基于STM32的智慧養老監護系統設計

摘要：基于醫療健康的理念，文章設計了一款對老人居家環境監測和生理參數監測的系統。該系統集成了多種傳感器，能夠實時監測老人心率、血氧和體溫等生理參數，通過OLED顯示屏和手機客戶端進行顯示。系統具備跌倒檢測功能，當老人跌倒時，觸發GSM模塊運行并立即發送短信通知子女，從而確保能及時采取救助措施；煙霧報警功能能有效檢測到煙霧的存在，及時發出警報，以保障老年人的居家安全。該監護系統不僅提升了老年人的生活質量，也為家屬提供了更為可靠的監護手段。

關鍵詞：STM32；智慧養老；摔倒檢測；氣體檢測；智能手環

中圖分類號：TP311" 文獻標志碼：A

0 引言

截至2023年年底，全國60歲及以上人口為29697萬人，占全國人口的21.1%；其中65歲及以上人口為21676萬人，占全國人口的15.4%^［1］。中國人口老齡化的形勢日趨嚴峻，國家“十四五”規劃和黨的二十屆三中全會決議中，延遲法定退休年齡的內容都被放在與人口發展有關的部分。智慧養老能通過互聯網技術，使養老服務信息數據化，為老年人提供更好的養老服務的同時還能緩解社會養老壓力。

因此，本文基于STM32設計了智慧養老監護系統，該系統包括智能手環以及廚房煙霧報警器2部分^［2］，其中智能手環具備計步、心率血氧檢測及聯網等功能，同時具備摔倒檢測功能，當檢測到老人摔倒時，蜂鳴器會報警并給子女手機發送報警短信，提醒老人摔倒；煙霧報警器能夠檢測天然氣、煤氣、一氧化碳等氣體，達到判定泄漏的標準時，機器內部的蜂鳴器會發出聲響，提醒老人關閉閥門，以有效避免火災等事故的發生。

1 系統整體框架設計

本智慧養老監測系統采用STM32處理器作為主控制器，主要包括MPU6050加速度傳感器、MAX30102心率脈搏傳感器、蜂鳴器、OLED液晶屏、MQ-2煙霧傳感器、GSM通信模塊和ESP8266 WiFi模塊組成，能實現氣體檢測、生理參數監測、摔倒檢測、GPS定位和通信等功能^［3］，同時，能實時將數據顯示在OLED屏幕和手機App中，用戶可通過按鍵或App調整心率、血氧和體溫的報警閾值。該系統結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 最小系統電路設計

最小系統采用STM32系列的CortexM3處理器STM32 F103c8t6，具有高性價比、高性能、低功耗等特點；支持16個外部中斷和多種優先級設置，提高了實時響應能力；集成了ADC、DAC、USART、SPI、IIC、USB等多種外設接口，方便與其他設備連接和數據傳輸；內置 64 kB Flash和20 kB SRAM，適合儲存程序代碼和運行數據。該芯片被廣泛應用于工業控制、智能家居、醫療設備、傳感器節點等多個領域。

2.2 GSM通信電路設計

通信芯片采用SIMCom公司推出的緊湊型新產品SIM900A，該模塊為雙頻GSM/GPRS類型，使用SMT封裝，具有穩定的性能和精巧的外觀，同時性價比優秀，能夠滿足不同用戶的需求。在實現斷線自動重連功能時，涉及DCD和RI 2個引腳的使用。DCD引腳負責模數轉換，當模塊掉線時，會向DCD引腳發送高電平信號，模塊則會根據這一信號采取措施重新連接。RI引腳在模塊在線時始終保持高電平，接收到電話和短信時，該引腳會出現低電平，當RI引腳檢測到這一變化，模塊就會相應切換到短信或電話模式。

2.3 氣體檢測電路設計

MQ-2煙零傳感器是一種常用的氣體傳感器，主要用于檢測空氣中的煙霧濃度。它的工作原理如下：MQ-2煙零傳感器內部包含了1個可燃氣體傳感器元件和1個電化學傳感器元件。當空氣中存在可燃氣體或煙霧時，這些氣體會與傳感器元件發生化學反應，導致傳感器元件的電阻發生變化^［4］。MQ-2煙霧傳感器通過檢測傳感器元件的電阻值變化來判斷空氣中的煙霧濃度，從而實現對煙霧的檢測。

