一款基于藍(lán)牙的老年健康監(jiān)測手環(huán)設(shè)計(jì)

摘" 要：文章設(shè)計(jì)了一款針對老年人的智能穿戴設(shè)備——老年健康監(jiān)測手環(huán)，用于解決老年人身體健康狀態(tài)及生活環(huán)境監(jiān)測的問題。通過體溫、心率血氧、傾倒角度、有害氣體等傳感器模塊的組合實(shí)現(xiàn)對老年人體溫、心率等身體參數(shù)監(jiān)測功能，對老年人是否摔倒、家中有無有害氣體（一氧化碳、可燃?xì)怏w等）泄漏的報(bào)警功能，通過藍(lán)牙模塊將監(jiān)測信息傳輸?shù)绞汁h(huán)上，實(shí)現(xiàn)對老年人身體健康狀況和日常生活環(huán)境的監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：智能穿戴;系統(tǒng)監(jiān)測;健康監(jiān)測

中圖分類號：D669.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2021）13-0041-04

Abstract： This paper designs a smart wearable device for the elderly-a geriatric health monitoring bracelet， which is used to solve the problems of health status and living environment monitoring of the elderly. Through the combination of sensor modules such as body temperature， heart rate， blood oxygen， dumping angle and harmful gas， the monitoring function of body parameters such as body temperature and heart rate of the elderly and the leakage of harmful gases（carbon monoxide， combustible gas， etc.） in the home environment is realized. The monitoring information is transmitted to the bracelet through the Bluetooth module to monitor the health status and daily living environment of the elderly.

Keywords： smart wear; system monitoring; health monitoring

隨著我國社會人口老齡化的發(fā)展趨勢逐年嚴(yán)峻，對老年人的健康問題也越發(fā)重視。而隨著互聯(lián)網(wǎng)及科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，醫(yī)療監(jiān)測產(chǎn)品及老年人用的健康監(jiān)測產(chǎn)品逐漸走進(jìn)日常生活。但目前市場上相關(guān)產(chǎn)品仍存在許多不足，一方面不符合老年人的生活習(xí)慣和需求;另一方面，傳統(tǒng)的家用健康監(jiān)測產(chǎn)品只具有單一的功能，并沒有一個系統(tǒng)的檢測體系，平常的監(jiān)測對于疾病的治療或是長期的觀測結(jié)果上并無實(shí)際意義，只具有當(dāng)下身體指標(biāo)監(jiān)測的短暫性。如今云端處理數(shù)據(jù)能力提升、電子元件體積越來越小、無線通信技術(shù)飛速發(fā)展，智能穿戴設(shè)備為人體健康監(jiān)測提供了強(qiáng)大的支持。對此本文結(jié)合實(shí)際情況，以用戶為中心，設(shè)計(jì)了一款智能監(jiān)測手環(huán)，針對老年人身體健康，實(shí)時(shí)監(jiān)測身體數(shù)據(jù)和日常生活環(huán)境并在遭遇突發(fā)狀況時(shí)能及時(shí)報(bào)警。該設(shè)計(jì)能夠形成一個系統(tǒng)的監(jiān)測體系，對于治療疾病或是長期的觀測結(jié)果都將有很大幫助，符合老年人的行為習(xí)慣和心理、生理需求，更適宜老年群體使用，保障老年人的身心健康。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)的供電采用5V電源，51單片機(jī)對輸入進(jìn)來的心率、體溫、傾倒角度、氣體等信號進(jìn)行處理判斷，將需要做出的反應(yīng)命令發(fā)送給藍(lán)牙模塊，從而達(dá)到危機(jī)時(shí)及時(shí)報(bào)警的功能（見圖1）。

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由外圍傳感器電路、報(bào)警電路和STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)等組成，傳感器電路由體溫檢測模塊、傾倒角度檢測模塊、心率血氧檢測模塊、氣體檢測模塊組成，報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警電路由藍(lán)牙模塊組成，以及集成電路的電源模塊共同組成了這套完整的老年人健康監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)各部分的功能概述如下：

2.1 電源模塊

電源模塊提供整個系統(tǒng)所需的電量，由于本系統(tǒng)由多模塊集成電路供電，51單片機(jī)的工作電壓為4～5.5V，因此使用以下供電方案。

主電路采用7805 三端穩(wěn)壓集成電路，該電路輸出電壓為穩(wěn)壓5V，輸入電壓為5V～18V，可以為系統(tǒng)提供5V穩(wěn)壓供電。使用該電路組成穩(wěn)壓電源能夠減少外圍元件的使用數(shù)量，降低成本。

藍(lán)牙模塊的電路采用ASM1117穩(wěn)壓器供電，此系列穩(wěn)壓器被設(shè)計(jì)用于提供1A輸出電流，且工作壓差可低至1V，適用于實(shí)現(xiàn)對藍(lán)牙模塊的3.3V穩(wěn)壓供電。

