穿戴式老人健康監測報警系統設計

Abstract：Inthispaper，awearableelderly healthmonitoringandalarmsystembasedonInternetof Things （IoTtechnology isdesignedtomeetthehealthmonitoringneedsoftheelderlyinanagingsociety.Thesystemintegratesmulti-parameter physiologicalsensors，microcontrolers，GPSpositioningmodules，wirelesscommunicationmodules，real-timedisplamodulesloud serviceplatformsandmobileappstoachievereal-timemonitoringandabnormalwamingofkeyphysiologicalindicatorssuchas heartrate，bloodoxygensaturation，bloodpressreandbodymovementstatus.Whenauseraccidentallfallsorphysiological indicatorsexceedthenormalrange，alainformationwillbesenttothepresetuserscaregiversorommunitymedicalpersonel throughSMSandemail，soastoprovidefeasibletechnicalsolutionsforhome-basedelderlycareandcommunitymedical services.Throughtesting，thedeviceandremoteterminalswhenthesystemisrumingnormalycanmonitortargetparametersin realtime，andalarmintimewhentherearesafetyrisks，whichcanefectivelyreducepotentialsafetyrisksfortheelderly.

Keywords： STM32；health monitoring;wearable device； fall detection; elderly health; IoT technology

當下全球老齡化趨勢日益加劇，根據國家統計局公布的數據：2024年末我國60歲及以上人口突破3.1億，占全國總人口的 22.0% ，65歲及以上人口超2.2億，占比達 15.6% ，中國已進人“深度老齡化\"社會。生育率降低、人均壽命延長仍在進一步加劇我國老齡化進程，預計2035年中國老年人口將達到4億，占比超過 30% 。隨著老年人口的增加，獨居和空巢老人的健康監護需求激增，子女迫于社會工作壓力往往無暇顧及，而當前社會醫療體系建設仍不完善，醫療資源的不足使得這一問題更加突出。傳統的醫療設備在便攜性和實時性方面存在局限性，無法滿足老年人日常健康監測的需求。市面上的運動手表、手環則主要適用于年輕人進行身體狀態和運動數據的記錄。因此，針對老年人特定需求開發一種便攜式、實時性強的健康監測報警系統具有重要的現實意義。

本文面向老年人群設計了基于物聯網技術的穿戴式健康監測報警系統，其具有心率血氧實時監測、跌倒檢測、GPS定位、緊急報警等功能，能夠有效對用戶進行健康監測和防護，降低用戶指標異常或意外跌倒因救治不及時發生危險的機率，同時有效緩解需照護老人帶來的家庭壓力和社會壓力[2]。

1 系統方案

本系統依托于物聯網技術，采用三層結構進行設計，主要實現健康數據的采集、發布及報警推送等功能。其中感知層主要包括MAX30102光電容積傳感器、MPS20壓力傳感器、ADXL345三軸加速度傳感器、GPS定位模塊，實現心率血氧血壓數據采集、跌倒檢測及實時位置獲取。通信層采用MQTT協議通過發布和訂閱主題的形式，實現云平臺分別與監測設備和手機客戶端數據信息的無線傳輸。應用層為基于安卓開發的移動端APP，支持用戶家屬及醫護人員數據實時監控和異常報警。圖1為系統整體框架

2 硬件設計

本系統硬件電路部分主要包括主控制器模塊、電源模塊、健康數據采集模塊、跌倒檢測模塊、GPS定位模塊、無線通信模塊、顯示模塊和2個獨立按鍵。

2.1主控制器模塊

本系統為穿戴式監測設備，綜合考慮體積、功耗、性能和成本因素，選用STM32F103C8T6作為主控芯片。它具有強大的處理能力，可以迅速處理復雜的控制任務；搭載了豐富的外設接口，包括ADC、DAC、I2C、SPI、USART等，同時具有出色的擴展能力，整體性能優越。同時它具有多個低功耗模式，價格便宜，在嵌入式設備中應用廣泛。圖2為主控制器電路圖。

