基于FMCW雷達和ESP?EMSH網(wǎng)絡(luò)的非接觸健康監(jiān)測系統(tǒng)

摘" 要： 非接觸式醫(yī)療健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效地應(yīng)對用戶依從性問題，并消除傳統(tǒng)監(jiān)測方式帶來的不適感，從而更好地融入日常生活。這種監(jiān)測手段能夠持續(xù)關(guān)注用戶的健康狀況，并具備在發(fā)生突發(fā)急性醫(yī)療事件時及時發(fā)出警示的潛力，可以滿足新生兒、燒傷患者、傳染病患者等特殊人群的監(jiān)測需求。文中提出一種基于ESP32微控制器的創(chuàng)新型非接觸式健康監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測獨居老人的生命體征和跌倒情況。該系統(tǒng)通過非侵入方式實時監(jiān)測老人的健康和跌倒?fàn)顟B(tài)，監(jiān)測數(shù)據(jù)會實時顯示在數(shù)據(jù)監(jiān)測屏幕和監(jiān)護人手機應(yīng)用上。所設(shè)計系統(tǒng)具有顯著的成本效益和出色的質(zhì)量，在實驗室測試中，該系統(tǒng)采用FMCW毫米波雷達技術(shù)，相比傳統(tǒng)視頻跌倒檢測能夠更好地保護用戶隱私。ESP32微控制器支持ESP?EMSH組網(wǎng)和無線傳輸，可提供更廣泛、更快速、更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)傳輸。所提出的健康監(jiān)測系統(tǒng)顯著減少了老人獨居風(fēng)險，有效地減少了危險時刻下未能及時獲得幫助的情況。

關(guān)鍵詞： 健康監(jiān)測； 非接觸式； 跌倒檢測； FMCW雷達； ESP?EMSH組網(wǎng)； ESP32微控制器； 遠程報警

中圖分類號： TN95?34； TP32" " " " " " nbsp; " " " " "文獻標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）16?0039?08

A non?contact health monitoring system based on FMCW radar and ESP?EMSH network

DAI Zhihao1， JIANG Jie1， ZHAO Xuecheng1， 2， YANG Zengwang1， 2

（1. School of Physics amp; Electronic Engineering， Jiangsu Normal University， Xuzhou 221116， China;

2. Yongkang Electronic Technology Co.， Ltd.， Xuzhou 221132， China）

Abstract： Non contact medical health monitoring system can effectively improve user compliance and eliminate the discomfort caused by traditional monitoring methods， thus better integrating into daily life. This monitoring method can continuously monitor the health status of users and has the potential to issue timely warnings in the event of acute medical emergencies. It can meet the monitoring needs of special populations such as newborns， burn patients， and infectious disease patients. An innovative non?contact health monitoring system based on the ESP32 microcontroller is proposed， which is used to monitor the vital signs and fall incidents of elderly people living alone. By non?invasively monitoring the health and fall status of the elderly in real?time， monitoring data can be presented in real?time on the data monitoring screen and the guardian's mobile application. The designed system has significant cost?effectiveness and excellent quality. In laboratory testing， FMCW millimeter wave radar technology is used in this system， which can better protect user privacy compared to traditional video fall detection. The ESP32 microcontroller can support ESP?EMSH networking and wireless transmission， which can provide wider， faster， and more stable network transmission. The proposed health monitoring system can significantly reduce the risks of elderly people living alone and effectively reduce the risk of not receiving timely assistance in dangerous situations.

Keywords： health monitoring; non?contact type; fall detection; FMCW radar; ESP?EMSH networking; ESP32 microcontroller; remote warning

0" 引" 言

老年人獨居存在諸多的健康和安全隱患，其中跌倒問題尤為突出。由于生理衰老、肌肉骨骼退化、平衡能力下降等因素，老年人更容易跌倒，這可能會造成嚴(yán)重的身體傷害。為了關(guān)注老年人的身體健康，本文不僅著眼于跌倒監(jiān)測，還將生命體征監(jiān)測如心率、呼吸等納入考慮范圍。

通過在老年人居住區(qū)域或醫(yī)療機構(gòu)等場所部署先進的雷達傳感器，能夠?qū)崟r收集各種動作數(shù)據(jù)和生命體征信息，這不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)可能的跌倒事件，還可為老年人提供全方位的健康監(jiān)測和醫(yī)療保障。在無線通信技術(shù)和監(jiān)測算法不斷改進的同時，研究者們致力于提高監(jiān)測系統(tǒng)的性能，以更好地服務(wù)老年人群體，提高其生活質(zhì)量和整體安全性。

