基于FreeRTOS與STM32的獨居老人身心智能檢測系統設計

摘 要：隨著我國人口老齡化進程的不斷加快，老年人獨居現象日益普遍，許多家庭面臨著老年人突發疾病或意外時無法及時獲得救助的困境。為了解決獨居老人所面臨的安全問題，設計了一款基于FreeRTOS的實時操作系統、以STM32單片機為控制核心的獨居老人智能檢測系統。該系統分為居家智能檢測與穿戴手環檢測兩大部分，能夠對老年人的生理和心理狀態及居家環境進行實時精準監測，通過WiFi與4G無線通信技術，使子女可遠程掌握父母居家與外出的健康情況及環境安全。經過驗證，該系統可有效實現實時數據采集、異常狀態智能預警及遠程監控等功能，為解決當前老年人獨居的安全問題提供了可靠的技術方案。

關鍵詞：FreeRTOS；物聯網；無線通信；健康檢測；居家檢測；STM32

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）08-00-04

0 引 言

近年來，我國人口老齡化日益加劇，獨居老人也隨之增多，在“居家為基礎，社區為依托，機構為補充”的養老政策下，居家養老成為我國當前主要的養老形式。隨著生活水平的提高，人們的健康意識也逐漸增強，因此對較便捷的可穿戴式檢測設備和智能家居的需求日益增加[1]。當前，針對老年人群體的可穿戴式身心檢測手環技術已日趨成熟，這類設備在生理指標監測方面具有較高精度，其功能體系較為完善且具備良好的實用性。與此同時，老年人的生活環境也是養老的重要保障，但目前市面上卻少有產品將獨居老人的居家安全檢測與身體健康檢測融于一體。

因此，本文以獨居老人身心健康檢測為課題，設計了基于FreeROTS與STM32的獨居老人身心智能檢測系統，將健康檢測與環境檢測結合，旨在時刻關注老人的身體健康狀態和居家環境狀況。各項數據通過無線通信模塊上傳至可視化終端，以減少子女在外工作的擔憂，確保居家養老的安全性。

1 概要設計

該智能檢測系統運用物聯網技術將獨居老人身心檢測相關感知設備與互聯網相連接，實現獨居老人當前身體狀況與環境狀況的實時感知[2]。系統主要在應用層、網絡層和感知層進行技術運用與創新，系統設計概要圖如圖1所示。

系統主要分為智能家居系統和智能穿戴手環系統，包括以下四個功能模塊：

（1）環境監測功能模塊：該模塊安置于智能家居系統中，能夠進行一氧化碳、可燃氣體、溫濕度、光照強度等指標的檢測，通過相關傳感器獲取數據后在串口屏顯示。

（2）人體檢測功能模塊：該模塊安置于智能穿戴手環中，能夠對心率、血氧、體溫及地理位置等進行實時檢測，將檢測結果通過觸摸屏顯示，并在指標異常時智能提醒。

（3）控制功能模塊：該模塊集成觸控屏交互、語音指令識別、Web可視化終端三大控制界面，并配備可穿戴設備聯動控制機制，實現智能家居系統的遠程操控。通過多維控制平臺，用戶可自定義環境參數閾值，當檢測值超出設定閾值時，系統將自動觸發多級預警機制并執行預設策略。

（4）用戶管理功能模塊：該模塊為監護人設計，可在此界面查看系統數據，即獨居老人當前的環境與身體指標，并可設置提醒信息、遠程控制家電、實時定位老人當前位置等。

2 系統硬件設計與分析

2.1 硬件設計方案

本系統分為智能家居及智能手環兩大部分，分別以STM32F103C8T6和STM32F103RCT6為控制核心。智能家居系統包括電源模塊、多環境采集模塊、語音模塊、WiFi通信模塊及顯示控制模塊，使用舵機模擬門、窗。智能穿戴手環系統包括充電電源模塊、觸摸顯示模塊、身體指標檢測模塊、GPS模塊及4G通信模塊。系統設計框架如圖2所示。

2.2 關鍵模塊選擇與分析

（1）體溫檢測采用MAX30205模塊。這是一款專為臨床級溫度測量而設計的溫度傳感器，它通過I2C接口與主控單元通信，使用高分辨率Σ-Δ型模數轉換器將體溫測量數據轉換為數字形式[3]，從而實現高精度的溫度測量。

（2）GPS精準定位采用ATGM336H模塊，其采用了SiRFstarIII技術，具有快速獲取衛星信號的能力，可提供高達10 Hz的位置刷新速率，確保在較弱的GPS信號環境下也能保持較高的定位精度[4]。

