基于智能手表的健康監(jiān)護系統(tǒng)設計

［摘 要］隨著全球人口老齡化和慢性病患者數(shù)量的增加，人們對于能夠實時監(jiān)控健康狀況的設備的需求日益迫切。文章設計了一款老人智能手表健康監(jiān)護設備，該系統(tǒng)集成了多種傳感器，可全面監(jiān)測老年人的生理狀態(tài)和活動情況。當系統(tǒng)確定老年人摔倒或生理數(shù)據異常后，會立即通過內置的遠程通信模塊通知監(jiān)護人，確保老年人能夠及時獲得必要的幫助。

［關鍵詞］智能手表；無線傳感器；健康監(jiān)護

［中圖分類號］TH789 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）03–0136–03

1 健康監(jiān)護系統(tǒng)整體設計方案

基于智能手表的健康監(jiān)護系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件為老年人穿戴的智能手表，可監(jiān)測體溫、心率等數(shù)據，軟件為監(jiān)護人手機上的App。手表內包含加速度傳感器、陀螺儀和壓力傳感器，可檢測老年人是否跌倒并發(fā)出警報，而GPS 定位系統(tǒng)可獲取老年人位置信息，通過遠程通信模塊向監(jiān)護人發(fā)送警報及位置信息。監(jiān)護人可通過App 實時監(jiān)控并響應緊急情況。智能手表健康監(jiān)護系統(tǒng)設計流程如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 主控模塊

MSP430 主控模塊3yvLyMAH44lLWXL5dyKBgsas3KiELM3XboVA99Vs8Jg=是智能手表系統(tǒng)的核心，具有高速處理、低能耗的特點，負責協(xié)調各個模塊，如加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器、GPS、遠程通信和語音控制單元。NEO-7 N UBLOX GPS 模塊捕捉信號并處理以提取定位信息。MPU-6065 加速度模塊監(jiān)測加速度變化，與陀螺儀共同判斷摔倒狀況。BX120-3AA 壓力傳感器檢測壓力值變化并與預警值進行對比，超過閾值觸發(fā)報警。NRF24L01 遠程通信模塊作為信息傳輸橋梁，發(fā)送摔倒警報和位置信息給監(jiān)護人。

2.2 語音報警模塊

HND-4216 蜂鳴器作為語音警報模塊的核心，用于在老年人活動超過設定閾值時發(fā)出聲音警報。MSP430 主控模塊實時監(jiān)測老年人活動狀態(tài)，超過報警閾值時觸發(fā)報警。MSP430 芯片通過輸出不同頻率的信號驅動蜂鳴器發(fā)出警報聲，可遠程控制或通過手表按鍵關閉，確保及時警報同時避免不必要的干擾。

2.3 摔倒檢測模塊

智能手表內置的多個傳感器協(xié)同工作，用于準確檢測老年人是否摔倒。加速度傳感器記錄3 個軸向的加速度數(shù)據，檢測加速度的突然變化。陀螺儀傳感器監(jiān)測身體的旋轉運動，檢測摔倒時的身體動作變化。壓力傳感器監(jiān)控腳部對地面的壓力模式，識別摔倒時的壓力變化。這3 個傳感器組成的檢測方案提高了摔倒檢測的準確性，確保非誤報。觸發(fā)摔倒報警信號時，系統(tǒng)通過HND-4216 蜂鳴器發(fā)出警報聲，通過GPS定位發(fā)送位置坐標，以便及時救援。

2.4 GPS定位

GPS 定位模塊選擇NEO-7N UBLOX， 具備高精度、強接收能力和低功耗。在老年人發(fā)生意外時，NEO-7N UBLOX 通過TXD 和RXD 端口與主控芯片通信。主控芯片請求定位數(shù)據后，模塊啟動定位功能，計算位置坐標并通過RXD 端口回傳給主控芯片。主控芯片接收坐標并與觀測值進行比較，得出修正數(shù)，發(fā)送給接收機。接收機使用修正數(shù)消去誤差，得到準確位置信息，即使在復雜環(huán)境中也能提供相對準確的數(shù)據，支持救援工作。

