健康养老预警系统的设计与实现.pdf

2023 年 8 月 25 日第 7 卷 第 16 期现代信息科技Modern Information TechnologyAug.2023 Vol.7 No.1666662023.082023.08收稿日期：2022-12-26基金项目：河南省科技攻关项目（222102210218）；河南省高等学校重点科研项目（23B510007）；河南省高等教育研究项目（2021SXHLX090）；网络与交换技术国家重点实验室开放课题（SKLNST-2022-1-10）健康养老预警系统的设计与实现王文博，刘保菊（平顶山学院 信息工程学院，河南 平顶山 467000）摘 要：随着人口老龄化形势的日益严峻，健康养老问题引起社会的广泛关注。文章设计的健康养老预警系统可以实现对老年人心率、体温、血氧浓度等各项生理指标的监测，并可通过 Wi-Fi 将数据上传到养老院工作人员手机上，在指标数据异常时启动报警。同时对不慎跌倒的老年人进行状态判断，通过 GPS 模块判断跌倒老人所在的位置，从而确保跌倒老人能够得到及时的救治。关键词：健康养老；Wi-Fi 通信；GPS 定位技术；预警系统中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）16-0066-05Design and Implementation of a Healthy Elderly Care Early Warning SystemWANG Wenbo,LIU Baoju(School of Information Engineering,Pingdingshan University,Pingdingshan 467000,China)Abstract:With the increasingly severe situation of aging population,the issue of healthy elderly care has attracted widespread attention from society.The healthy elderly care early warning system designed in the paper can monitor various physiological indicators such as heart rate,body temperature,and blood oxygen concentration of the elderly,and can upload data to the mobile phones of nursing home staff through Wi-Fi,triggering an alarm in case of abnormal indicator data.At the same time,the status of elderly people who accidentally fall is judged,and the GPS module is used to determine the location of the elderly people who falls,in order to ensure that the elderly people who falls can receive timely treatment.Keywords:healthy elderly care;Wi-Fi communication;GPS positioning technology;early warning system0 引 言“十四五”期间，我国将会出现一个养老高峰期，60 岁以上老年人将由 1.78 亿增加到 2.21 亿，老年人人口将由目前的 13.3%增加到 16%，人口老龄化进程进一步加剧1。对于老年人来说，随着年龄增大，患有心脏病和高血压等各种并发类疾病的概率也随之增加，实时监测老年人血压及血氧值对于确保老年人的健康具有重要意义。国外在 1975 年到 1999 年期间出现了可穿戴手机设备，进入 21 世纪后，可穿戴设备得到了迅速的发展。国内在 2019 年的 CES 展会上，华为推出了一款全新的智能化手环，该产品不仅具备运动、睡眠等基本监控检测功能，还具备以手机为终端的万物互联的华为云系统，功能强大。但目前的产品都没有专门针对养老院老年人的。据世界卫生组织（WHO）统计，每年全球约有 1/3 的 65DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.16.015岁的老年人出现跌倒2，3，在养老院内设置监控系统，采用 Wi-Fi 模块进行数据采集和传输，对老年人跌倒状态进行监测，可以很好地守护老年人的健康。