基于物聯網的社區獨居老人管理系統

陸思翰，馬煥鋒，羅逸帆，黎蓮花

（桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004）

0 引 言

近年來，功能性電子手環越來越受到人們的喜愛，但是較少的企業關注老年人對于電子手環的使用體驗，但老年人相對年輕人卻更需要一些便于攜帶、使用的智能設備來實時監測他們的身體情況、關注他們的健康狀態[1-7]。本文設計的電子手環板載了MPU6050六軸傳感器、MAX30102心率血氧傳感器、LMT70溫度傳感器、藍牙通信模塊。整體均采用貼片式元件，在保持外觀相對精巧的同時，也能夠確保手環具有多功能、高精度的特性。加以社區管理系統，該系統有下位機收集數據、上傳OneNET平臺和數據視窗顯示的功能；同時還能將數據傳輸到SQlite平臺進行存儲；在獲取實時數據后，可以及時更新老人的基本情況。

1 系統方案設計

1.1 系統整體設計

如圖1所示，這款電子手環板載了MPU6050六軸傳感器、MAX30102心率血氧傳感器、LMT70溫度傳感器。通過32.768 kHz外部低速晶振為RTC內部時鐘提供時鐘信號，并可以使用按鍵控制LCD顯示當前時間、修改時間、采集心率血氧；通過六軸傳感器實時獲取手環的姿態信息；通過手環的傾斜進行屏幕喚醒，同時也會實時采集老年人的人體加速度向量幅值，進而判斷老人是否摔倒：當人摔倒時，人體加速度向量幅值將會比其他擺手動作所測的值要高，判斷摔倒的閾值被設為3.5。

圖1 最小系統接線圖

為了提高檢測精度，引入六軸傳感器的角度參數作為二次判斷的依據。理論上，在老年人摔倒后的一段時間內，人體會處于靜止狀態，與地面將處于一個較為水平的姿態，Z軸加速度趨近于0；同時當人體向前或向后摔倒時，人體的X軸角度在-90°和90°附近波動；當人體向左或向右摔倒時，人體的Y軸角度將會在-90°和90°附近波動，已選取±70°來作為第二個摔倒檢測閾值。

確認符合第一個檢測閾值3 s后，判斷Z軸的加速度值是否接近0，以及X軸或Y軸的角度值是否在70°左右。如果這兩個條件同時滿足，那么蜂鳴器會鳴叫，一定程度上可提醒老人。如果老人清醒，可通過按下按鍵關閉蜂鳴器，如果30 s期間按鍵沒有被按下，手環將會通過藍牙向預設手機發送報警信號。

1.2 主控制器方案

系統采用的是意法半導體的STM32F4系列單片機，其使用具有512 KB閃存、128 KB SRAM的STM32F411CEU6作為微處理器。該處理器具有32位數據處理的能力，是一款成本低、功耗小、性能強的主控芯片[8-10]。另外該處理器工作頻率最高可達100 MHz，還有著多達13個通信接口，最多能支持81個具有中斷功能的I/O端口，可快速響應緊急情況[11-12]。該芯片的封裝為UFQFPN48，封裝大小為7 mm×7 mm，使得所占用空間減小。STM32F411CEU6 引腳如圖2所示。

圖2 STM32F411CEU6引腳

1.3 六軸傳感器方案

MPU-6050是全球首個整合性六軸運動處理組件，具有體積小、重量輕和響應速度快等優點；其可以測量整個空間的加速度，全面反映運動物體的空間位置。芯片內部還有溫度傳感器能夠彌補器件內外溫度不同造成的誤差。通過使用I2C完成與MCU的通信。此外利用芯片內置的DMP功能，能便捷地獲取姿態信息，避免了復雜算法操作和多余外圍電路。DMP是MPU6050內部的運動引擎，可以通過它直接輸出四元數，以減輕外圍微處理器的工作負擔，避免了繁瑣的數據融合，使用更加方便。六軸傳感器電路如圖3所示。