2.5 人體生理檢測模塊

人體生理檢測模塊由PulseSensor 心率傳感器和MLX90614ESF-BAA-000-TU 紅外溫度傳感器組成，用于監(jiān)測老年人生命體征。心率傳感器通過光電容積法測量心率，無需限制老年人活動，可長時間佩戴。紅外溫度傳感器測量人體表面溫度，具備高精度、快速響應的特點。兩者共同工作，實時監(jiān)測體溫和心率，急數(shù)據劇變化時通過遠程通信模塊報警，發(fā)送至監(jiān)護人手機，以便及時采取措施。

2.6 遠程通信模塊

基于NRF24L01的無線數(shù)據傳輸系統(tǒng)使用2.4 GHzISM 頻段，免費全球使用，無干擾。NRF24L01 芯片具備高傳輸速率、小體積、低成本、低功耗等特點，與MC9S12XS128 單片機結合構成無線發(fā)射模塊，發(fā)送摔倒警報和定位數(shù)據。系統(tǒng)設計注重穩(wěn)定性和靈活性，確保多種環(huán)境正常通信，低功耗可延長手表電池壽命，保障老年人緊急情況下及時得到幫助。

3 軟件方案設計

3.1 通信部分

智能手表內置多種通訊模式，包括藍牙、短信、GPRS 等，以適應不同場景和節(jié)省通訊費用。正常情況下，僅通過TCP 協(xié)議傳輸關鍵數(shù)據至服務器，家屬可通過手機客戶端監(jiān)測老年人身體特征。對于未使用智能手機的老年人，家人可通過藍牙配置智能手表并關閉藍牙，而使用智能手機的老年人可通過藍牙查看信息。智能手表的無線通訊功能適合在老年公寓等環(huán)境下進行數(shù)據傳輸。在養(yǎng)老院模式下，資料通過Wi-Fi 傳送至數(shù)據中心。

3.2 數(shù)據加密部分

由于這款手表是通過網絡傳送老年人的個人信息，因此必須對其進行加密。該手表采用 TEA 加密算法，處理輪數(shù)為8 輪，可提高加密速度，并能保持一定的保密性能。

3.3 顯示與交互部分

在交互設計上，為老年人提供更佳的交互模式，使老年人不用做任何復雜的動作就能操控手表。所有有關的操作都可以在網上進行，監(jiān)控與數(shù)據傳輸都是自動進行的。采用鍵盤、觸摸屏等多種操作方式，是基于 Nucleus 操作系統(tǒng)自行研發(fā)的人機交互系統(tǒng)，包含6 個控制項，能快速建立接口。

3.4 姿態(tài)監(jiān)測部分

軟件中有一條線程，對加速度、陀螺儀等數(shù)據進行實時監(jiān)控，并對其進行位姿計算，從而對老年人的運動狀況做出判定，實現(xiàn)對老年人的移動狀況進行計數(shù)和統(tǒng)計。電子指南針的作用是給老年人提供方向導航。在摔倒探測過程中，不僅要對人體姿勢進行監(jiān)控，而且要借助脈搏監(jiān)測的資料，以提高摔倒探測的精度，避免錯誤判斷。

3.5 定位計算部分

智能手表的程序設計使其能夠將老年人的運動軌跡上傳至服務器，同時，當服務器需要查詢老年人的實時位置時，程序能夠響應請求并提供老年人的精確位置信息。在特定的敬老院應用場景中，程序還支持基于WiFi 指紋和藍牙技術的室內定位功能，這樣就可以在敬老院內部提供老年人的位置追蹤服務。

3.6 心率血壓分析部分

其中一條線程會實時采集原始心電圖、血壓、血氧等數(shù)據，當老年人出現(xiàn)心率、血壓等異常時，則會按照異常程度，通過網絡將其發(fā)送到服務器上，也可以通過短信通知家屬。

