摘要：基于STM32單片機(jī)的跌倒監(jiān)測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)中老年人的跌倒檢測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、人體生理數(shù)據(jù)的采集和人體生理健康的監(jiān)測(cè)。文章設(shè)計(jì)了一種基于STM32的可穿戴的中老年人跌倒檢測(cè)裝置。根據(jù)人體跌倒時(shí)的角加速度的變化及角度傾斜，用MEMS傳感器進(jìn)行姿態(tài)監(jiān)測(cè);利用人跌倒時(shí)血壓變化，采用PTT方法進(jìn)行跌倒的輔助判定以及生理健康監(jiān)測(cè)。該設(shè)計(jì)成本較低，技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)較為容易，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)群體的跌倒檢測(cè)及健康監(jiān)測(cè)。

　　關(guān)鍵詞：電子機(jī)械工程期刊,STM32單片機(jī),跌倒檢測(cè),自動(dòng)報(bào)警,生理數(shù)據(jù)采集,生理健康監(jiān)測(cè)

　　眾所周知，我國(guó)社會(huì)正逐漸步入老齡化，老年人口撫養(yǎng)比不斷提高，老年人保健的重要性日益凸顯，同時(shí)許多子女選擇異地工作和生活，導(dǎo)致了大量老年人空巢。于是，老年人的安全監(jiān)護(hù)成了一個(gè)突出的社會(huì)性問題。隨著年紀(jì)增長(zhǎng)，老年人身體機(jī)能下降并伴隨多種老年性疾病，使之在日常生活中更容易跌倒，所以老年人特別是獨(dú)居老人發(fā)生跌倒能否得到及時(shí)救助是至關(guān)重要的，而解決此問題的核心技術(shù)便是跌倒檢測(cè)技術(shù)。又因老年性疾病多與血壓等生理信號(hào)有關(guān)，故對(duì)老年人的生理信號(hào)檢測(cè)達(dá)到對(duì)跌倒檢測(cè)的輔助判定以及相關(guān)生理健康監(jiān)測(cè)亦為重要。基于對(duì)中老人跌倒判定、生理健康監(jiān)測(cè)的目的，本文介紹一種基于STM32的老人跌倒檢測(cè)裝置。該裝置能較為精確地對(duì)目標(biāo)群體實(shí)施跌倒檢測(cè)與健康監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)將用戶的心率，體溫等通過無線方式推送至微信平臺(tái)以及GSM平臺(tái)，便于盡快進(jìn)行醫(yī)療救援呼叫。此裝置設(shè)計(jì)成本較低，實(shí)現(xiàn)技術(shù)較為容易，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)群體的跌倒檢測(cè)及健康監(jiān)測(cè)。

　　1 系統(tǒng)分析

　　本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)“基于STM32的中老年人跌倒監(jiān)測(cè)裝置”是以用戶為中心，為用戶提供一個(gè)能夠采集多項(xiàng)生理信息的監(jiān)護(hù)設(shè)備。系統(tǒng)以STM32片機(jī)作為控制核心。對(duì)于人體跌倒監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)，采用MEMS傳感器，通過加速度傳感器將得到的信息轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，經(jīng)前置放大用的儀器放大器實(shí)現(xiàn)差值放大。然后進(jìn)行濾波等一系列中間信號(hào)處理，用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。通過光隔離器件輸入到單片機(jī)進(jìn)行分析處理，最后輸出處理結(jié)果。心電及脈搏生理信號(hào)的監(jiān)測(cè)我們分別采用HKD系列心電傳感器和HKG系列紅外脈搏傳感器;HKD系列心電傳感器該產(chǎn)品為單導(dǎo)心電圖采集模塊，模擬信號(hào)輸出，內(nèi)部包含了前置放大電路、濾波電路、工頻濾波等電路。HKG系列紅外脈搏傳感器是一款利用紅外光透射手指指尖部位，輸出反應(yīng)血管末稍血容積變化的脈搏傳感器，其輸出電壓形式的模擬信號(hào)。HKD系列傳感器內(nèi)部包含了放大、濾波等電路，便于開發(fā)使用，可廣泛應(yīng)用于各種脈搏波采集系統(tǒng)。

　　2 整體框架設(shè)計(jì)

　　本裝置主要任務(wù)是完成對(duì)目標(biāo)群體的跌倒檢測(cè)及生理健康監(jiān)測(cè)。整體邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要組成部分包括主控模塊(CPU)、生理信號(hào)采集模塊、姿態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊。通過MEMS傳感器對(duì)人體姿態(tài)信息進(jìn)行采集，通過數(shù)據(jù)分析完成跌倒判定，通過連續(xù)血壓檢測(cè)完成對(duì)使用對(duì)象的生理信號(hào)采集，并通過數(shù)據(jù)分析處理完成對(duì)跌倒的輔助判定以及健康監(jiān)測(cè)，以便于對(duì)跌倒者采取相關(guān)的醫(yī)療救援。