本文选用 STM32F103C8T6 最小开发板检测老年人的当前状态，一方面对老年人的心率、血氧以及体温进行监测，同时用 GPS 实现定位功能。另一方面当老年人出现跌倒时，蜂鸣器发出警报并利用 Wi-Fi模块上传到手机 APP。可以实现对老年人的身体状态进行实时监测，以及跌倒时发出警报，本系统的开发对当前的智能养老模式具有一定的参考价值。1 系统总体设计方案该系统结构以 STM32F103C8T6 单片机为主控芯片，同时包含 Wi-Fi 模块、GPS 定位模块、心率和血氧模块、温度感应模块、蜂鸣器模块、防跌倒模块等。基于 STM32 单片机实现防跌倒功能的健康养老预警系统的总体设计如图 1 所示。在该系统中，利用心率、血氧检测模块以及体温模块收集数据，并把收集到的数据传输到主控芯片进行分析处理，然后通过 ADXL345 三轴加速器检测跌倒状态，GPS 定位模块检测当前定位状态，最后通过 Wi-Fi 模块将检测到的数据传送到手机现代信息科技8月下16期.indd 66现代信息科技8月下16期.indd 662023/8/15 17:38:112023/8/15 17:38:1167672023.082023.08第 16 期APP 上，实时关注老年人的健康状态。STM32F103C8T6心率血氧监测模块温度检测模块电源Wi-Fi模块GPS模块运动检测模块OLED显示屏蜂鸣器模块图 1 系统设计总体流程图2 硬件设计系统的硬件主要包括主控芯片、GPS 定位模块、心率和血氧模块、DS18B20 温度模块、ADXL345防跌倒模块、蜂鸣器模块、Wi-Fi 模块、OLED 模块等，下面将对其硬件设计进行介绍。2.1 主控单元 STM32F103C8T6本次设计的主控单元，我们选择的是德意法半导体公司生产的 STM32F103C8T6 芯片。最经典的 51 单片机和STM32单片机都拥有很强的通信和控制功能。STM32 单片机是一种 32 位的 MCU，相对于 8 位的51 单片机，性能更加突出，运算速度更块。51 单片机的功能少，需要自己搭电路；而 STM32 单片机的外设资源较多，接口功能强大。51 单片机开发时需要指针操作寄存器；而 STM32 单片机官网有封装好的库函数，可直接调用，开发的难度小。综上所述，我们选择STM32F103C8T6芯片，其原理图如图2所示。图 2 主控模块原理图10 kR10.1 FC1S1GNDRESETBOOT044NRST7OSC_IN/PD05OSC_OUT/PD16PA0-WKUP10PA111PA212PA313PA414PA515PA616PA717PA829PA930PA1031PA1132PA1233PA13/JTMS/SWDIO34PA14/JTCK/SWCLK37PA15/JTDI38PB018PB119PB2/BOOT120PB3/JTDO39PB4/JNTRST40PB541PB642PB743PB845PB946PB1021PB1122PB1225PB1326PB1427PB1528PC13-TAMPER-RTC2PC14-OSC32_IN3PC15-OSC32_OUT4VBAT1VDD_124VDD_236VDD_348VDDA9VSS_123VSS_235VSS_347VSSA8U1STM32F103C8T612Y28M22 pFC522 pFC312Y132.76810 pFC210 pFC4GNDGNDPA15PA5PA9PA10PA11PA12PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PB8PB9PB10PB11PB12PB13PB14PB15PA0PA1PA2PA3PA4PA13PA14PC13RESETGNDGNDGND1VCC3OUT2U100AMS1117-3.3VC31104C51106C41104C211063V3123J1PWR2.5GND3V33V3VCC2.2 温度传感器模块温度传感器在预防老年人的一些常见疾病中非常重要，在众多的温度传感器中，DS18B20 是一款常用的数字温度传感器，其具有体积小、抗干扰能力强、精度高等优点，非常适合各种狭小空间设备的测温功能，因此采用它作为本系统的硬件模块之一4。其技术特点采用单总线数据通信，精度可达0.5，可选择寄生工作方式。DS18B20 测量温度有接触式测量和非接触式测量，其中接触式测量的精度高、简单、有效，但是不能接触高温，而人体温度不存在高温，因此本文采用接触式测量，其温度检测模块原理图如图 3 所示。