4 健康監(jiān)護系統(tǒng)的數(shù)據挖掘與分析

4.1 數(shù)據挖掘流程

研究利用健康監(jiān)護系統(tǒng)中的數(shù)據庫來收集和分析使用者的相關數(shù)據。這些數(shù)據包括用戶查看手表的頻率、查看間隔、心率血壓測量的次數(shù)、體溫測量的次數(shù)及下載的軟件類型等信息。通過對這些數(shù)據的提煉、分析和統(tǒng)計，研究將探索不同數(shù)據之間的潛在關聯(lián)性，并尋找可能的經濟效益點。

4.2 算法的實現(xiàn)

利用算法進行數(shù)據挖掘的具體流程為：先對該系統(tǒng)的程序進行編碼，給某些控制項加上一個可變的數(shù)值，如將溫度控制作為一個溫度計數(shù)變量，對控制項的單擊次數(shù)及所需的時間間隔進行運算并進行處理。然后將這些數(shù)據保存在一個數(shù)據庫中，再傳輸給云計算服務器，之后通過 Apriori 算法對用戶的行為進行分析，生成評價報告。事實上，Web 數(shù)據挖掘也遵循這一思路，即通過用戶的歷史訪問記錄來獲取用戶的偏好信息，并對用戶的訪問日志進行保存，排列顯示圖表，強調相關度高的數(shù)據。

4.3 系統(tǒng)數(shù)據分析結果

在健康監(jiān)護系統(tǒng)中，使用Apriori 算法和QlikView分析工具，通過可視化圖表展示用戶行為狀態(tài)分析。工作步驟包括分時段統(tǒng)計用戶行為、總結調查結果、分析控制項點擊和使用時長、了解系統(tǒng)偏好和使用頻率。對用戶進行體溫數(shù)據與時間的相關分析，該時間階段可分為每日、每周、每月，在每個時間段對用戶體溫進行分析與統(tǒng)計。當用戶在1 d 內進行連續(xù)的體溫測量，通過測量的溫度，可以對使用者的身體狀況進行初步的判斷，之后系統(tǒng)會根據當天的天氣及用戶的行為，給出相應的警示信息。

5 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)啟動后， 會進行一段設定， 包括初始化MCU、初始化時鐘、初始化心率和體溫、初始化服藥提醒、初始化GPS 模塊、初始化通訊模塊。佩戴后，模塊會實時監(jiān)測老年人的身體狀況，并將其與標準值進行對比，如果出現(xiàn)不正常的情況，就會提示監(jiān)護人采取相應的保護措施。當加速度傳感器、陀螺儀和壓力傳感器相互配合，判定老年人跌倒后，控制系統(tǒng)立刻向監(jiān)護人發(fā)送跌倒的警報，同時，語音警報模塊也會立刻開啟并發(fā)出警報聲。同時，該遠程通訊模塊會將跌倒警報及老年人所在位置等信息發(fā)送給監(jiān)護人，監(jiān)護人可以通過手機隨時了解老年人的身體情況。手機App 與智能手表的交互通訊設計如圖2 所示。

6 手機App設計

在 Android 平臺上開發(fā)出了智能手表App 端，使用了 Material Design 的設計，使得其界面更易于用戶使用。這個 App 可以在日常生活中人工或定期收集老年人的各項指標，并將其繪制成折線圖。在接收到報警信號后，利用百度地圖 API 界面，對其進行定位。通過百度地圖上的 POI 搜索，可以找到距離老年人出事地點最近的一家醫(yī)院，方便醫(yī)護車輛快速到達實施救援。

7 結束語

隨著人民生活水平的不斷提升，人們對身體健康的重視也日益增加，因此，便攜式健康監(jiān)護系統(tǒng)已成為當今智能科學與醫(yī)學研究相結合的熱點。文章結合智能可穿戴設備、互聯(lián)網傳輸技術，研制出以智能手表為基礎的老年健康監(jiān)護系統(tǒng)。該系統(tǒng)移植性強，功耗低，適用范圍廣，無距離限制，成本低，可靠性高。在日常生活中，其可以對老年人的各項指標進行實時監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)有摔倒現(xiàn)象，就會第一時間對其進行定位并以地圖的方式顯示出來，這樣才能在最短時間內，將危險降至最低。這款智能手表為老年人的出行提供了安全保障，具有很好的經濟效益和社會效益。

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