健康養老預警系統的設計與實現

王文博 劉保菊

摘 ?要：隨著人口老齡化形勢的日益嚴峻，健康養老問題引起社會的廣泛關注。文章設計的健康養老預警系統可以實現對老年人心率、體溫、血氧濃度等各項生理指標的監測，并可通過Wi-Fi將數據上傳到養老院工作人員手機上，在指標數據異常時啟動報警。同時對不慎跌倒的老年人進行狀態判斷，通過GPS模塊判斷跌倒老人所在的位置，從而確保跌倒老人能夠得到及時的救治。

關鍵詞：健康養老；Wi-Fi通信；GPS定位技術；預警系統

中圖分類號：TP273 ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：2096-4706（2023）16-0066-05

Design and Implementation of a Healthy Elderly Care Early Warning System

WANG Wenbo， LIU Baoju

（School of Information Engineering， Pingdingshan University， Pingdingshan ?467000， China）

Abstract： With the increasingly severe situation of aging population， the issue of healthy elderly care has attracted widespread attention from society. The healthy elderly care early warning system designed in the paper can monitor various physiological indicators such as heart rate， body temperature， and blood oxygen concentration of the elderly， and can upload data to the mobile phones of nursing home staff through Wi-Fi， triggering an alarm in case of abnormal indicator data. At the same time， the status of elderly people who accidentally fall is judged， and the GPS module is used to determine the location of the elderly people who falls， in order to ensure that the elderly people who falls can receive timely treatment.

Keywords： healthy elderly care; Wi-Fi communication; GPS positioning technology; early warning system

0 ?引 ?言

“十四五”期間，我國將會出現一個養老高峰期，60歲以上老年人將由1.78億增加到2.21億，老年人人口將由目前的13.3%增加到16%，人口老齡化進程進一步加劇[1]。對于老年人來說，隨著年齡增大，患有心臟病和高血壓等各種并發類疾病的概率也隨之增加，實時監測老年人血壓及血氧值對于確保老年人的健康具有重要意義。國外在1975年到1999年期間出現了可穿戴手機設備，進入21世紀后，可穿戴設備得到了迅速的發展。國內在2019年的CES展會上，華為推出了一款全新的智能化手環，該產品不僅具備運動、睡眠等基本監控檢測功能，還具備以手機為終端的萬物互聯的華為云系統，功能強大。但目前的產品都沒有專門針對養老院老年人的。據世界衛生組織（WHO）統計，每年全球約有1/3的65歲的老年人出現跌倒[2，3]，在養老院內設置監控系統，采用Wi-Fi模塊進行數據采集和傳輸，對老年人跌倒狀態進行監測，可以很好地守護老年人的健康。

本文選用STM32F103C8T6最小開發板檢測老年人的當前狀態，一方面對老年人的心率、血氧以及體溫進行監測，同時用GPS實現定位功能。另一方面當老年人出現跌倒時，蜂鳴器發出警報并利用Wi-Fi模塊上傳到手機APP。可以實現對老年人的身體狀態進行實時監測，以及跌倒時發出警報，本系統的開發對當前的智能養老模式具有一定的參考價值。

1 ?系統總體設計方案

該系統結構以STM32F103C8T6單片機為主控芯片，同時包含Wi-Fi模塊、GPS定位模塊、心率和血氧模塊、溫度感應模塊、蜂鳴器模塊、防跌倒模塊等。基于STM32單片機實現防跌倒功能的健康養老預警系統的總體設計如圖1所示。

在該系統中，利用心率、血氧檢測模塊以及體溫模塊收集數據，并把收集到的數據傳輸到主控芯片進行分析處理，然后通過ADXL345三軸加速器檢測跌倒狀態，GPS定位模塊檢測當前定位狀態，最后通過Wi-Fi模塊將檢測到的數據傳送到手機APP上，實時關注老年人的健康狀態。

2 ?硬件設計

系統的硬件主要包括主控芯片、GPS定位模塊、心率和血氧模塊、DS18B20溫度模塊、ADXL345防跌倒模塊、蜂鳴器模塊、Wi-Fi模塊、OLED模塊等，下面將對其硬件設計進行介紹。

2.1 ?主控單元STM32F103C8T6

本次設計的主控單元，我們選擇的是德意法半導體公司生產的STM32F103C8T6芯片。最經典的51單片機和STM32單片機都擁有很強的通信和控制功能。STM32單片機是一種32位的MCU，相對于8位的51單片機，性能更加突出，運算速度更塊。51單片機的功能少，需要自己搭電路；而STM32單片機的外設資源較多，接口功能強大。51單片機開發時需要指針操作寄存器；而STM32單片機官網有封裝好的庫函數，可直接調用，開發的難度小。綜上所述，我們選擇STM32F103C8T6芯片，其原理圖如圖2所示。

