

1.2.1單片機最小系統

系統采用STM32F103RET6單片機作為主控制器件。這款單片機具有高效能、低功耗、實時應用、及綜合競爭性價格于一體的特點，滿足嵌入式領域的要求。

1.2.2電源模塊

由于部分器件需要使用到5V或3.3V電源供電，故采用7805降壓芯片進行降壓，由于本產品選用的是雙12V結合成的24V電池，故將一端12V電池接入到電源電路，即可完成12V到5V的降壓過程，達到了對電路各個部件低壓供電的目的。

1.2.3電機模塊

根據市面上現有電機類型，需要考慮諸如：功率、輪椅行駛過程中轉向、速度、減速等多項指標，故選用TB6600步進電機控制器配合2個步進電機來進行電機的控制。在此過程中，參考電機的額定電壓、電機功率、電機功耗等性能參數，同時本設計使用雙12V結合成的24V電池，且考慮到安全、質量、成本等問題，故選用86閉環步進電機。電機控制電路的整體設計如圖2所示。本電機的技術優勢主要表現在：閉環控制技術，解決了傳統步進電機的丟步問題，提高安全性;較好的電機的高速性能，提高了電機的有效轉矩;較低的電機發熱量;較短的電機加減速響應時間;電機停剎車無震蕩;電機運行更平穩，精度更高;無需增益調整，使用更方便[1]。

1.2.4搖桿模塊

本設計采用三軸搖桿，由于搖桿產生的信號為模擬信號，故需通過AD處理將模擬信號轉換成數字信號，通過單片機進行計算后將處理后的信號傳輸到電機控制器TB6600上，完成對雙電機的控制。由于單片機電壓為5V，經過AD轉換后的電壓范圍在0～5V，故得到一個半徑為2.5的圓，將搖桿看作一個三維坐標，得到三維數據：X∈[0，5]，Y∈[0，5]，Z∈[0，5][2]。

1.2.5GPS模塊

本模塊選用ATK1218-BD模塊。該模塊自帶可充電后備電池，可以掉電保持星歷數據，在主電源斷開后，后備電池可以維持半小時左右的GPS/北斗星歷數據的保存，支持溫啟動或熱啟動，從而實現快速定位，確保在出現特殊情況時依舊能夠提供當下位置信息。

GPS模塊設計電路如圖3所示。本模塊將位置信息通過MAX232將數據傳輸到STM32單片機中，通過STM32將數據進行處理，再通過無線模塊將數據傳輸到移動端中[3]。

1.2.6無線通信模塊

ATK-ESP8266模塊采用串口（LVTTL）與MCU（或其他串口設備）通信，內置TCP/IP協議棧，能夠實現串口與WiFi之間的轉換。通過ATK-ESP8266模塊，傳統的串口設備只是需要簡單的串口配置，即可通過網絡（WiFi）傳輸自己的數據。

本次設計將設置單片機串口3與ATK-ESP8266WiFi模塊連接，同時將ATK-ESP8266WiFi模塊設置為STA模式進行無線通信。

本產品通過添加的無線WiFi模塊，將STM32中的數據通過無線通信模塊進行傳輸，ESP8266模塊通過無線WiFi模塊連接到互聯網，由此可以將數據傳輸到手機等移動端中[4]。

1.2.7重力加速度計

MPU6050芯片內部集合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，并可利用自帶的數字運動處理器硬件加速引擎，通過IIC接口，向應用端輸出姿態運算后的數據。通過DMP，結合運動處理資料庫，可以方便實現姿態解算，降低了運動處理運算對操作系統的負荷。

重力加速度計的設計電路如圖4所示。通過重力加速度計，可以得到當前該輪椅的運動速度與方向，得到相對準確的數據，并通過在STM32中進行設置，就可以確保在不同姿態時（上下坡，拐彎），將速度設定為安全數值，保證老人的出行安全[5]。

1.2.8壓力傳感器模塊

HX711模塊，通過應變片根據受力變化直接輸出電壓信號，將電壓信號通過AD轉換器將模擬量轉化成數字量，再通過STM32將數字信號進行整合運算，最后通過無線通信模塊將數據傳輸到移動端。