2.2 STC89C52單片機(jī)

本次設(shè)計(jì)采用的控制芯片是STC89C52單片機(jī)，此芯片是一種高性能、低功耗的CMOS 8位微控制器，適用于常規(guī)編程，并在傳統(tǒng)的51單片機(jī)上做了很多改進(jìn)，具備更多功能，如：Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，在單芯片上，擁有8k字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器和8位CPU，運(yùn)行更加靈活高效，使STC89C52被眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)中將由此款單片機(jī)完成對系統(tǒng)的控制。圖2為單片機(jī)系統(tǒng)電路。

2.3 藍(lán)牙模塊

本設(shè)計(jì)使用的是HC-06藍(lán)牙模塊，采用CSR公司的BC417143芯片，支持藍(lán)牙2.1+EDR規(guī)范。該模塊形狀小巧、性能優(yōu)異，同時(shí)價(jià)格低廉，適應(yīng)本次設(shè)計(jì)的需求。該藍(lán)牙模塊配置如下（見圖3）。

（1）采用CSR主流藍(lán)牙芯片，藍(lán)牙2.1+ERD;支持UART接口。

（2）接線共六個引腳：KEY（清除從機(jī)位址）、VCC（正電源）、GND（接地）、TXD（傳送）、RXD（接收）、STATE

（狀態(tài)）。

（3）輸入直流電壓：5V，禁止超過7V;輸出電壓：5V;內(nèi)置PCB射頻天線。

（4）板載5V穩(wěn)電芯片，成功配對時(shí)，電流大約為10mA;未配對成功時(shí)，電流大約為30mA（LED燈閃爍，表示電流處于不斷變化的狀態(tài)）。

（5）HC-06嵌入式藍(lán)牙串口通信模塊的兩種工作方式：

自動連接工作模式和命令響應(yīng)工作模式。當(dāng)模塊處于自動連接工作模式時(shí)，將根據(jù)事先設(shè)定好的連接方式進(jìn)行自動數(shù)據(jù)傳輸;當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時(shí)將執(zhí)行AT命令，為模塊發(fā)布控制命令或設(shè)定控制參數(shù)，用戶也可向模塊發(fā)送各種各樣的AT指令。

2.4 體溫檢測模塊

體溫?cái)?shù)據(jù)采集使用MAX30205體溫檢測模塊，這是一款可以精確測量溫度的集成溫度傳感器，并提供過溫報(bào)警、中斷、關(guān)斷輸出，該器件使用高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將溫度測量轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，工作溫度范圍在0°C～50°C之間，精度為0.1°C。綜上MAX30205體溫傳感器適合作為本產(chǎn)品中測量老年人體溫的模塊，其具體數(shù)據(jù)如表1：

2.5 氣體檢測模塊

有毒氣體檢測主要采用MQ系列傳感器，以MQ-9為主（可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用時(shí)的檢測需求擴(kuò)展，添加其他類型的氣敏傳感器），主要用于煙霧、可燃性氣體檢測，是一款對甲烷、液化石油氣和一氧化碳等非常敏感的氣體傳感器。通過MQ類型的氣敏傳感器檢測佩戴者周圍環(huán)境的有毒氣體濃度，因檢測后的氣體濃度是模擬信號，所以需將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后送入STC89C52單片機(jī)，以便做出是否報(bào)警判斷。通過循環(huán)高低溫度來探測有害氣體的濃度，1.5V加熱時(shí)，使MQ-9能夠在低溫的環(huán)境探測到一氧化碳，且傳感器的導(dǎo)電率隨著氣體濃度的升高而升高;5V加熱時(shí)，產(chǎn)生高溫環(huán)境，使其能探測到甲烷和丙烷等可燃?xì)怏w，并且清除低溫時(shí)所吸收的氣體。由于MQ-9的敏感元件采用了SnO2的材料，在清潔控制中具有低導(dǎo)電率的特性，當(dāng)單片機(jī)接收到氣體濃度數(shù)字信號時(shí)，與設(shè)定的報(bào)警濃度閾值進(jìn)行比較，若達(dá)到，則蜂鳴器和LED燈同時(shí)觸發(fā)，進(jìn)入聲光報(bào)警狀態(tài)。

2.6 心率血氧檢測模塊

老年人的心率血氧數(shù)據(jù)一直作為醫(yī)學(xué)上老年人身體健康的重要的評估數(shù)據(jù)，所以心率血氧檢測模塊是我們本次設(shè)計(jì)中必不可少的模塊。老年人由于心臟系統(tǒng)退化，其心率的正常范圍為55～100次/分。若老年人出現(xiàn)心率過快，本設(shè)備將在老年人心率超出范圍值時(shí)發(fā)出警報(bào)，讓老年人的身體情況能及時(shí)被監(jiān)護(hù)人知曉并做出相應(yīng)的救助。

MAX30102是一個集成型的心率監(jiān)測儀生物傳感器與脈搏血氧儀模塊。該模塊集成了帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路、一個紅外光LED、光器件、一個紅光LED，以及光電檢測器。可以將心率和血氧采集檢測應(yīng)用于可穿戴設(shè)備，可以佩戴于手腕、手指等處，使產(chǎn)品更便攜、方便。