2.2 ?溫度傳感器模塊

溫度傳感器在預防老年人的一些常見疾病中非常重要，在眾多的溫度傳感器中，DS18B20是一款常用的數字溫度傳感器，其具有體積小、抗干擾能力強、精度高等優點，非常適合各種狹小空間設備的測溫功能，因此采用它作為本系統的硬件模塊之一[4]。其技術特點采用單總線數據通信，精度可達±0.5 ℃，可選擇寄生工作方式。DS18B20測量溫度有接觸式測量和非接觸式測量，其中接觸式測量的精度高、簡單、有效，但是不能接觸高溫，而人體溫度不存在高溫，因此本文采用接觸式測量，其溫度檢測模塊原理圖如圖3所示。

2.3 ?心率與血氧傳感器模塊

老年人中患有心臟病的人數較多，因此本系統需要采集老年人的心率和血氧，但是單獨測量心率和血氧成本較大。本次采用MAX3010X系列中最新的MAX30102傳感器，其內部有一個660 nm紅光LED和880 nm紅外光LD，這兩個燈會發出特定波長的光，采集人體反射回來的光，經過內部電路的光電轉換，再通過ADC轉換器轉變為數字信號，最后通過讀寫數據進行讀取數據[5]。其心率與血氧傳感器模塊原理圖如圖4所示。

2.4 ?GPS定位模塊

當老年人跌倒時，利用GPS模塊可以對老年人實現精準定位，使老年人能夠得到及時的救治。GPS模塊相當于一個GPS接收機，主要負責接收衛星信號。衛星通過測量GPS模塊與其自身的距離實現多個衛星多次測量從而實現精準控制，然后通過GPS模塊將接收到的信號轉換成數字信號，就可以轉換為當前位置的經緯度了[6]。對于GPS模塊的選擇，本文選用的是G28U7FTTL GPS模塊，G28U7FTTL GPS模塊安裝在一個白色的盒子中，盒子上引出6條顏色不一的杜邦線，可方便地與STM32F103C8T6實驗開發板進行連接，并且價格便宜實用。

2.5 ?Wi-Fi傳輸模塊

Wi-Fi模塊屬于物聯網傳輸層，其具有兩種拓撲形式：基礎網和自組網，通過串口、TTL到無線網絡轉換實現其傳輸功能，內部有IEEE802.11協議棧和TCP/IP協議棧。本文采用的ESP8266是采用無線電波進行雙向傳輸，兼容3.3 V和5 V單片機系統，支持三種天線接口形式：板載PCB天線、IPEX接口和郵票孔接口，具有STA、AP、STA+AP三種工作模式[7]。在本次開發設計中采用了AP模式，天線選擇板載PCB天線，利用IIC通信方式上傳數據到手機APP；這個模塊的數據傳輸速度快，傳輸的可靠性好，最大的傳輸速率可達460 800 bit/s，其Wi-Fi模塊原理圖如圖5所示。

2.6 ?ADXL345三軸加速器模塊

在本次健康養老預警系統的設計與應用中，采用了ADXL345傾角加速度傳感器。這個模塊既可以測到靜態重力運動時的傾角，也可以測到運動時的各種態重力加速度[8]。ADXL345傾角加速度傳感器具有很好的分辨率，精準到能夠檢測到最小0.25°的偏角。當ADXL345傾角加速度傳感器計算并輸出到一定的加速度時，不會再持續地進行仿真模數變換，極大地節省了主控單元的空間。同樣ADXL345傾角加速度傳感器具有非常多的內部功能，能夠檢測是否活動。在檢測自由落體時無需內部計算，極大地減少了主機處理器的數據，其ADXL456三軸加速度模塊原理圖如圖6所示。

2.7 ?OLED液晶屏幕

本文采用0.96寸OLED屏幕進行顯示的原因是，其在厚度和伸縮性以及耗電程度上都要比LCD屏幕更加優秀，因此選擇OLED屏幕。此外OLED屏幕是一種專門顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。分辨率是通過像素點來計算的，比如本次屏幕的分辨率是128×64，說明在水平方向有128個像素點，垂直方向有64個像素點。對于其接口模式OLED液晶屏幕有兩種：SPI、IIC，本文選擇IIC的方式，其OLED模塊原理圖如圖7所示。

3 ?軟件設計

程序執行時，首先對各部分的接口和串口進行初始化操作。初始化完成后，按照如下操作執行：1）初始化各個硬件模塊。2）測量人體體溫數據。3）測量人體心率和血氧濃度。4）實時測量老年人當前位置，將其數據傳送至OLED屏幕上。5）檢測老年人當前是否處于跌倒狀態。6）如果處于跌倒狀態將發送信息到養老院工作人員手機上。主程序流程圖如圖8所示。