GND10 kR32PB12GND1DQ2VCC3DS18B20U53VCC图 3 温度检测模块原理图2.3 心率与血氧传感器模块老年人中患有心脏病的人数较多，因此本系统王文博，等：健康养老预警系统的设计与实现现代信息科技8月下16期.indd 67现代信息科技8月下16期.indd 672023/8/15 17:38:112023/8/15 17:38:116868第 16 期现代信息科技2023.082023.08需要采集老年人的心率和血氧，但是单独测量心率和血氧成本较大。本次采用 MAX3010X 系列中最新的 MAX30102 传感器，其内部有一个 660 nm 红光 LED 和 880 nm 红外光 LD，这两个灯会发出特定波长的光，采集人体反射回来的光，经过内部电路的光电转换，再通过ADC转换器转变为数字信号，最后通过读写数据进行读取数据5。其心率与血氧传感器模块原理图如图 4 所示。1234P5Header 4VCCGNDPA9PA10图 4 心率与血氧传感器模块原理图2.4 GPS 定位模块当老年人跌倒时，利用 GPS 模块可以对老年人实现精准定位，使老年人能够得到及时的救治。GPS模块相当于一个 GPS 接收机，主要负责接收卫星信号。卫星通过测量 GPS 模块与其自身的距离实现多个卫星多次测量从而实现精准控制，然后通过 GPS模块将接收到的信号转换成数字信号，就可以转换为当前位置的经纬度了6。对于 GPS 模块的选择，本文选用的是 G28U7FTTL GPS 模块，G28U7FTTL GPS 模块安装在一个白色的盒子中，盒子上引出 6条颜色不一的杜邦线，可方便地与 STM32F103C8T6实验开发板进行连接，并且价格便宜实用。2.5 Wi-Fi 传输模块Wi-Fi 模块属于物联网传输层，其具有两种拓扑形式：基础网和自组网，通过串口、TTL 到无线网络转换实现其传输功能，内部有 IEEE802.11 协议栈和 TCP/IP 协议栈。本文采用的 ESP8266 是采用无线电波进行双向传输，兼容 3.3 V 和 5 V 单片机系统，支持三种天线接口形式：板载 PCB 天线、IPEX 接口和邮票孔接口，具有 STA、AP、STA+AP三种工作模式7。在本次开发设计中采用了 AP 模式，天线选择板载 PCB 天线，利用 IIC 通信方式上传数据到手机 APP；这个模块的数据传输速度快，传输的可靠性好，最大的传输速率可达460 800 bit/s，其 Wi-Fi 模块原理图如图 5 所示。2.6 ADXL345 三轴加速器模块在本次健康养老预警系统的设计与应用中，采用了 ADXL345 倾角加速度传感器。这个模块既可以测到静态重力运动时的倾角，也可以测到运动时的各种态重力加速度8。ADXL345 倾角加速度传感器具有很好的分辨率，精准到能够检测到最小 0.25 的偏角。当 ADXL345 倾角加速度传感器计算并输出到一定的加速度时，不会再持续地进行仿真模数变换，极大地节省了主控单元的空间。同样 ADXL345 倾角加速度传感器具有非常多的内部功能，能够检测是否活动。在检测自由落体时无需内部计算，极大地减少了主机处理器的数据，其ADXL456 三轴加速度模块原理图如图 6 所示。TX1EN2RST33V34RX5IO06IO27GND8U78ESP82663V3GNDPA2PA3图 5 Wi-Fi 模块原理图GNDPB0PB1INT15INT24SDO3SDA2SCL15V103V39GND8VS7CS6YXZP2ADXL3453V33V3图 6 ADXL456 三轴加速度模块原理图2.7 OLED 液晶屏幕本文采用 0.96 寸 OLED 屏幕进行显示的原因是，其在厚度和伸缩性以及耗电程度上都要比 LCD屏幕更加优秀，因此选择 OLED 屏幕。此外 OLED屏幕是一种专门显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。分辨率是通过像素点来计算的，比如本次屏幕的分辨率是 12864，说明在水平方向有128 个像素点，垂直方向有 64 个像素点。对于其接口模式 OLED 液晶屏幕有两种：SPI、IIC，本文选择 IIC 的方式，其 OLED 模块原理图如图 7 所示。GND1VCC2SCL3SDA4OLEDU156OLEDGNDVCCPA6PA7图 7 OLED 模块原理图3 软件设计程序执行时，首先对各部分的接口和串口进行初始化操作。初始化完成后，按照如下操作执行：1）初始化各个硬件模块。2）测量人体体温数据。3）测量人体心率和血氧浓度。4）实时测量老年人当前位置，将其数据传送至 OLED 屏幕上。