2.2健康數據采集模塊

健康數據采集采用更適合穿戴式設備的光電容積脈搏波描記法（PPG算法），選用集成心率和血氧飽和度監測的MAX30102生物傳感器模塊[3。該模塊利用內部光源發射紅光和紅外光，光線穿透皮膚后部分被血液中血紅蛋白吸收，剩余部分反射回到傳感器的光電探測器中。反射信號中交流部分由動脈血周期性脈動引起，其頻率對應心率；根據血紅蛋白對紅光和紅外光不同吸收特性則可以計算出血氧飽和度4。同時，該模塊內部集成了完整的信號處理鏈，具有光電轉換、高精度模數轉換、數字濾波和數據緩存等功能。擁有體積小、功耗低、高信噪比和高采樣率等特點的同時，芯片外圍電路十分簡單，與主控芯片通過I2C進行通信，只需連接2根電源線和2根數據線，極大減少了產品開發時間和成本，非常適合本系統穿戴式檢測設備。此外，該模塊能夠檢測皮膚下血流變化間接估算血壓，但精度不高。因此，增加一個MPS20傳感器測量動脈壁壓力值傳送到主控制器ADC引腳，配合MAX30102提高血壓估算的精確度。圖3為健康數據采集模塊電路圖。

2.3 跌倒檢測模塊

該系統跌倒檢測模塊采用ADXL345加速度傳感器，它具有13位分辨率，擁有 ±2，±4，±8，±16g 的測量范圍，其靈敏度高達 3.9mg/LSB ，能夠檢測到非常小的加速度變化，甚至能感知到小于 1.0^° 的傾斜角度變化。其數字輸出數據采用16位二進制補碼格式，支持使用SPI與I2C的通信協議來進行數據讀取。本設計采用I2C通信， SCL，SDA 引腳分別連接到主控的PB6、PB7，3V3引腳連接到 3.3V 的電源上，GND引腳接地。圖4為跌倒檢測模塊電路圖。

2.4 GPS定位模塊

本系統定位模塊采用ATGM336H-5N系列模塊，其是一款高性能的GPS定位模塊，支持GPS、GLONASS、北斗、伽利略等全球衛星導航系統，定位精度可達 2.5m ，兼容性強、定位精度高、功耗低，適用于本設計的定位需求。模塊通過串口與主控連接，發送包括時間、經緯度、海拔等定位信息的數據包。圖5為GPS定位模塊電路圖。

2.5 無線通信模塊

無線通信模塊設計時考慮到用戶活動范圍可能較大，存在戶外場景，藍牙和WIFI無法完全覆蓋，選用了一款支持4GLTE通信的Air780E-4G模塊。該模塊支持4GLTECat.1同時兼容2G（GSM）作為備用網絡，支持TCP/IP、MQTT等通信協議，支持多種外設接口，適用于物聯網設備。通信模塊通過串口與主控進行連接，其中TXD、RXD引腳分別接主控的PA9、PA10，RST引腳用于復位，通過輸入高電平重啟4G模塊。圖6為無線通信模塊電路圖。

3軟件設計

系統軟件設計按照模塊化編程思想按照功能模塊進行編程設計，主要包括主程序設計、健康數據采集、跌倒檢測、實時定位、異常報警及手機APP開發。

3.1 主程序設計

該系統主程序在開機上電后，首先進行系統初始化，包括串口初始化、I2C初始化、GPIO初始化、LED屏初始化及健康數據采集模塊、跌倒檢測模塊、GPS定位模塊初始化。初始化完成后4G通信模塊人網與云服務器建立連接，通過MQTT協議的發布/訂閱主題，實現設備端與云端的通信。隨后，系統進入到主循環中，依次讀取各傳感器采集的數據，數據處理后在LED屏顯示同時發布到云端。系統主程序流程圖如圖7所示。