2.7 角度傳感器模塊

角度傳感器用來檢測角度，適用于各個工作場景。老年人身體協(xié)調(diào)能力差，容易摔倒，針對這一點(diǎn)我們在本次設(shè)計(jì)中特別添加了角度傳感器模塊。當(dāng)老年人發(fā)生傾倒時(shí)，該模塊就會通過單片機(jī)進(jìn)行報(bào)警。工作電路圖如圖4：

3 軟件部分

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

STC89C52RC單片機(jī)軟件的下載軟件為STC_ISP，其仿真環(huán)境為Protues，開發(fā)平臺為Keil uvision4 C52。

Keil C52是由美國Keil Software公司研發(fā)出品的52系列兼容單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)，其C語言在可維護(hù)性、可讀性、結(jié)構(gòu)性、功能上有著明顯的優(yōu)勢，所以在本設(shè)計(jì)中結(jié)合實(shí)際情況選擇了此系統(tǒng)。同時(shí)Keil為用戶提供了一個完整的開發(fā)方案，其中包括了一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器、庫管理、連接器、C編譯器、宏匯編、連接器等，最后使用集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分進(jìn)行組合。Keil軟件需要在WIN98、WINXP、NT、WIN2000等操作系統(tǒng)中運(yùn)行。

STC-ISP是針對STC系列單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的一款單片機(jī)下載編程燒錄軟件，可對12C5410、STC89和12C2052等系列的STC單片機(jī)進(jìn)行下載，因?yàn)槭褂帽憬荩袁F(xiàn)在已經(jīng)被廣泛使用。

3.2 藍(lán)牙模塊協(xié)議

應(yīng)用了Wi-Fi技術(shù)的藍(lán)牙3.0依據(jù)802.11適配層協(xié)議，極大地提高了傳輸速度。因此，通過Wi-Fi連接藍(lán)牙3.0設(shè)備，將能夠與其它設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

藍(lán)牙3.0數(shù)據(jù)的傳輸速率是藍(lán)牙2.0的八倍，提高了大約24Mbps。而在功耗方面，因?yàn)橐肓嗽鰪?qiáng)電源控制（EPC）機(jī)制，再輔以802.11，使通過藍(lán)牙3.0高速傳送大量數(shù)據(jù)消耗更多能量得到緩解，實(shí)際空閑功耗明顯降低。此外，新的規(guī)范還擁有單向廣播無連接數(shù)據(jù)（UCD）與通用測試方法（GTM）兩項(xiàng)不同的技術(shù)，并且包含了一組能夠獲取密鑰長度的HCI指令。

3.3 程序設(shè)計(jì)

本程序設(shè)計(jì)主要包括串口通信的處理、氣體模塊數(shù)據(jù)的處理、體溫、心率血氧、角度以及氣體等模塊。主程序流程圖如圖5：

3.4 串口通信

藍(lán)牙模塊調(diào)試準(zhǔn)備是將HC-06藍(lán)牙模塊和USB轉(zhuǎn)TTL模塊進(jìn)行接線：兩模塊共VCC（VCC取5V），兩模塊共地;藍(lán)牙模塊的TX接轉(zhuǎn)換模塊的RX，藍(lán)牙模塊的RX接轉(zhuǎn)換模塊的TX。如圖6所示：

在這時(shí)就要先將轉(zhuǎn)換模塊連接到電腦上，然后再利用串口調(diào)試助手進(jìn)行藍(lán)牙模塊的調(diào)試。直接將藍(lán)牙模塊與轉(zhuǎn)換模塊連接，再將其連接到電腦上，藍(lán)牙模塊直接進(jìn)入自動連接工作模式。此時(shí)手機(jī)打開藍(lán)牙串口調(diào)試應(yīng)用，用來進(jìn)行藍(lán)牙模塊連接。手機(jī)藍(lán)牙串口助手軟件將直接對藍(lán)牙模塊和轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行連接，藍(lán)牙模塊直接進(jìn)入自動連接的工作模式，再將其連接到電腦上。電腦端截圖和手機(jī)端截圖如圖7、圖8：

4 結(jié)論

通過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)能夠通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制四個傳感器模塊與藍(lán)牙模塊功能，實(shí)現(xiàn)了對老年人體溫和心率血氧是否處于正常范圍的測試判斷、周圍環(huán)境是否有可燃?xì)怏w標(biāo)志物超標(biāo)的情況、是否遇到緊急摔倒的可能性等目標(biāo)的功能監(jiān)測。本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)穩(wěn)定，實(shí)用性高，實(shí)時(shí)監(jiān)測人體健康狀況，價(jià)格成本低廉，區(qū)別于市面上價(jià)格虛高的手環(huán)產(chǎn)品。尤其在可燃?xì)怏w檢測方面，市場上未出現(xiàn)該類功能的手環(huán)產(chǎn)品。特別是對于一些長時(shí)間居家的老人，當(dāng)家中出現(xiàn)可燃?xì)怏w泄露時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒老人關(guān)閉閥門。本設(shè)計(jì)為老年人提供更多的安全保障。當(dāng)然該設(shè)計(jì)也有一些缺陷，因?yàn)樗{(lán)牙模塊的距離限制，不能像GSM通信模塊那樣有更遠(yuǎn)范圍的通信，這在后續(xù)的發(fā)展中有待解決。

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