居家养老智能健康监测系统设计

刘美辰，杜俊良，黄思琪，何巍

（四川师范大学物理与电子工程学院，四川成都，610101）

0 引言

我国是心血管疾病大国，对心血管疾病的防护与控制的重要性不言而喻。据统计，我国每年死于心血管病约350万人，基本上每10秒就有1人死于心血管病，占总死亡原因的41%，居各种疾病之首。我国有超过半数的心血管疾病发病与高血压有关，目前我国的高血压患者约有2.6亿，高血压控制率却仅仅为14.5%。

我国面临老龄化，老年人口数目庞大，迫切需要防跌倒措施。跌倒造成意外损伤是65岁以上老年人的第六位死亡原因。老年人群跌倒的发生率远高于年轻人，除了肢体上的伤害，跌倒后在心理及社交生活上也可能造成严重的后遗症。据统计，约三分之一的65岁以上老人平均每年跌倒一次，而且比例随着年龄的增长而增加，80岁以上老年人跌倒的年发生率高达50%。同时，有些疾病如心血管疾病会导致患者晕厥或身体不平衡进而容易造成跌倒事件的发生。

根据党的十八届五中全会战略部署制定，由中共中央、国务院印发并加以实施的《“健康中国2030”规划纲要》指出：目前，我国面临着工业化、人口老龄化以及生态环境、生活方式不断变化等带来的新挑战，需要统筹解决关系人民健康的重大和长远问题，“健康中国”正式上升为国家战略。

随着科技的发展以及人们对自我健康与人生安全意识的提高，当今时代可谓是健康产业发展的黄金时代。物联网极大影响和改善了我们的生活，大势所趋，促进了形式多样的软硬结合产品的诞生与发展。使用物联网技术及相关电子通信知识，设计制作针对上述人群的智能健康检测系统。

1 系统总体设计

居家养老健康智能监测系统围绕老年人以及心血管疾病患者，主要设计有七个模块：分别是血压心率监测模块、防跌倒模块、报警模块、电源模块、复位模块、显示屏显示模块、蓝牙模块。佩戴者发生跌倒无法站起时，发出报警声，并通过蓝牙将数据传入手机，实现提醒及时救助的功能；同时，系统能监测佩戴者血压心率，并对监测到的血压心率值进行显示。

监测系统以国产STC单片机为基础进行开发设计，单片机对各个模块进行控制，将压力传感器、加速度传感器检测到的数据进行处理，最后实现数据显示、异常报警，并能通过蓝牙将相关信息发送到手机，提醒救助。

居家养老健康智能监测系统设计分为两个部分来实现：一 是硬件设计部分，二是软件设计部分。图1 是整体的系统设计框图。

图1 系统设计框图

2 硬件设计

2.1 血压心率监测模块

血压心率监测模块以 XGZP6847 型压力传感器为核心，这是一款利用 MEMS 技术加工的硅压阻式压力敏感芯片。该压力敏感芯片由一个弹性膜及集成在膜上的四个电阻组成，四个压敏电阻形成了惠斯通电桥结构，当有压力作用在弹性膜上时电桥会产生一个与所加压力成线性比例关系的电压输出信号。其采用DIP封装形式，压力传感器作为敏感元件并集成了数字调理芯片，PCB 板的2面分别安装有 SOP 封装的压力传感器与信号处理电路芯片，对传感器的偏移、灵敏度、温漂和非线性进行数字补偿，以供电电压为参考,产生一个经过校准、温度补偿后的标准电压信号。

气泵在充气时，袖带内部产生压力，与袖带相连接的压力传感器XGZP687会根据这个压力值输出对应的电压值。通过单片机的ADC采集血压值，以供数据分析使用。

2.2 防跌倒模块

防跌倒模块以ADXL345加速度传感器为核心，这是一款3轴加速度测量系统，既能测量运动或冲击导致的动态加速度，也能测量静止加速度，分辨率高，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化，使得器件可作为倾斜传感器使用。

加速度传感器实时检测老人姿态。加速度传感器与单片机通过I2C总线进行通信，由于使用的单片机STC15F2 K60S2没有专用I2C模块，所以采用GPIO模拟I2C时序的方法来实现通信。当老人发生跌倒时，所佩戴的加速度传感器采集到倾斜角度会急剧发生变化，这便是防跌倒功能实现的原理。