因此，將雷達傳感器應(yīng)用于老年人跌倒監(jiān)測和生命體征監(jiān)測不僅是一項有前景的研究，更是為老年人提供更全面、實時的健康監(jiān)測和醫(yī)療保障的關(guān)鍵一步。本文致力于在老年人最脆弱的時刻，通過及時準(zhǔn)確的監(jiān)測與救助，為他們構(gòu)建一個更安全、更可靠的生活環(huán)境。

1" FMCW雷達相關(guān)研究

本文用到的60 GHz的跌倒監(jiān)測雷達模塊采用基于聚類分析的人體軀干算法。該算法根據(jù)毫米波雷達收集到被監(jiān)測人體的點云數(shù)據(jù)，基于每個點云的具體信息，利用歐氏距離對人體點云進行聚類分析，即將點云分為多個群組。每個點云[pi]可表示為：

[pi=（xi，yi，zi，ri）T] （1）

式中： [xi]、[yi]、[zi]代表該點云的三維坐標(biāo)；[ri]代表該點云的反射強度。該組點云[p]可表示為：

[p=（p1，p2，…，pN）]" （2）

[h=max（z1，z2，…，zN）] （3）

式中：[h]是參與者的三維點云組信息中最大的人體高度參數(shù)；[zi]表示第[i]個點云的高度。

測量得到x、y、z坐標(biāo)并計算各方向?qū)?yīng)的速度，公式如下：

[vx=xpmaxt2-xpmaxt1t2-t1] （4）

[vy=ypmaxt2-ypmaxt1t2-t1] （5）

[vz=zpmaxt2-zpmaxt1t2-t1] （6）

式中：[xpmaxt1]為在[t1]時刻x軸上最大反射強度點云對應(yīng)的x坐標(biāo)值；[ypmaxt1]和[zpmaxt1]同理。

利用x軸和y軸方向上的速度求矢量和，通過z軸速度與其的比值得出身體傾角[θ]，公式如下：

[θ=arctanvzv2x+v2y] （7）

閾值分類方法是跌倒監(jiān)測系統(tǒng)中常用的一種分類器，可將動作樣本分為跌倒和非跌倒兩類。該方法以身體高度、速度和身體傾角等特征值進行判定，對于每個特征值，分類器設(shè)定上下閾值，若特征值不在閾值范圍內(nèi)，則被判定為非跌倒動作。再通過實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)真實標(biāo)簽、最大召回率和最大準(zhǔn)確率確定閾值范圍。具體來說，采用身體姿態(tài)提取的身體高度值、毫米波雷達直接測量的x軸方向速度和身體傾角等特征值進行跌倒與非跌倒動作分類。若任意兩個特征值中的任意一個發(fā)生大幅度變化，則存在較大概率為跌倒動作。該方法綜合考慮了多個特征值，避免了僅根據(jù)單一特征值進行判定可能導(dǎo)致的誤判情況。最終，閾值判定流程通過仿真界面顯示，分為未發(fā)現(xiàn)跌倒、可能發(fā)生跌倒情況和監(jiān)測出跌倒三個階段。這一方法為跌倒監(jiān)測系統(tǒng)提供了一種有效的分類策略，能夠在實際應(yīng)用中做出可靠的判斷。

此外，本文采用的24 GHz生命體征監(jiān)測FMCW毫米波雷達，利用微多普勒信號獲取微振動信號，實現(xiàn)對生理體征的準(zhǔn)確監(jiān)測。通過監(jiān)測呼吸頻率值和心跳信號，實現(xiàn)對呼吸和心率的監(jiān)測。這一非接觸式監(jiān)測系統(tǒng)綜合利用雷達技術(shù)，為老年人提供了全面的健康監(jiān)測和跌倒防護，減少了對傳統(tǒng)監(jiān)測方式的依賴，能夠更好地融入日常生活。

2" 系統(tǒng)方案設(shè)計架構(gòu)

本文系統(tǒng)設(shè)計包括硬件和軟件兩部分，主要通過三個階段完成。

第一階段是將ESP32與跌倒監(jiān)測雷達、生命體征監(jiān)測雷達和蜂鳴器報警進行連接，當(dāng)老人跌倒、心率異常或呼吸異常時，蜂鳴器能夠發(fā)出報警聲。

