基于STM32的老人健康手環系統設計*

黃文靜，盧雨博，杜雨靜，宗凌軒，馬華紅

(河南科技大學信息工程學院,河南 洛陽 471023)

0 引言

隨著中國人口老齡化日趨明顯,越來越多的獨居老人因為摔倒不能及時就醫面臨著生命危險[1]。為更好的保護老年人,本文提出了一種健康監測手環系統,可以實時監控老人的跌倒情況,當監測到老人跌倒后,手環會自動發送位置信息到預先設置的聯系人手機,第一時間讓老年人能夠獲得急救。除此之外,該系統還具有檢測血氧和PM2.5并實時顯示的功能,有極高的使用價值。

1 系統工作流程

系統總體框圖如圖1所示,健康管理手環系統具有普通手環的時間、日期、溫度顯示功能,通過OLED顯示。還有專門為老人設計的跌倒報警功能,一旦老人摔倒,手環會把老人的位置通過短信發送到緊急聯系人的手機上。另外還有心率和血氧監測功能,一旦這些指標超過正常閾值會立即報警。

圖1 系統總體框圖

2 硬件設計

2.1 系統電源電路設計

本系統由鋰電池為其供電,由于充電器輸出電壓大于系統最大供電電壓3.3 V,所以本系統應用雙向穩壓的MIC5205電源管理模塊進行降壓,模塊由兩部分組成。

1) 降壓電路:該部分使用輸出是3.3 V 的電壓調節器件MIC5205。VIN接入5 V電壓,GND管腳接地,EN使能端接5 V電壓代表芯片不受其他信號控制,固定輸出3.3 V電壓。本電路不考慮噪聲影響,故而BYP端不接電容。輸出端接3個電容起到濾波作用。對鋰電池以100 mA電流進行恒流充電。

2) 充電電路:TP4056 作用于充電電路,采用單節鋰電池,充電器為線性充電器,電阻可以根據需要的充電電流設置,在電壓低于3.3 V時,對電池進行升壓穩壓。

2.2 心率傳感器設計

該部分使用MAX30102傳感器,電路如圖2所示。MAX30102是一種靈敏度極高的脈搏血氧器和心率監測器,并集成了660 nm紅光LED、880 nm紫外光LED、光電子學探測器和具有環境光控制功能的電路。1.8 V 單電源為該高靈敏度元件供電,內部具有LED,單獨的 5.0 V 電源為其供電。芯片的數字處理電路部分將ADC切換出來的原始內容進行濾波電路處理后放于緩沖區內;單片機利用IIC接口讀取出對應的數據。由于MAX30102的邏輯電路的IIC通信電平是1.8 V,需要將相應的控制引腳設置為上拉模式。

圖2 MAX30102模塊電路

2.3 MPU6050傳感器電路設計

MPU6050 模塊內部同時安裝了一套3軸的陀螺儀組件和一套3軸的加速度傳感器組件,MPU605模塊通過這兩套組件測量得到手環的軸傾角和軸加速度信號并最終通過內置的一個16位高速數字AD轉換器轉化為數字量,然后經過I2C接口向應用端實時地輸出數據。AD0是模塊IIC從機地址設置引腳,設置從機地址為0x68,AD0接低電平。由于串行數據線與串行時鐘線為漏極開路且為雙向口,因此通過10 k的上拉電阻拉至3.3 V。通過串行數據線上與串行時鐘線上產生的電平信息來控制與主控的數據傳輸或傳感器與主控之間的中斷。將串行數據線電源設置為高電平,串行時鐘線信號由高電平狀態轉換到低電平的狀態后,傳感器和主控設備開始完成數據傳輸。當串行數據線設為高電平狀態,串行時鐘線從低電壓有效轉化成高電壓有效后,傳感器芯片將與主控設備停止串行同步數據線的傳輸。MPU6050電路如圖3所示。