2.3 蓝牙模块

蓝牙技术是如今使用最广泛的无线通信技术之一，具有低延时，连接稳定可靠等优点，适合短距离数据传输。此处采BT-HC05-V1.0蓝牙模块，模块兼容单片机系统。蓝牙通信主要实现的是硬件电路中的数据与手机之间的数据交互。设置好蓝牙的主机模式，同时打开手机蓝牙功能，检测匹配到蓝牙信号，连接后即可收到数据。

开启监测系统的同时蓝牙模块即被启动，加速度传感器采集老人倾斜角度的数据后，将数据通过单片机进行整合和对比，若出现跌倒15s仍未站起的情况则会通过蓝牙向手机发送数据，即求助信息，提醒及时救助。

2.4 复位模块

在单片机接上电源以后，电源出现过低电压时，将单片机存储器复位，使其各项参数处于初始位置，即处于开机时的标准程序状态，以消除由于某种原因造成的程序紊乱。

单片机的复位电路有上电复位和手动复位两种形式，RST端的高电平直接由上电瞬间产生高电平则为上电复位；若通过按钮产生高电平复位信号则称为手动复位。

2.5 显示屏显示模块

采用LCD1602显示屏进行显示。LCD1602是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，它有若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。将血压等数据传入单片机进行处理及整合后，将血压心率等数据按照一定顺序排列输出，通过I/O口连接LCD1602进行显示设置，能够直观形象地展现给佩戴者，并实时随阶段改变。

2.6 电源模块

电源模块用于给整个监测系统供电。电源电路部分以LM7805稳压芯片为核心。LM7805稳压芯片输出电流可达1A，输出电压可达5V，兼具过热保护、短路保护以及SOA保护。

2.7 报警模块

采用蜂鸣器实现报警功能。在测量血压心率的放气阶段，启动蜂鸣器提醒用户即将测量完毕；在老人发生跌倒时，启动蜂鸣器，提醒看护者老人发生跌倒事件。

3 软件设计

软件设计主要有两大部分，第一部分是实现血压心率的测量，第二部分是实现老人防跌倒的监测。在第一部分中，主要涉及到了压力传感器的数据获取、按键测量流程控制以及数据在LCD1602显示屏上的显示。在第二部分中，主要涉及到了加速度传感器数据的获取、老人跌倒姿态算法的实现以及使用单片机的串口功能通过蓝牙模块发送求救信息。

3.1 血压心率监测

血压心率测量功能实现的流程图如图2所示。

图2 血压心率监测流程图

当整个单片机系统模块的初始化完成之后，系统进入等待状态，此时LCD1602显示提示信息，提醒用户按下测量键以进行血压心率的测量。

当测量按键按下时，单片机开始进行血压测量。启动气泵，向血压测量装置充气，LCD1602显示用户正在测量的信息。与此同时，开启单片机内置的ADC模块，采集与单片机的模拟输入引脚相连的压力传感器的数据，并将其转换结果计算为压力值。在这个测量过程中，ADC以最快转换速率读取传感器数据，系统根据测量出的压力值以及前后变化情况来判断此时所处的测量阶段，进而进行下一步的操作。

整个测量流程可以分为两个阶段。在第一个阶段中，关闭出气阀门，气泵不断充气，压力值达到180mmHg便进入第二个阶段。在第二个阶段中，关闭气泵，仍然保持出气阀门关闭，开始缓慢放气，单片机向LCD1602显示屏发送不断降低的压力数据，启动蜂鸣器，提醒用户进入放气测量阶段，同时也在不断地分析和对比压力数据，进而得到收缩压，舒张压以及心率，并将其保存。测量出舒张压后，意味着此次测量结束，单片机控制出气阀门打开，排出测量装置中的气体，并将测量结果通过LCD1602显示屏展现给用户，系统等待下一次测量按键按下。