第二階段是實現(xiàn)手機端與監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對老人信息的實時查詢功能。

第三階段是基于Thingscloud開發(fā)平臺設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)手機應(yīng)用程序（APP）。ESP32通過WiFi向物聯(lián)網(wǎng)云端實時傳輸數(shù)據(jù)，同時用戶的手機通過APP與物聯(lián)網(wǎng)云端相連，這樣用戶就可以通過APP實時查詢老人的安全信息，并且在監(jiān)測到跌倒行為、呼吸異常或心率異常時，及時接收到報警信息通知。該階段實現(xiàn)遠程監(jiān)測和報警功能。

2.1" 系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的WiFi網(wǎng)絡(luò)采用單點對多點的架構(gòu)，即由中心節(jié)點（接入點/AP）連接所有節(jié)點（Station）。這種結(jié)構(gòu)存在一些限制，如覆蓋范圍受限、節(jié)點數(shù)量有限，并且容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)超載等問題。傳統(tǒng)WiFi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

相比之下，本文采用的ESP?MESH網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不要求節(jié)點直接連接中心節(jié)點，而是可以與相鄰節(jié)點建立連接，如圖2所示。這種架構(gòu)的優(yōu)勢在于擴大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，允許更多節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)，避免了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的容量限制和超載問題。

2.2" 系統(tǒng)節(jié)點部署架構(gòu)設(shè)計

本文的節(jié)點部署圖如圖3所示。在老年人的生理狀態(tài)不佳時，例如睡眠或剛剛蘇醒時，臥室是最容易突發(fā)意外的地方，因此，將生命體征監(jiān)測節(jié)點安裝在臥室的床頭上方，距離床面約0.5 m高，并將其角度調(diào)整為與墻體呈45°傾斜，以確保在最脆弱的時刻全方位監(jiān)測老年人。同時，跌倒監(jiān)測節(jié)點被部署在臥室、廚房和衛(wèi)生間的天花板中間位置，這些區(qū)域是老年人活動頻繁的地方。跌倒是老年人面臨的重大威脅之一，因此在這些關(guān)鍵區(qū)域部署跌倒監(jiān)測節(jié)點能夠及時發(fā)現(xiàn)危險并應(yīng)對突發(fā)情況。

此外，系統(tǒng)還在客廳設(shè)置了一個老人信息實時顯示器，方便護工等在保護老人隱私的前提下，了解老人在臥室或衛(wèi)生間的安全情況。

2.3" 系統(tǒng)總架構(gòu)設(shè)計

本文系統(tǒng)的總架構(gòu)圖和監(jiān)測流程分別如圖4、圖5所示。

3" 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文的主要硬件電路為根節(jié)點信息顯示電路、蜂鳴器報警電路、FMCW毫米波雷達電路（跌倒監(jiān)測節(jié)點電路、生命體征監(jiān)測電路），各電路設(shè)計環(huán)環(huán)相扣、層層遞進、不斷完善。

3.1" 根節(jié)點信息顯示電路設(shè)計

本文采用ESP32作為主開發(fā)板，它是一款集成了雙核32位TensilicaXtensaLX6微處理器的片上系統(tǒng)（SoC）。ESP32通常以160 MHz的時鐘速度運行，最高可達240 MHz。ESP32開發(fā)板集成了WiFi通信堆棧和低功耗藍牙（BLE4.1）通信堆棧，突顯了其在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的無縫集成能力。ESP32的編程使用Thonny和Python語言實現(xiàn)，提高了開發(fā)人員的可訪問性，適用于不同技能水平的開發(fā)者。

3.2" 蜂鳴器報警電路設(shè)計

本文采用FMCW毫米波雷達，該雷達利用發(fā)射的電磁波信號被物體反射，通過捕捉反射信號確定物體的距離、速度和角度。FMCW毫米波波長較短，精度高。系統(tǒng)中整合了ESP32、FMCW毫米波雷達和5 V有源蜂鳴器，構(gòu)成一個完整的電路。當(dāng)FMCW毫米波雷達監(jiān)測到安全事故時，通過串口通信向ESP32發(fā)送異常信息，ESP32接收到信息后，通過GPIO控制口觸發(fā)蜂鳴器報警。