圖3 MPU6050模塊電路

2.4 SIM900A GSM/GPRS 模塊

通信模塊采用載有雙頻GSM/GPRS模塊的SIM900A,電路如圖4所示。SIM900A模塊具有兩組TTL端口,一組為2.85 V的TTL端口,可以與3.3 V的單片機直接連通,另一個可以兼容于不同電壓的TTL輸入輸出電平,5 V、3.3 V等的單片機都能與其連接。在使用時,需要將SIM900A和單片機的一些端口相連,即可通信。

圖4 SIM900A模塊電路

2.5 溫度傳感器SHT30模塊

SHT3x濕度感應器系列結合了多種功能和端口,測量方法使用熱電偶的方式,當工作端和自由端的溫度不同,就會在輸出回路產生熱電動勢,經過電路的變換將這個電壓的變化送入單片機,轉化成可識別的信息。SHT30通過IIC通訊,SCL與SDA應設置為開漏輸出,總線上均有上拉電阻,電路如圖5所示。

圖5 SHT30模塊電路

3 軟件設計

3.1 MPU6050摔倒監測及位置獲取與發送

根據在正常行動時人體加速度值和角速度的值和跌倒時的值進行比較來判斷老人是否跌倒,同時也考慮到由于上下樓梯、彎腰、躺下等情況導致的誤差,本部分主要研究的是如何將老人意外跌倒與日?；顒訁^分開來。

圖6 摔倒檢測流程圖

加速度部分數據處理:

設X軸、Y軸、Z軸方向的加速度分別為ax、ay、az,則合加速度SVM為:

(1)

角度部分數據處理:

MPU6050數據處理采用硬件DMP解算,通過計算得到歐拉角。當人體直立時,人體與Z軸方向的夾角φ一般<60°;當人體平躺時,人體與Z軸方向的夾角φ≈90°;當人體跌落時,人體從直立狀態變為水平狀態。所以將人體傾角Pitch值為60°作為摔倒時的角度閾值,當超過閾值時,判斷為跌倒。

3.2 心率監測

通過光電脈搏傳感器所獲得的原始信號,難免會收到外界環境的干擾,因此需要對采集的脈搏波原始信號進行處理。PPG信號成分的頻率主要集中在0.5～2 Hz之間,為了消除個體差異,應該保留的頻率成分0.5～3 Hz(也就是心率30次/min～180次/min)。首先對原始信號進行中值濾波,中值濾波能夠很好地濾除高頻噪聲,同時還能防止邊緣模糊化。然后再對其使用巴特沃斯數字低通濾波器,進行進一步處理。

3.3 血氧測量

由朗伯比爾定律經過推導可以得到血氧的基本數學表達式(2)。此式中的a、b、c是經驗常數,R是在某個很小的時間間隔上,兩種光電信號的幅度變化量之比。R可以通過式(3)計算得到,先計算紅光的交流除以紅光的直流即ACred/DCred和紅外的交流除以紅外的直流分量即ACired/DCired,然后兩者再相除得到R。在實際的應用中還需要對傳感器血氧濃度進行標定才能準確得出血氧的飽和度,通過實驗測得a、b、c如式(4)所示,這個標定表達式實際上是對血氧飽和度的二次曲線擬合。

SpO2=aR2+bR+c.

(2)

(3)

SpO2=-45.060×R×R+
30.354×R+94.845.

(4)

4 結果測試

打開電源,發現OLED可以正常顯示時間、溫度、血氧等數據,佩戴手環模擬老人跌倒發現提前預設的緊急聯系人手機可以接收到手環發送的含有測試者位置信息的短信,并且手動取消報警后不再發送短信。此次測試跌倒和各項數據能按照本次設計要求實現,說明各項功能完好,測試初步成功。

5 結語

本文基于32位微控制器設計了老人健康手環系統,在MPU6050數據濾波、摔倒檢測算法和心率、血氧的精確測量等方面提出了方案。將傳統的手環增加了專為老年人身體健康設計的心率、血氧和摔倒檢測等功能,增加了系統的實用性,可以解決當前老年人獨居生活的一些安全問題。