基于單片機的老年健康管家

呂海玉，嚴路昊，張郡夫，許少娟

（大連理工大學城市學院，遼寧 大連 116000）

0 引 言

目前我國國內人口老齡化不可避免，社會上老年人越來越多，年輕人有時因為工作、學習原因可能無暇顧及老人的健康狀況[1]。在相關領域，已有單一的老年人監控系統[2]研發，其缺點是對老年人生理各項指標等采集不夠全面，儀器體積過于龐大以致老人無法便捷攜帶。本文提出一種基于GPS技術的老人防丟系統的設計方案，由主控模塊、GPS模塊組成。本系統采用STC15系列單片機作為控制核心，首先將GPS模塊采集到的信號送入STC15系列單片機進行處理，通過老人主動按鈕，將信息傳遞給GPS模塊并發送短信。一旦老人發現自己走失或者迷路，就可以通過此設計將位置發送給兒女。

隨著技術的不斷更新，現在防丟器和以往相比有極強的抗干擾性和穩定性，功能也越來越多。本方案設計的防丟器沿用了以前的發射抑制原理，在特定條件下給使用者提出警告。該方案采用藍牙4.0，其是傳統藍牙技術[3]、高速藍牙技術和低功耗藍牙技術[4]的合集。本設備其他模塊利用傳感器監控老人的心率、血壓狀況，并可通過藍牙連接方式將數據傳輸到監護人的移動設備中，還具有時間顯示、摔倒報警、數據存儲、運動檢測等附加功能；同時具有體積小、便于攜帶、跟蹤定位響應快速、環境適應性好、操作簡單等優點。

1 系統方案

1.1 系統設計方案

如圖1所示，老年健康管家系統設計是以STC15W4K58S4為主控制器，以MAX30100心率血氧監測芯片、VK2828U8G5LFGPS定位芯片[5]和MPU-6000加速度計模塊采集數據為主，經過單片機分析處理數據，通過24C02芯片進行數據存儲，同時通過藍牙芯片將數據傳輸至手機，使得監護人可實時監測老人情況，以便于進一步了解老人的身體情況。除此之外，此產品還有實時時鐘功能，增加了此系統的應用性。

圖1 系統結構

1.2 硬件設計

1.2.1 GPS模塊

如圖2所示，VK2828U8G5LF模塊具備高靈敏度GPS天線、高精度TCXO。該模塊引線VCC為系統主電源，TX為并行輸入接口，RX為并行輸出接口，通過串口輸出的是NEMA-0183語句，帶$GN前綴，不同字段代表了經緯度、日期、速度等信息，其體積小巧、性能優異，老人走失時可準確地確定他們的位置。

圖2 GPS模塊實體圖

1.2.2 心率血氧模塊

如圖3所示，MAX30100模塊有2個發光二極管，1個光檢測器，通過紅外LED燈照射，能夠得到心率的ADC值，通過相關算法，可以得出心率。而且由于攜帶氧氣的紅血球能吸收較多紅外光[6]，未攜帶氧氣的紅血球則是吸收較多的紅光，所以內置分光計，利用不同紅血球吸收光譜不同的原理，來分析血氧飽和度。老人只需要將手指頭緊貼在傳感器上，就能估計心跳及血氧飽和度。

圖3 檢測模塊實體圖

1.2.3 運動處理組件

本文使用MPU-6000運動處理傳感器，其俯視圖如圖4所示。MPU-6000內置的陀螺儀[7]用于姿態檢測和傾角測量，老人摔倒時，系統能實時檢測，并且發射報警信息傳輸給藍牙模塊，體現在監護人移動設備上。其加速度計可測得老人步行速度。陀螺儀和加速度計均使用3個16位ADC，將測得的模擬量以數字量形式輸出。將數據依照相關公式處理后與通用標準模型進行比較，當偏差較大時輸出報警信息。

圖4 傳感器俯視圖

1.2.4 時鐘芯片

由于單片機本身定時器用作時鐘時，精度不夠，單片機內部對于指令的執行需要額外時間，而專門的時鐘芯片可以進行精準計時，功耗極低，且具有閏年補償等多種功能。時鐘芯片管腳圖如圖5所示，除了DS1302的基本計時功能以外，還有額外架構，如雙管腳主電源、備用電源以及7 B的暫存器等。

圖5 時鐘芯片管腳圖

1.2.5 藍牙模塊

HC-05嵌入式藍牙串口通信模塊如圖6所示。把其設置為自動連接工作模式[8]，自動進行數據傳輸，實現老人和監護者的實時消息互通。其主要利用指令集實現配對、連接和數據寫入。

圖6 藍牙模塊實體圖

1.2.6 數據存儲模塊

為了實現掉電后數據不丟失，采用E2PROM來保存數據。AT24C02可以一次寫入16個字節的數據，每成功寫入一個字節，E2PROM存儲空間的地址就會自動加1，最多可以往AT24C02存儲器里面寫2 048個字節，即256個8位字節。這為保存老人重要個人信息提供了途徑。如圖7所示，默認為A0=0、A1=0、A2=0，關閉寫保護。當R/W為0時，表示寫方向；R/W為1時，表示讀方向。所以此處E2PROM芯片的寫地址為0xA0，讀地址為0xA1。

圖7 管腳圖

1.2.7 顯示模塊

LCD12864模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構還是顯示程序都要簡潔得多，且價格便宜。

2 結 語

本文設計的老年健康管家能夠隨時顯示時間，隨時測得心率，記錄心率數據，并有效地實時定位，當使用者走失時可準確地確定使用者的位置；并且可以通過遠程發送求救信息，以便讓使用者得到身邊人的幫助。當使用者摔倒時，系統可發出求助警報，并將摔倒信息反饋給子女，若使用者長時間倒地不起，系統會直接將位置發送給120指揮中心，以尋求幫助。子女可將老人的個人信息以及既往病史和自己的聯系方式等信息存儲到“老人健康管家”中，老人此前測得的心率數據也將被儲存起來。當老人遇到突發情況時，路人可通過子女的聯系方式聯系到子女，醫生可根據心率情況和既往病史來判斷老人當前的狀況，以進一步救治。另外，本產品操作極其簡單，學習成本極低，有利于老年人學習使用。

中國由于人口基數龐大，縱使計劃生育政策的頒布實施，有效遏制了人口急劇膨脹的趨勢，但人口老齡化問題也接踵而至。老人身體逐漸衰老，免疫力下降，但社會的林蔭大道上仍不乏他們的身影，在參與道路交通活動時常因手腳不靈便、視力低下、聽覺失察等造成一系列不可預知的不良后果發生。在人口老齡化這種不可短期改變的現狀下，人們只能不斷改進對老年人群體的健康看護措施，做到方便、響應快捷、價格低廉、控制有效、及時檢測、及時行動。