3.3" FMCW毫米波雷達電路設(shè)計

跌倒監(jiān)測節(jié)點電路和生命體征節(jié)點電路均采用串口與ESP32進行通信，兩者的接口電平均為TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，停止位都為1，數(shù)據(jù)位都為8。跌倒監(jiān)測波特率為115 200 b/s，而生命體征FMCW毫米波雷達波特率為9 600 b/s。跌倒監(jiān)測FMCW毫米波雷達的通信協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)定義如表1所示。幀頭大小為2 B且固定為0X53、0X59；控制字大小為1 B，用來選擇功能；命令字大小也為1 B，對當(dāng)前數(shù)據(jù)內(nèi)容進行標(biāo)識；長度標(biāo)識等于數(shù)據(jù)的具體字節(jié)長度；校驗碼為幀頭、控制字、命令字、長度標(biāo)識和數(shù)據(jù)求和，求和后取低八位。

生命體征FMCW毫米波雷達的通信協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)定義如表2所示。起始碼大小為1 B且固定為0X55，數(shù)據(jù)長度大小為2 B，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后，長度等于幀結(jié)構(gòu)內(nèi)除起始碼外的長度之和；功能碼大小為1 B，其中讀命令為0X01，寫命令為0X02，被動上報為0X03，主動上報為0X04；地址碼1為功能分類碼；地址碼2為具體功能碼；校驗碼大小為2 B，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后，采用的是CRC16檢驗方式。CRC16檢驗方式簡單快速，而且可以實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)檢測。

4" 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件編程部分主要分為基于Thonny開源平臺Micpython開發(fā)環(huán)境的編程設(shè)計和基于Thingscloud物聯(lián)網(wǎng)平臺完成的手機APP設(shè)計。

4.1" 基于Thonny開源平臺Micpython開發(fā)環(huán)境的編程設(shè)計

Thonny是一個基于Python的跨平臺應(yīng)用程序，能夠提供簡單直觀的界面和工具，使Python的學(xué)習(xí)和開發(fā)更輕松。與ArduinoIDE不同，Thonny不僅僅是編碼工具，還包含調(diào)試器、交互式Shell和包管理工具，其界面適合初學(xué)者，同時提供高級功能滿足有經(jīng)驗的開發(fā)者。Thonny專注于Python開發(fā)，為用戶提供全面的工具，使編寫、調(diào)試和運行Python代碼更容易且高效。

本文系統(tǒng)基于Thonny平臺，整合了跌倒監(jiān)測、生命體征監(jiān)測、ESP?MESH網(wǎng)絡(luò)和遠程報警功能，形成完整系統(tǒng)。用戶可在移動端查詢老人安全信息，系統(tǒng)在危險情況下可報警并發(fā)送通知。

4.2" 基于Thingscloud物聯(lián)網(wǎng)平臺完成的手機APP設(shè)計

Thingscloud是一款專注于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用程序開發(fā)的云平臺，是開發(fā)各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和不同終端上運行的應(yīng)用程序的理想選擇。連接Thingscloud的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要使用其提供的API建立設(shè)備與云平臺的關(guān)鍵連接，包括設(shè)備注冊、數(shù)據(jù)上傳和命令下發(fā)等功能。Thingscloud提供了豐富的API和核心類，如Device類、Message類等，為開發(fā)者提供輕松通信和管理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的工具。該平臺采用標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧，如MQTT或CoAP。總體而言，Thingscloud為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序開發(fā)提供便捷的工具和服務(wù)，使開發(fā)者能輕松實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與云端的連接和數(shù)據(jù)交互。

本文基于Thingscloud開發(fā)平臺，利用物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)使移動終端與網(wǎng)絡(luò)連接，可對嵌入了WiFi的系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)共享。通過手機終端的操作，用戶可以方便地查詢老人的安全信息，實現(xiàn)系統(tǒng)與手機的互聯(lián)。圖6為基于Thingscloud開發(fā)的移動端APP界面。

5" 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析

對所設(shè)計系統(tǒng)進行實物和計算機測試，檢測其功能完成度。模擬跌倒、劇烈運動等狀態(tài)，在Thonny開源軟件平臺對系統(tǒng)、代碼、數(shù)據(jù)正確性進行測試，在云端對數(shù)據(jù)查詢正確性和接收信息實時性進行測試。