壓力傳感器模塊的設計電路如圖5所示。該模塊主要將產品佩戴藥量進行稱重，在低于額定標準時會進行提示，在低于限額時會進行報警，此過程都通過STM32進行實現[6]。

1.2.9心率脈搏檢測模塊

MAX30102是一個集成的脈搏血氧儀和心率檢測儀生物傳感器的模塊。模塊中集成了一個紅光LED和一個紅外光LED、光電檢測器、光器件，以及攜帶環境光抑制的低噪聲電子電路。MAX30102應用于可穿戴設備進行心率和血樣采集檢測，佩戴于手指、耳垂和手腕等處。同時用標準的I2C兼容的接口將采集到數值傳輸到單片機。

心率脈搏監測模塊電路如圖6所示。模塊中，將利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進行測量。通過特定公式將采集數據進行運算，并將數據傳輸到單片機中進行運算，再將數據通過ESP8266傳輸到手機端。

2系統軟件設計

本設計通過Keil5利用C語言進行編寫，C語言的語言結構簡單，運行穩定，可移植性高，兼容性高，提高了本產品在其他軟件平臺上實現的可能。

系統主函數的設計流程如圖7所示。在系統經過電源電路按鍵通電后，將進行硬件和時鐘初始化，單片機和操作系統的工作方式和工作狀態進入準備階段。根據本產品的特性，檢測端開始同步檢測各項數據，控制端等待進行各項控制。

系統上電后，ESP8266、GPS模塊優先啟動，作為第一優先級，第一時間連接到無線WiFi，通過無線通信模塊，與遠程手機端建立連接。

在檢測端，當老人乘坐穿戴好相應設備后，心率脈搏檢測模塊、壓力傳感器、重力加速度計同時啟動，將各項檢測數據通過無線通信模塊進行傳輸。

在操控端，搖桿模塊通過MCU控制電機，從而達到移動目的。

在手機端，不僅可以實現檢測功能，同時還可以對各項數據進行限額，從而實現對老人安全各項保證。

3系統調試

在測試過程中，GPS定位時，由于STM32單片機計算量過大，會出現定位不準確或無法定位的情況。

在測試過程中，防側翻功能在一直進行調試，通過加寬輪圈，與附加導輪等多方面論證可得，當速度大于10km/h時，若重心至于輪椅最高點且偏移中心位置90%，通過20次實現，并未發生側翻情況。通過附加導輪后，當速度保持在15km/h，若重心至于輪椅最高點且偏移中心位置80%，則發生側翻的概率為5%左右。通過加強減震系統，實現單輪單緩震，并加強緩震強度后，在速度達到15km/h時，當重心為正常重心情況下，不會發生側翻現象。

做出的對應Android軟件系統，如圖8所示。由圖8可知，界面中顯示了當前各項信息，并設置有GPS再定位與緊急救援呼叫按鈕，在出現特殊情況時，可以直接呼叫救護。

4結束語

本文設計是在基于STM32單片機，并結合多個模塊組合而成的產品。用于老人健康的遠程檢測，本產品在原有傳統輪椅的基礎上增加了血壓與心率檢測模塊與藥量檢測，能夠實時檢測老人的身體狀況，同時加入了GPS定位系統與重力加速度計，能夠實時檢測到老人的位置，防止老人走丟走失。但在實際測試中卻發現該產品仍存在問題：運算量過大，使STM32單片機超負荷運載，會出現數據顯示異常的現象。若更換運算量更大的單片機則會具有很大的市場潛在價值，且對老人的獨自出行提供了更為安全便捷的方式，使兒女或監護人更為放心。

參考文獻

[1]趙曉艷，高喻達，成慧翔，等.多傳感器的智能輪椅設計[J].電子技術與軟件工程，2020（12）：76-77.

[2]馬文斌，楊延竹.基于TB6600HG的步進電機驅動控制設計[J].中國農機化學報，2016，37（07）：126-129.

[3]黃麟鈞，陳嘉成，陳耀奮，等.基于STM32的多功能盲人拐杖設計[J].電子世界，2019（18）：147-148.

[4]韓犇.嵌入式物聯網系統設計[J].科學技術創新，2020（27）：93-94.

[5]楊志強.基于STM32C8T6的智能二輪自平衡小車的設計[J].電子測試，2020（17）：9-11，37.

[6]邱麥迪，任芳，蔣飛.基于STM32的電子稱重系統的設計與實現[J].中國儀器儀表，2020（7）：73-76.