3.2主要功能模塊程序設計

3.2.1 健康數據采集程序

健康數據采集包括心率、血氧和血壓。通過MAX30102傳感器獲取脈搏波電信號，經過均值濾波和一階低通濾波降低干擾，再經過高精度模數轉換通過I2C將原始數據發送到主控制器，主控制器根據信號波周期計算出心率，根據紅光和紅外光的吸收率計算出血氧飽和度值。通過MPS20傳感器獲取電信號直接送到單片機ADC引腳，主控制器通過濾波和計算將電壓值轉換為壓力值。將得到的數據進行顯示和上傳云端，并與設定的閾值進行比較，若超出閾值范圍則進行預警提醒。健康數據采集程序流程圖如圖8所示。

3.2.2 跌倒檢測程序

跌倒檢測采用ADXL345加速度傳感器獲取三軸加速度和傾斜角進行跌倒判斷。為提高檢測精度，首先測得三軸各10組樣本數據，取平均值并減去對應偏移量可得三軸校準值，將數據存放在寄存器并編寫自動校準函數。當加速度和傾斜角超出正常區間則判定為“跌倒”，蜂鳴器發出報警提醒，為減少誤報警用戶可在15s內通過按鍵取消報警，否則15s后系統將向監護人及醫療人員發送報警信息。跌倒檢測流程圖如圖9所示。

3.2.3 GPS定位程序

GPS定位采用ATGM336H-5N系列模塊，通過衛星系統能夠獲取時間、經緯度、海拔等位置信息。為增加設備續航，定位模塊設置為低功耗模式，當接收到以“ % GPRMC\"開頭的GPS數據指令才獲取數據。模塊會根據NMEA0183協議解析出位置信息通過串口將數據包發送至主控制器。

3.3 手機APP開發

本系統的手機APP是基于安卓使用JavaScript開發的應用。APP主要包含2個功能界面，首頁界面實時顯示用戶當前的心率、血氧和血壓數據，地址詳情用于提供用戶位置信息。當用戶跌倒報警時，設備會自動更新位置信息，正常情況下若想查看用戶實時位置也可以通過APP界面手動點擊獲取當前位置信息。設置界面主要用于用戶校對時間、設置健康數據報警閾值、添加緊急聯系人郵箱。健康數據閾值設定監護人可根據老人身體情況，結合醫生建議自行設置和修改。圖10為APP首頁界面圖。

4系統測試

系統設計完成后，檢查設備硬件連接無誤，為系統上電進行功能測試。上電后設備正常工作，各傳感器依次運行采集健康數據在LED屏實時顯示并通過無線通信模塊上傳到在云服務器創建的Topic中，在訂閱此Topic的手機APP端可實時監控查看。設置好健康數據閾值和緊急聯系人之后，當健康數據超出設定的閾值，設備端蜂鳴器將發出預警提示用戶休息或服用藥物；手機APP端也將彈出數據異常預警，提示監護人關注用戶當前狀態。當設備檢測到用戶意外跌倒，定位模塊獲取實時位置，LED屏顯示“摔倒”，蜂鳴器報警。若15s內老人未通過按鍵取消報警，手機APP立即彈出摔倒報警提示，并顯示當前位置信息。同時，系統將通過郵件API接口向監護人發送報警郵件，提醒監護人及時采取措施。如圖11為健康數據閥值設置界面，圖12為檢測到跌倒后APP彈出報警界面，圖13為郵件通知摔倒截圖。

5結束語

面向日益龐大的高齡老年人群體設計的穿戴式老人健康監測報警系統，通過對佩戴者心率、血氧、血壓及是否跌倒進行實時監測判斷該佩戴者是否存在安全風險。當出現健康數據異常或老人意外摔倒時，設備端報警燈閃爍并通過手機APP向其監護人推送安全風險通知。該系統通過建立云端服務器，借助消息代理通過MQTT協議實現客戶端與云平臺的數據通信。通過安卓開發了手機APP構建顯示實時健康數據和位置信息的界面，同時接收風險報警信息。該系統的實用性較高，減輕家庭和社會壓力的同時能夠有效降低老年人群發生意外無法及時就醫的風險。該設計當前對于云服務器的開發利用較少，只作為數據信息中轉站使用，后續可以增加數據存儲、數據走勢分析等功能。通過大量的心率、血氧、血壓數據分析對用戶飲食、睡眠等提出合理建議。

參考文獻：

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