5.1" 正常數(shù)據(jù)分析

通過以下代碼導(dǎo)出一個存放心率數(shù)據(jù)的TXT文件：

with open（heart_rate_file_path，\"a\"，encoding=\"utf?8\"） as file：

file.write（f\"{heart_rate_value}＼n\"）

通過R24BBD1 FMCW毫米波雷達獲得的50個連續(xù)變化的靜坐心率數(shù)據(jù)如圖7所示。從圖7中可以看出，靜坐時測得的心率數(shù)據(jù)在77～84次/min之間，屬于正常范圍波動。再通過R24BBD1 FMCW毫米波雷達獲得50個劇烈運動后連續(xù)變化的心率數(shù)據(jù)。圖8所示為運動之后R24BBD1雷達測得的數(shù)據(jù)，可以看出剛開始心率達到145次/min左右，但是35 min左右就能恢復(fù)到正常水平。

通過R24BBD1 FMCW毫米波雷達獲得的50個連續(xù)變化的靜坐呼吸頻率數(shù)據(jù)如圖9所示。

從圖9中可以看出，靜坐時測得的呼吸頻率數(shù)據(jù)在13～18次/min之間，屬于正常范圍波動。

由上述數(shù)據(jù)可以看出，R24BBD1 FMCW毫米波雷達生命體征監(jiān)測可以正常工作，能夠?qū)崟r監(jiān)測目標(biāo)的生命體征數(shù)據(jù)。

5.2" 模擬異常情況數(shù)據(jù)分析

表3和表4分別是生命體征監(jiān)測雷達R24BBD1和跌倒監(jiān)測雷達R60AFD1地址分配及數(shù)據(jù)信息說明。圖10～圖13中由矩形框出的是模擬各種異常情況得到的生命體征雷達發(fā)送的串口數(shù)據(jù)。

本文模擬各種異常情況下，串口調(diào)試助手獲得的FMCW毫米波雷達發(fā)送的數(shù)據(jù)。

模擬憋氣異常、大幅度運動、急促呼吸、跌倒?fàn)顟B(tài)得到的串口數(shù)據(jù)分別如圖10～圖13所示。

由圖10～圖13的四種情況展示可以得知，生命體征監(jiān)測雷達和跌倒監(jiān)測雷達可以正常監(jiān)測各種異常情況。手機端APP收到的告警消息如圖14所示。

5.3" 物聯(lián)網(wǎng)平臺端接收到的數(shù)據(jù)分析

圖15和圖16分別是心率和呼吸頻率的上報數(shù)據(jù)記錄，圖17是30 min內(nèi)Thingscloud服務(wù)器獲得數(shù)據(jù)并實時顯示和繪制的心率圖和呼吸頻率圖。測試結(jié)果表明，在手機端可以實時查詢老人健康信息。

6" 創(chuàng)新點

本文采用軟硬件相結(jié)合的方式，設(shè)計了一種基于FMCW毫米波雷達的生命體征監(jiān)測和跌倒監(jiān)測的ESP?EMSH組網(wǎng)報警系統(tǒng)。本文系統(tǒng)在提升老年人居家安全方面具有顯著潛力。

本文系統(tǒng)操作簡便且功能完善，能夠?qū)崿F(xiàn)蜂鳴器報警、手機應(yīng)用報警以及手機端與PC端實時共享數(shù)據(jù)等功能。經(jīng)過測試，系統(tǒng)表現(xiàn)良好，值得進一步推廣和應(yīng)用。

7" 結(jié)" 語

隨著時代的進步，F(xiàn)MCW毫米波雷達技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展極其迅速，已被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。人口老齡化日益嚴(yán)重的今天，老人們的安全、健康問題也被廣泛關(guān)注，若沒有安全監(jiān)測系統(tǒng)，不能及時地給發(fā)生意外的老人提供幫助，則會導(dǎo)致更危險的事故發(fā)生。安全監(jiān)測系統(tǒng)對老人，尤其是獨居老人的安全至關(guān)重要。

本文采用的軟件、硬件方面的技術(shù)均已成熟，同時利用FMCW毫米波雷達的精度高、隱私性好等優(yōu)勢，在高準(zhǔn)確率的判斷下保護用戶隱私；采用Mesh網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性好、范圍廣等優(yōu)勢，提升了系統(tǒng)的魯棒性；利用WiFi無線傳輸方式向使用者發(fā)送遠程提醒信息；利用物聯(lián)網(wǎng)云端技術(shù)實現(xiàn)手機端數(shù)據(jù)查詢。所設(shè)計系統(tǒng)完全可以實現(xiàn)跌倒監(jiān)測、心率呼吸監(jiān)測與報警的功能，使用較為便利。

注：本文通訊作者為楊增汪。

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