3.1 ?溫度傳感器程序設計

由于系統采用的是1-Wire總線協議，即在一個數據線上進行雙向傳輸，因此需要遵守嚴格的讀寫時序，并且定義了三種時序，分別是初始化時序、寫時序、讀時序。首先啟動設備，發送溫度轉換命令，將溫度轉換成數據，然后主機從寫時序開始通過總線送回數據，在送回數據同時主機啟動讀時序進行數據的接收，最后將后接收到的高八位數據進行時移放在一個新的數據中，組成完整的溫度數據。發送到OLED屏幕上，如果沒有收到數據則主機等待。

3.2 ?GPS定位模塊程序設計

GPS的解析方法有兩種，我們采用的是正點原子的解析方法。首先，從GPS中得到數據的信息是“位置”。其次，將兩個字符串中的數字變成整數。第三，解析GPGSV協議，此外還有GPRMC信息的解析，分析GPVTG信息，配置NMEA信息，解析NMEA信息，配置UBLOX NEO-6的相關信息，對GPS的信息進行校驗和計算，對UBLOX的發送和接收進行相關配置；其中NMEA信息是為了統一GPS中的相關協議才配置的，而信息的發送是通過串口3進行的，即首先要對系統進行初始化，使主控板的各個引腳和GPS傳輸信息的引腳使能，然后通過衛星接收數據，GPS模塊判斷是否接收到數據；如果接收到數據則開始計算數值，得到當前所在位置的經緯度，并將當前的數據傳輸給OLED顯示屏并顯示老年人當前經緯度。

3.3 ?運動檢測模塊程序設計

對于三軸加速度傳感器ADXL345，我們首先要知道如何對老年人跌倒時的狀態進行判斷。當三軸加速度傳感器ADXL345傾斜角度達到45°及以上是條件之一；另一個條件則是在一定的時間間隔內，測得的加速度小于正常人體速度的一個較小的數值，這時可以判定當前老年人處于跌倒的狀態。因此需要實現的功能是獲得三個方向的加速度值及角度值，從而得到老年人跌倒的角度與加速度。同時三軸加速度傳感器ADXL345需要連接模擬IIC接口。首先對系統進行初始化，然后定時讀取ADXL345三軸傳感器檢測到的加速度和角度值，并計算所檢測到的數值，判斷是否滿足當前所設置的跌倒閾值，如果滿足跌倒條件蜂鳴器發出警報并向手機APP上發送信息，不滿足進行下一個周期。

3.4 ?OLED顯示模塊程序設計

對于OLED屏幕的設計，傳輸模式采用的是IIC通信，一條IIC通信總線上可以連接多個IIC設備，并且一條IIC總線上只使用兩條總線線路，一條為串行數據線（SDA），另一條為串行時鐘線（SCL）。因此我們要對IIC線路進行設置，設置數據線的輸入引腳和輸出引腳，編寫IIC的起始信號和終止信號，并對應答信號的到來進行編寫，以及對發送一個字節和接受一個字節的函數及OLED屏幕的驅動函數進行編寫。

4 ?系統測試

系統測試主要包括對老年人的心率、血氧及體溫進行測試，同時對老年人跌倒時跌倒狀態的功能進行測試，然后在OLED屏幕顯示當前的一些數據，數據及實物測試結果分別如表1及圖9所示。

同時系統還要對老年人跌倒時的位置進行定位，因此也需要對定位數據進行測試，看是否能夠在OLED屏幕上顯示當前定位信息，測試表格如表2所示。

系統的軟件服務端采用的是網絡助手APP，因為采用的是TCP協議，所以要在端口的服務端設置IP地址以及所需要的端口號，我們選擇的端口號為默認的8086，手機IP地址為192.168.4.1。我們選擇的ESP8266的模式為AP模式，ESP8266的功能相當于我們的手機可以給別的手機分享熱點，所以服務端要連接上ESP8266的手機Wi-Fi。

5 ?結 ?論

針對養老院老年人出現的跌倒等意外事件提出了相應的解決方案，對老年人的身體健康數據進行實時監測，當有意外出現時，能夠及時地發現并且進行及時的救治。老年人群體中普遍存在血壓和心率數據較高的情況，并且因為其身體關節僵硬、行動時也時常出現跌倒的情況，并且因為跌倒還會引起一系列的急性腦卒中疾病和心梗等潛在疾病。本文設計并實現了一套基于STM32技術的智能養老預警系統。該系統實現了求助功能的分級，既能夠在OLED屏幕上進行顯示，也能夠在護理人員的手機APP上顯示，給護理人員提供了便利；實現了實時監控，提高了老年人的安全性。今后我們會重點關注老年人身體健康數據采集方向，通過智能手表和云存儲，實時獲取和存儲人的身體狀態數據，以更好地監護老年人。

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作者簡介：王文博（1999.03—），男，漢族，河南

平頂山人，本科在讀，研究方向：智慧醫療；劉保菊（1980.

07—），女，漢族，河南鶴壁人，講師，博士，研究方向：電力通信網網絡管理與優化。