5）检测老年人当前是否处于跌倒状态。6）如果处于跌倒状态将发送信息到养老院工作人员手机上。主程序流程图如图 8 所示。现代信息科技8月下16期.indd 68现代信息科技8月下16期.indd 682023/8/15 17:38:112023/8/15 17:38:1169692023.082023.08第 16 期开始初始化时钟初始化IO口初始化各硬件模块测量人体体温数据测量人体心率和血氧浓度测得老年人人体 是否摔倒？测量老年人当前位置蜂鸣器发出警报是利用Wi-Fi模块发送信息到养老院工作人员手机上OLED屏幕显示否结束图 8 主程序流程图3.1 温度传感器程序设计由于系统采用的是 1-Wire 总线协议，即在一个数据线上进行双向传输，因此需要遵守严格的读写时序，并且定义了三种时序，分别是初始化时序、写时序、读时序。首先启动设备，发送温度转换命令，将温度转换成数据，然后主机从写时序开始通过总线送回数据，在送回数据同时主机启动读时序进行数据的接收，最后将后接收到的高八位数据进行时移放在一个新的数据中，组成完整的温度数据。发送到 OLED 屏幕上，如果没有收到数据则主机等待。3.2 GPS 定位模块程序设计GPS 的解析方法有两种，我们采用的是正点原子的解析方法。首先，从 GPS 中得到数据的信息是“位置”。其次，将两个字符串中的数字变成整数。第三，解析 GPGSV 协议，此外还有 GPRMC 信息的解析，分析 GPVTG 信息，配置 NMEA 信息，解析 NMEA 信息，配置 UBLOX NEO-6 的相关信息，对 GPS 的信息进行校验和计算，对 UBLOX 的发送和接收进行相关配置；其中 NMEA 信息是为了统一GPS 中的相关协议才配置的，而信息的发送是通过串口 3 进行的，即首先要对系统进行初始化，使主控板的各个引脚和 GPS 传输信息的引脚使能，然后通过卫星接收数据，GPS模块判断是否接收到数据；如果接收到数据则开始计算数值，得到当前所在位置的经纬度，并将当前的数据传输给 OLED 显示屏并显示老年人当前经纬度。3.3 运动检测模块程序设计对于三轴加速度传感器 ADXL345，我们首先要知道如何对老年人跌倒时的状态进行判断。当三轴加速度传感器 ADXL345 倾斜角度达到 45 及以上是条件之一；另一个条件则是在一定的时间间隔内，测得的加速度小于正常人体速度的一个较小的数值，这时可以判定当前老年人处于跌倒的状态。因此需要实现的功能是获得三个方向的加速度值及角度值，从而得到老年人跌倒的角度与加速度。同时三轴加速度传感器 ADXL345 需要连接模拟IIC 接口。首先对系统进行初始化，然后定时读取ADXL345 三轴传感器检测到的加速度和角度值，并计算所检测到的数值，判断是否满足当前所设置的跌倒阈值，如果满足跌倒条件蜂鸣器发出警报并向手机 APP 上发送信息，不满足进行下一个周期。3.4 OLED 显示模块程序设计对于 OLED 屏幕的设计，传输模式采用的是IIC通信，一条IIC通信总线上可以连接多个IIC设备，并且一条 IIC 总线上只使用两条总线线路，一条为串行数据线（SDA），另一条为串行时钟线（SCL）。因此我们要对 IIC 线路进行设置，设置数据线的输入引脚和输出引脚，编写 IIC 的起始信号和终止信号，并对应答信号的到来进行编写，以及对发送一个字节和接受一个字节的函数及 OLED 屏幕的驱动函数进行编写。4 系统测试系统测试主要包括对老年人的心率、血氧及体温进行测试，同时对老年人跌倒时跌倒状态的功能进行测试，然后在 OLED 屏幕显示当前的一些数据，数据及实物测试结果分别如表 1 及图 9 所示。表 1 终端设备数据测试结果序号心率（bpm）血氧（SpQ2）温度/跌倒时的倾斜程度/跌倒时蜂鸣器是否能够发出警报11159934.710否21039534.530否31029834.844否41109634.645是51019435.290是61039335.4180是71009135.1360是图 9 实物测试结果同时系统还要对老年人跌倒时的位置进行定位，因此也需要对定位数据进行测试，看是否能够王文博，等：健康养老预警系统的设计与实现现代信息科技8月下16期.indd 69现代信息科技8月下16期.indd 692023/8/15 17:38:112023/8/15 17:38:117070第 16 期现代信息科技2023.082023.08在 OLED 屏幕上显示当前定位信息，测试表格如表2 所示。