圖3 六軸傳感器電路

1.4 藍牙通信模塊方案

藍牙通信模塊是由海凌科電子開發生產的一款BLE5.1主從一體藍牙-串口透傳模塊。各種帶有串口的設備能夠利用此模塊簡單快速地使用藍牙，以便無線數據收發。基于BLE5.1的設計，速度會更快，傳輸距離更遠，空曠環境下可達40～100 m。還支持低功耗模式，休眠電流最低可達6 μA。支持自定義連接和廣播間隔，內置看門狗，可長時間穩定運行。藍牙通信電路如圖4所示。

圖4 藍牙通信電路

1.5 溫度測量模塊方案

LMT70是一款具有輸出使能引腳的超小型、高精度、低功耗CMOS模擬溫度傳感器。LMT70還具有線性和低阻抗輸出的特性，允許與現成的MCU/ADC無縫連接。LMT70的耗散低于36 W，具有超低的自發熱特性，支持在寬溫度范圍內的高精度測量。在測量20～42 ℃時典型誤差值為±0.05 ℃，具有較高的測量精度，適用于人體穿戴式設備的溫度測量。溫度測量電路如圖5所示。

圖5 溫度測量電路

1.6 QT上位機的實現

基于要求所設計的QT上位機項目，可用于管理人員添加用戶，并對輸入的設備密鑰及設備鑒權信息進行校驗判斷。在判斷用戶輸入的數據正確后，會將用戶數據添加到本地SQLite數據庫；通過數據庫頁面可視化，可以查看當前數據庫中的用戶信息。上位機與OneNET通信的協議為MQTT協議，可在主頁面定時1 s后，通過OneNET獲取當前用戶的數據流，并在文本框中顯示刷新過的數據；也可在定時2 s后，進行OneNET數據庫中所有用戶數據流的刷新，并同樣在文本框中顯示已刷新的數據。當出現異常數據時，會出現警告彈窗來通知管理人員進行處理。

2 系統軟件設計

系統是基于社區獨居老人的心率血氧、身體溫度、摔倒檢測等實時數據所設計的，并通過報警信號以及OneNET物聯網云平臺所存儲的傳感器數據，進行反饋處理。具體的程序設計如下。

2.1 人體體溫采集程序設計

人體體溫采集程序軟件設計流程如下：初始化ADC后，每30 s進行一次ADC采集，每次采集10個LMT70的輸出數據，根據如下公式可轉換出所要的溫度數據。

將溫度數據顯示在界面后，一般情況下體溫趨于穩態，并不需要實時更新溫度數據。

2.2 心率血氧采集程序設計

人體心率血氧采集程序設計流程如下：心率血氧模塊是MAX30102，接口為I2C，初始化I2C后，每1 min采集一次心率，當出現異常數據時，為了避免誤讀，將連續多次讀取心率數據，確保異常數據是否為真實數據。確認后，將通過蜂鳴器連續鳴叫5 s來提醒老人處理，若是5 min內仍不斷出現異常數據，那么將通過藍牙把異常數據發送到預設手機和云平臺端，告知家人和社區管理人員。

2.3 按鍵程序設計

按鍵設計流程如下：單片機每隔10 ms檢測按鍵電平，若出現低電平，將延時50 ms后再次檢測，判斷按鍵電平是否仍為低電平；如果是，則判斷按鍵已被按下，否則視為誤觸。通過3個按鍵實現用戶與產品的交互。在熄屏后，可按下任意按鍵來喚醒屏幕，還可通過按鍵切換屏幕顯示界面。

2.4 六軸傳感器數據程序設計

六軸傳感器數據程序設計流程如下：MPU6050接口為I2C，初始化I2C后，把讀取加速度計和陀螺儀數據的操作放在定時器時序內進行，這是因為實現摔倒檢測要實時檢測加速度計的值并求出SVM的值。讀取加速度計和陀螺儀數據的優先級最高，可以通過判斷陀螺儀的數據來判斷屏幕是否亮起。