2.4 生理參數檢測電路設計

MAX30102是一款高度集成的脈搏血氧儀和心率監測模塊，由Maxim Integrated（現為Analog Devices公司的一部分）設計生產，專為可穿戴設備、便攜式醫療設備以及其他需要進行非侵入式血氧飽和度（SpO2）和心率監測的場合而設計^［5］。MAX30102傳感器內部結構主要包括3個方面：光源模塊、信號處理模塊、接口通信模塊^［6］。

MAX30102傳感器的INT為中斷引腳，當傳感器內部檢測到特定事件時，可通過該引腳向主控MCU發送中斷信號，SCL引腳為IIC總線的時鐘線，連接到STM32 F103C8T6單片機的PB10引腳，SDA引腳為IIC總線的數據線，與STM32 F103C8T6的PB11引腳相接。

2.5 摔倒檢測電路設計

MPU6050是InvenSense公司推出的6軸運動處理組件，內部集成了三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器，配有IIC接口以連接外部磁力傳感器。它還具備數字運動處理器（DMP），能夠通過主IIC接口輸出整合的9軸數據。InvenSense 提供的基于DMP的運動處理驅動庫，顯著減輕了單片機的處理負擔，降低了編程難度。該傳感器主要用于對運動追蹤、姿態識別和導航定位等功能要求較高的設備，例如無人機、機器人、虛擬現實設備、平衡車、智能手機和其他便攜電子產品。

MPU6050的設計展現了各個組件的緊密集成和協同工作，使其成為運動跟蹤、姿態識別等需要精確運動數據的應用的理想選擇。MPU6050的SCL引腳為IIC總線的時鐘線，連接到STM32 F103C8T6單片機的PB6引腳，SDA引腳為IIC總線的數據線，與STM32 F103C8T6的PB7引腳相接。

3 系統軟件設計

3.1 開發環境選擇

軟件編程環境選擇Keil uVision5，它是一個集成開發環境（IDE），用于對嵌入式系統中的微控制器進行編程。Keil uVision5是一個軟件套件，包括源代碼編輯器、項目經理、調試器以及微控制器開發、調試和編程所需的其他工具。Keil uVision5 IDE主要用于對基于ARM架構的微控制器進行編程，支持業界常用的各種基于ARM的微控制器。它為軟件開發提供了一個全面的環境并允許開發人員以高效的方式編寫、編譯和調試代碼。IDE還包括一個模擬器，允許開發人員在不需要實際硬件的情況下測試他們的代碼。

3.2 主程序軟件設計

數據采集系統的軟件設計核心在于創建終端設備的主程序，其運行依賴于完善的硬件系統和清晰的軟件架構。主程序的工作流程如下：先進行系統初始化，隨后循環檢測按鍵，根據檢測結果更新屏幕顯示內容；接著啟動血氧、心率及體溫監測功能，使其正常工作。系統利用 MPU6050傳感器判斷老人狀態是否異常，一旦檢測到老人跌倒，蜂鳴器立即報警并發送短信通知家屬。系統主程序流程如圖2所示。

3.3 心率血氧檢測子程序設計

當手指接觸到MAX30102傳感器，MAX301002內置的 LED光源（通常包括紅光LED和紅外光 LED）開始發光^［7］。光線透過皮膚并照射到血管內的血液。當LED光照射到皮膚上，透過皮膚組織的光會被光敏傳感器接收并轉換為電信號，再經過模數轉換變為數字信號，整體過程可以簡化為：光→電→數字信號。程序設計流程如下：先初始化IIC接口，然后初始化血氧模塊SPO2_Init（）；檢查樣本并獲取紅光FIFO和紅外FIFO的AC值；對紅外FIFO進行脈沖值過濾；根據相應算法，通過光電容積脈搏波描記法（PPG）計算心跳速率和血氧濃度。心率血氧檢測子程序流程如圖3所示。

3.4 摔倒檢測子程序設計

在單片機系統中，利用MPU6050內置的DMP處理器對原始傳感器數據進行自主解析和計算，能夠有效提取出 pitch、roll 和 yaw 三軸角度以及加速度值，從而顯著減輕單片機的計算負擔。隨后，經過預處理的數據通過 NRF24L01 無線傳輸模塊進行循環發送。考慮到 MPU6050 可能出現的噪聲干擾和單片機對實時數據刷新的需求，數據傳輸被分為3個階段：先將數據發送到目標地址一，接著發送相同數據到地址二，并在第三階段選擇性地丟棄這批數據，然后重復這一流程。此外，在數據傳輸過程中特別添加了校驗機制，在每組數據末尾增加校驗位，以實時驗證數據傳輸的準確性，防止發送或接收過程中出現錯誤，從而確保信息傳輸的可靠性和完整性。摔倒檢測子程序流程如圖4所示。