（3）語音控制使用LD3320芯片集成模塊。LD3320語音識別芯片內含高效穩定的語音識別算法，可識別任意中文單字和詞語，識別準確率超95%，可實現語音識別[5]、聲控、人際對話等功能。

（4）顯示模塊由Tjc4827x343-011串口屏和ISPTFT觸摸屏組成。Tjc4827x343-011串口屏的MCU擁有極速刷屏功能，可確保畫面的流暢性和性能的穩定性。ISPTFT觸摸屏集成ISP和TFT技術的優勢，能夠通過ISP技術迅速識別觸摸操作，提供流暢的交互體驗。

（5）AIR780 4G模塊采用移芯EC618芯片，支持4G全網通、雙卡單待、I2S數字語音接口、CDC功能及USB 2.0接口，具有尺寸小、功耗低、聯網快等特點，可以滿足IoT行業多樣化應用需求[6]。

2.3 系統電路設計

系統以穩壓5 V分別上電。其中，智能家居子系統的部分模塊需要3.3 V電壓才能穩定運行，故添加LP2985低壓降穩壓器將5 V電壓降為3.3 V，為ESP8266、蜂鳴器等模塊供電。降壓電路如圖3所示。

智能穿戴手環內置鋰電池，采用TP4056充電管理芯片提供恒定電流/電壓實現線性自動充電。TP4056具有熱反饋功能，可對充電電流進行自動調節，以便在大功率操作或高溫條件下對芯片溫度加以限制[7]。自動充電電路如圖4所示。

3 系統軟件設計與分析

3.1 FreeRTOS軟件與程序設計

FreeRTOS是實時操作系統，相較于傳統的裸機控制，其以任務的形式實現各功能的控制，當系統需要執行某種功能時，首先需完成任務調度。合理的任務調度規劃可使控制系統的執行效率更高、安全性能更好[8]。系統的程序設計如圖5所示。

系統上電啟動后首先進行各模塊的初始化。智能家居系統通過紅外感應模塊檢測家中是否有人，若無人，則自動切斷電源；若有人，則環境檢測模塊持續運行，并定時將數據上傳至云平臺，同時可以對家電進行控制。若老人發出求救信號或出現異常指標，智能可穿戴手環系統會將當前狀況立即上報并發送求救短信，否則執行健康檢測、遠程控制家電等程序。智能穿戴系統FreeRTOS軟件設計如圖6所示。

系統各任務的優先級根據任務調用頻率和重要性而設計，如以智能、節能、環保為主的智能家居系統中，家電控制任務優先級最高；以精準檢測、智能控制為主的穿戴手環系統中，觸摸屏中斷任務優先級最高。具體任務優先級和功能見表1、表2。

3.2 可視化頁面設計

ESP-01S模塊與AIR780模塊在局域網中可以發送報文到MQTT客戶端實現數據收發?；贛QTT協議，模塊可以將接收的數據進行解析操作，以OneNET云平臺為媒介，采用MQTT對云服務進行部署，硬件端可以通過部署好的域名訪問MQTT客戶端并訂閱和發布主題[9]。

系統數據展示網頁通過OneNET云平臺提供的數據進行可視化View制作，完成頁面設計后，需要對網頁與云服務器之間的數據傳輸進行加密，通過部署即可完成兩者的數據交互，實現相互控制。

4 系統測試

檢測智能家居系統是否會因環境變化幅度超出閾值而發出警報并做出相應處理，試驗測試結果見表3；檢測通過串口屏、語音交互、智能穿戴手環及可視化頁面能否成功控制家居設備，試驗控制結果見表4。智能穿戴手環系統通過接觸手腕進行身體指標的檢測，如心率、血氧、體溫等，身體指標數值通過keep B4lite4（keep推出的與之深度匹配的智能運動手環，支持心率、睡眠、血氧、運動燃脂量等指標的檢測）運動手環與體溫計得到。通過8組檢測數據求出各項數據的平均值并進行對比分析[10]，數據結果如圖7所示。系統實物如圖8所示。

5 結 語

本系統設計了基于FreeRTOS與STM32的獨居老人身心智能檢測系統，結合了多種檢測模塊、ESP8266 WiFi、AIR780 4G通信模塊及顯示模塊，構成了一套完整、測量精準且實用性強的檢測系統，具有操作簡單、智能節能、小巧便捷等特性。

在日常生活中，本系統可以為用戶提供實時的環境檢測與身體指標數據，并智能采取應對異常情況的措施，在很大程度上便利了老年人的生活，降低了老年人在家或外出時發生事故而得不到及時幫助的概率。

參考文獻

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[10]劉賽靜，謝金鵬，胡海峰. 基于STM32的人體健康檢測系統設計 [J]. 電子制作，2023，31（23）：16-19.