3 測 試

3.1 手環測試

在系統開機后，屏幕會顯示進度條來顯示傳感器初始化過程，成功后屏幕會處于時間顯示界面，在該界面會顯示時間、日期、體溫等數據。用戶通過手機APP“HLK-B40”來進行藍牙的綁定連接；連接成功后，屏幕左上方會顯示藍牙的圖標來表示藍牙已連接，位于屏幕右上方的4格電量圖標則顯示當前電池電壓余量。通過按鍵可以修改當前時間，也可切換血氧檢測界面進行血氧檢測。當用戶無操作5 s后，屏幕將熄屏，以減少不必要功耗。再次抬起手環或按下按鍵后，屏幕會亮起，默認處于時間顯示界面。

對體溫數據檢測精確度進行測試，并進行數據記錄，見表1所列。

表1 體溫數據測試

系統數據為本系統所測得的人體體溫數據，專業產品數據為市面上常用的溫度計所測得的人體體溫數據，測試環境溫度為27 ℃，系統固定在手腕上，通過與皮膚距離為1 cm的LMT70進行溫度的測量。由表1可得所測的數據誤差為0～0.1 ℃，精度較高。

對系統檢測心率數據的準確性進行了測試，測試了靜坐、跑步、吸煙三種情況下的各兩組數據，共6組數據，并進行記錄，數據見表2所列。血氧數據測試結果見表3所列。

表2 心率數據測試

表3 血氧數據測試

系統數據為用本系統采集的心率及血氧數據，專業產品數據是用其他品牌手環測量得出的數據。經過對比證明，本系統采集的心率和血氧數據較可靠。其中靜坐情況下的心率與專業數據誤差最小，而跑步和吸煙情況下相對誤差大，說明在較動態情況下系統測量相對不夠穩定。系統心率數據與同類專業產品整體誤差范圍為1～5次/分鐘，血氧測試數據的誤差范圍為0.3～0.5 mmHg，整體精度良好。

3.2 社區居家老人管理系統軟件測試

3.2.1 初始化設置

用戶單擊完添加用戶后，添加新住戶的住址、姓名、性別、設備號及密碼數據。若出現錯誤窗口，請先關閉彈窗，重新輸入正確信息即可出現正確窗口，說明已完成新住戶信息初始化，如圖6～圖8所示。

圖6 初始化錯誤彈窗

圖7 初始化正確彈窗

圖8 初始化輸入

3.2.2 查看數據庫添加情況

用戶可以通過點擊數據庫來查看數據庫添加情況，如圖9所示。

圖9 數據庫界面

3.2.3 主界面的返回

用戶可以通過點擊主菜單返回主界面，如圖10所示。

圖10 主界面

3.2.4 目標住戶的選擇

用戶可以點擊住戶選擇鍵，從下拉菜單中選擇任意數據庫中已完成初始化的住戶數據，如圖11所示。

圖11 選擇目標住戶下拉菜單圖

3.2.5 目標住戶的數據獲取

在選擇好目標住戶后，用戶可以點擊水量獲取鍵、溫度獲取鍵來分別獲取目標住戶的用水量、目標用戶的體溫，如圖12所示。當水量小于1時，會報錯，如圖13所示。

圖12 目標住戶水量、體溫數據獲取圖

圖13 目標住戶水量獲取小于1時的報錯圖

3.2.6 目標住戶的數據更新

點擊更新所有數據鍵，可以獲取并更新目標用戶的水量、溫度、脈搏、心率，如圖14所示。

圖14 目標住戶數據更新圖

系統數據為手環及下位機采集的心率及脈搏數據，經多次測試，傳輸數據精確度能達到小數點后兩位，整體精度較良好。在聯網環境下，能夠在小于2 s內完成在線數據庫信息輸入及住戶實時數據更新，整體響應速度較快。

4 結 語

本設計以STM32F411CEU6芯片為控制核心，能夠穩定、精準地實現對使用者身體傾斜度的實時檢測，并通過藍牙模塊進行數據上傳。系統啟動后，可以實時采集使用者的心率、血氧、體溫等信息。在經過控制芯片處理后，數據會被上傳至OneNET平臺，再進行界面顯示。同時這些數據會被傳輸至SQLite平臺進行存儲，服務器會不定時更新使用者的各種身體信息，這些信息可以被監護人訂閱查看，實時知曉老人具體情況，起到了利用數據保障老人健康生活、防止老人發生意外的作用。