在用户按下测量键至测量完成的过程中，如果用户再次按下测量键，意味着此次测量提前终止，系统将继续等待用户按下测量键。

3.2 防跌倒功能实现

防跌倒功能的实现主要是通过采集佩戴在老人身上的加速度传感器返回的数据，从而计算出老人所处的姿态以及老人的行为状态，综合判断出老人是否跌倒。本系统设计的老人防跌倒功能实现的流程图如图3所示。

图3 防跌倒功能实现流程图

单片机进入正常运行状态后，在实现血压心率监测的同时，系统也在不断地监测老人的姿态。防跌倒功能主要是通过定时器中断触发的方式来完成。当定时器200ms中断发生时，将加速度传感器数据标志位置1，单片机在运行主程序过程中检测到加速度传感器数据标志位为1时便通过模拟I2C总线向加速度传感器发送取数据指令。在获取到加速度传感器返回的数据之后，便通过这个数据计算出老人当前所处的姿态，判断老人是否跌倒。根据老人的姿态和处于跌倒姿态的时间来决定是否通过蓝牙模块发送求救信息。

4 数据处理与结果分析

监测系统通过开关启动，系统进入工作状态。由单片机执行程序，发送指令，对各个模块进行控制。按键控制血压心率测量，按下按键，系统开始监测血压心率，定时器计时，气泵充气，当压力大于等于180时停止充气，开始泄气当气压振幅大于等于最大振幅的50%，此时的数值便是测得的收缩压；继续泄气至气压振幅小于等于最大振幅的80%，此时测得舒张压，并计算心率结果，最后在显示屏显示。根据医疗标准，衡量血压是否正常有两个关键数值：90mmHg、140mmHg，其次心率的正常范围是60-100次/分钟。图4为测得的血压心率值。

图4 显示屏显示的血压心率值

根据图5对老年人实测的数据显示，测得的血压心率值基本符合其身体状况。血压心率受到诸多方面影响，如环境温度的影响、老年人是否正常饮食、情绪是否稳定等，如要获得准确数据，要满足一定的条件，使用者需要保持情绪平静，尽量避免饭后，剧烈运动后测量，因为这些状态下血压心率数值普遍偏高，与日常身体数据相比差距大，容易误判身体状态。

图5 人体血压心率测量数据处理（高血压人群）

防跌倒模块每200ms读取1次倾角数据，每1秒对人体状态进行5次判断，3次非正常情况认定为摔倒，蜂鸣器报警且计时，若蜂鸣器持续报警大于等于15 秒，蓝牙还将发送求助信息到手机，及时提醒家属救治。图6是模拟人体正常行走和跌倒状态时加速度传感器获取的数据。人体处于正常行走状态时，加速度传感器获取数据，经数据处理后，可以看到x，y，z三个方向的倾角在-10°～10°之间有细微变化，处与正常范围内，蜂鸣器不报警；人体向前摔倒或向后摔到时，可以看到x方向的倾角变化，超过规定倾角范围，蜂鸣器报警。同理，在人体向左侧或右侧摔倒时，z方向的倾角变化明显,超过程序规定的范围，蜂鸣器报警。

图6 实测人体状态倾角数值变化（正常/摔倒）

5 结论

居家养老智能健康监测系统针对多数老人独居家中出现意外的情况，提出相应的解决方案，对老年人的身体健康数据进行实时监测，当有意外发生时，提醒家属及时送至医院就医。

老年人的血压、心率数据多数偏高，并且因为其身体关节僵硬，行动时容易发生跌倒等问题，而跌倒等意外的发生更是容易引发急性脑卒中疾病、心梗等潜在疾病。这就要求监测系统对老年人的身体健康数据进行及时整合及处理，判断老年人身体状况，实现实时监测，谨防意外发生。

居家养老健康监测系统已完成简单的搭建，并针对老年人完成了相应测试，测试数据目前符合预期效果。而数据精度方面仍然需要提高，并且对老年人日常运动等状况也需要进一步分析和处理，与跌倒情况进行进一步分离，完善监测系统功能。

实现智能健康监测系统对老年人身体健康及状态的精准测量与预判，运用单片机、传感器及物联网知识进行设计，保护居家老人，保障其健康生活，是居家养老智能健康监测系统不变的初衷，亦是持续发展的动力所在！