表 2 GPS 定位数据检测序号经度/纬度/1113.200 3133.748 522113.200 5433.748 09系统的软件服务端采用的是网络助手 APP，因为采用的是 TCP 协议，所以要在端口的服务端设置IP 地址以及所需要的端口号，我们选择的端口号为默认的 8086，手机 IP 地址为 192.168.4.1。我们选择的 ESP8266 的模式为 AP 模式，ESP8266 的功能相当于我们的手机可以给别的手机分享热点，所以服务端要连接上 ESP8266 的手机 Wi-Fi。5 结 论针对养老院老年人出现的跌倒等意外事件提出了相应的解决方案，对老年人的身体健康数据进行实时监测，当有意外出现时，能够及时地发现并且进行及时的救治。老年人群体中普遍存在血压和心率数据较高的情况，并且因为其身体关节僵硬、行动时也时常出现跌倒的情况，并且因为跌倒还会引起一系列的急性脑卒中疾病和心梗等潜在疾病。本文设计并实现了一套基于 STM32 技术的智能养老预警系统。该系统实现了求助功能的分级，既能够在 OLED 屏幕上进行显示，也能够在护理人员的手机 APP 上显示，给护理人员提供了便利；实现了实时监控，提高了老年人的安全性。今后我们会重点关注老年人身体健康数据采集方向，通过智能手表和云存储，实时获取和存储人的身体状态数据，以更好地监护老年人。参考文献：1 张博，韩俊江.积极老龄化政策下智能养老产业发展研究 J.广西社会科学，2019（7）：95-98.2 黄卓铭.人工智能养老利弊分析及对策建议 J.中国商论，2019（19）：214-215.3 宋振兴，姚俊明.基于智能手表的跌倒检测系统在养老院应用 J.医学信息学杂志，2019，40（5）：15-18+27.4 刘华东.串行温度传感器 DS18B20 的应用 J.湖北职业技术学院学报，2010，13（4）：89-91.5 Maxim MAX30102 可穿戴血氧和心率生物传感器解决方案 J.世界电子元器件，2018（4）：45-48.6 杨增金.论全球定位系统（GPS）的原理及在工程中的应用 J.建材与装饰：下旬刊，2008（6）：338-340.7 张琥石，林伟龙，杨发柱，等.基于 ESP8266 WiFi模块的物联网体温监测系统 J.物联网技术，2020，10（12）：32-35.8 孙思.居家养老中的智能防跌倒产品研究 J.大众文艺，2016（6）：92.作者简介：王文博（1999.03），男，汉族，河南平顶山人，本科在读，研究方向：智慧医疗；刘保菊（1980.07），女，汉族，河南鹤壁人，讲师，博士，研究方向：电力通信网网络管理与优化。有效估计内扰和外界干扰，并将这些总扰动精确地补偿给 PD 控制器，抑制总扰动对系统带来的不利影响。仿真实验表明，本文设计的非线性控制器实现了无人机吊挂飞行系统的精确位置控制和吊挂负载的减摆控制，具有比 LADRC 和 LQR 控制器更快的跟踪速度、更强的鲁棒性和更高的跟踪精度。由于条件和时间有限，本文是从仿真的角度进行研究，下一步的工作将在实际系统中进行试验验证。参考文献：1 齐俊桐，平原.无人机吊挂飞行控制技术综述 J.无人系统技术，2018，1（1）：83-90.2 梁晓，胡欲立.四旋翼吊挂运输系统动态反馈线性化轨迹控制 J.自动化学报，2020，46（9）：1993-2002.3 DE ANGELIS E L，GIULIETTI F，PIPELEERS G.Two-time-scale control of a multirotor aircraft for suspended load transportation J.Aerospace Science and Technology，2019，84：193-203.4 SHIRANI B，NAJAFI M，IZADI I.Cooperative load transportation using multiple UAVs J.Aerospace Science&Technology，2019，84（Jan）：158-169.5 KOTARU P，WU G，SREENATH K.Dynamics and control of a quadrotor with a payload suspended through an elastic cable C/2017 American Control Conference（ACC）.Windsor：IEEE，2017：1-4.6 LEE T.Geometric control of quadrotor UAVs transporting a cable-suspended rigid body J.IEEE Transactions on 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