4 系統功能測試

4.1 WiFi模塊功能測試

在系統功能測試中，經過初始化后，OLED屏幕會顯示初始數據。當數據采集完成后，串行接口會將當前日期、時間、人體狀態和各項生理參數實時傳輸至無線傳輸模塊。該模塊按照TCP協議對數據進行打包和加密，通過無線網絡將數據包發送至云端服務器。服務器收到上傳的數據包后，會將其轉發至手機客戶端應用。最后，手機客戶端應用根據TCP協議解析并解密數據包，準確、完整地在界面上展示上傳的所有信息。WiFi模塊功能測試界面如圖5所示。

4.2 摔倒檢測模塊功能測試

根據閾值檢測法來判斷人體運動狀態，當老人摔倒時，俯仰角或者橫滾角的絕對值大于30°，判定老人跌倒。蜂鳴器報警，GSM模塊發送短信和定位信息到子女手機上，提醒老人摔倒，須及時處理。對摔倒檢測功能進行測試，同一用戶模擬摔倒行為，做出類似于摔倒的動作，摔倒檢測模塊功能測試結果如表1所示。由表1的測試結果可知，摔倒檢測模塊的漏報率為0%，誤報率為4%。盡管存在一些類似檢測摔倒的行為被誤判為摔倒行為，但是由于老年人的行動較為遲緩，誤報的概率會降低，因此本摔倒檢測模塊的可靠性較高。

4.3 生理參數檢測模塊功能測試

采用MAX30102測量心率和血氧，人正常的心率范圍為60～100次/min，人體正常血氧飽和度為95%以上，當心率和血氧不在這個閾值范圍內時，蜂鳴器會報警。利用MPU6050六軸加速度傳感器計步，DS18B20溫度傳感器測量溫度。選取6名用戶，對他們的生理參數進行測試并將測試結果與小米手環9以及家用溫度計的測試結果進行對比。心率、血氧和步數采集數據結果對比如表2所示；溫度采集數據結果對比如表3所示。由表2—3對比結果可知，本系統測試生理參數的穩定性較佳。

5 結語

綜上所述，老人監護系統的設計不僅充分考慮了老年人的生活需求和安全隱患，也借助現代科技手段增強了監護的有效性與便利性。通過實時數據采集與傳輸，系統能夠及時監測老人的健康狀態，提供摔倒檢測和煙霧報警功能，確保在遇到意外情況時能夠快速響應。同時，數據的上傳與分析為家屬和護理人員提供了全面的信息支持，幫助他們更好地了解和關心老人的生活狀況。未來，隨著技術的不斷進步，筆者將進一步優化系統功能，提升用戶體驗，使這一監護系統在保障老年人安全與健康方面發揮更大的作用，真正實現安享晚年的目標。

參考文獻

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［2］張震，郭曉金，劉煌.居家智慧養老監測系統的設計［J］.現代電子技術，2022（18）：171-176.

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（編輯 沈 強）

Design of smart elderly care monitoring system based on STM32

SHEN" Yan， ZHANG" Tong， CHEN" Mingqiang， WANG" Wei*

（Xianyang Normal University， Xianyang 712000， China）

Abstract：" Based on the concept of medical health， this article designs a system for monitoring the home environment and physiological parameters of the elderly. The system integrates multiple sensors that can monitor physiological parameters such as heart rate， blood oxygen， and body temperature in realtime for the elderly. It is displayed through OLED screens and mobile clients. The system has a fall detection function. When an elderly person falls， it triggers the GSM module to run and immediately sends a text message to notify their children， ensuring timely rescue measures can be taken; The smoke alarm function can effectively detect the presence of smoke and issue an alarm in a timely manner to ensure the safety of the elderly at home. This monitoring system not only improves the quality of life of the elderly， but also provides more reliable monitoring methods for their families.

Key words： STM32; smart aging; fall detection; gas detection; smart wristband