　　3 跌倒判定

　　由于人體跌倒時(shí)身體加速度，傾斜度會(huì)產(chǎn)生較大變化，故采用MEMS傳感器對(duì)目標(biāo)群體跌倒時(shí)產(chǎn)生的加速度及傾斜角度進(jìn)行測(cè)量，通過數(shù)據(jù)分析完成對(duì)跌倒動(dòng)作的判定。由于此裝置為穿戴式設(shè)備，故安置在佩戴者的重心處，主要作用是將檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，包括角加速度、角速度和傾角信息，發(fā)送至主控模塊，即系統(tǒng)CPU。又因?yàn)槿梭w跌倒時(shí)會(huì)引起血壓等眾多生理因素的變化。因此，對(duì)人體血壓的連續(xù)檢測(cè)及分析可以完成對(duì)跌倒的輔助判定，使判定結(jié)果更加準(zhǔn)確。

　　4 生理信號(hào)的采集

　　由于生理信號(hào)對(duì)跌倒檢測(cè)及生理健康監(jiān)測(cè)重要作用，對(duì)其精確檢測(cè)尤為關(guān)鍵。故采用HKD系列的心電傳感器與紅外脈搏傳感器。HKD系列心電傳感器是單導(dǎo)心電信號(hào)采集模塊，輸出電壓信號(hào)供AD采樣，使用時(shí)需通過紅外脈搏傳感器利用特定波長(zhǎng)紅外線對(duì)血管末端血液微循環(huán)產(chǎn)生的血液溶劑變化的敏感特性，來對(duì)由于心臟的跳動(dòng)，引起血管血容積發(fā)生相應(yīng)的變化進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)人體發(fā)生跌倒時(shí)紅外脈搏傳感器能夠輸出經(jīng)過電路調(diào)理后的反應(yīng)血容積變化的完整脈搏波電壓信號(hào)，進(jìn)而可測(cè)量出脈率，監(jiān)測(cè)脈搏波的變化。最后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理便得到使用者的心率及血壓數(shù)據(jù)。同時(shí)附加溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶體溫情況并予以顯示。但需要注意的是傳感器最好和人體緊密固定在一起，有的傳感器(比如溫度傳感器)還要求必須和人體皮膚保持接觸。所以，基于可穿戴性設(shè)計(jì)思路，可將多個(gè)模塊合并設(shè)計(jì)成圓形，避免在與人體的緊密接觸中給人體造成不適甚至意外創(chuàng)傷。

　　5 電源模塊

　　由于裝置需要滿足可穿戴，低功耗，又必須保證持續(xù)、穩(wěn)定的供電，故采用開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片較易滿足要求。因?yàn)橥ǔＪ褂萌�端集成穩(wěn)壓芯片有78XX、79XX系列，該系列芯片組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用時(shí)直接將電源模塊與外部設(shè)備連接即可，但其輸出電壓不可調(diào)節(jié)，不能滿足廣范圍系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。而LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是由LM2596降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流以及小于37V的各種電壓，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，并具有自我保護(hù)電路，是寬范圍、高精度系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)選項(xiàng)，使用時(shí)直接與外部設(shè)備連接，方便、快速。

　　6 顯示模塊

　　通過LCD液晶顯示屏將傳感器測(cè)得相關(guān)生理數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。LCD由背電極和段電極組成，需要顯示時(shí)在背電極和段電極之間加上合適的交流電壓，通常使用方波。液晶顯示通過I2C接口對(duì)SDA，SCL兩個(gè)接口進(jìn)行讀寫操作就能采集數(shù)據(jù)并控制其輸出精度。傳感器將采集的數(shù)據(jù)返回給主控進(jìn)行處理，主控驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏將處理后的信息進(jìn)行顯示，方便用戶對(duì)自身情況有進(jìn)一步了解并及時(shí)采取救援措施。此類型的模塊分辨率高，硬件電路結(jié)構(gòu)以及顯示程序都較為簡(jiǎn)潔，且該模塊的價(jià)格也低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊，為顯示模塊的理想選擇。 　　7 信息傳送處理

　　無線通信協(xié)議選擇很重要，因?yàn)檎麄�(gè)硬件設(shè)計(jì)都是在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上搭建起來的。現(xiàn)行的有Zigbee(IEEE 802.15.4)、Bluetooth(IEEE 802.15.1)、Wi-Fi(IEEE 802.11)等無線通信協(xié)議。經(jīng)過相關(guān)通信的可靠性等多方面因素的對(duì)比Zigbee在低信噪比的環(huán)境下誤碼率比藍(lán)牙和Wi-Fi低很多，故而Zigbee的抗干擾性相較于后兩者來說有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，該協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。其傳輸范圍為10～100m，滿足本裝置中各個(gè)模塊之間的傳輸范圍。ZigBee將接受到的信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)信息進(jìn)行分析處理并做后續(xù)應(yīng)對(duì)措施。

　　8 結(jié)語(yǔ)

　　人們的生活因?yàn)榭萍级�隨之改變，對(duì)健康監(jiān)護(hù)的需求也日益擴(kuò)大，尤其對(duì)于中老年人來說這已被視為日常保健的必備品了。本裝置適用于對(duì)中老年人的日常活動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)并作出應(yīng)對(duì)措施，電路模塊化，可行性較高;可用于日常老人健康監(jiān)護(hù)，醫(yī)院里病人護(hù)理等情況下;裝置集成度高，小巧易攜，不影響老人的正常生活。

　　本裝置所涉及的姿態(tài)監(jiān)測(cè)采用MEMS傳感器，利用HKD系列的心電傳感器與紅外脈搏傳感器實(shí)現(xiàn)人體生理信號(hào)的采集，使用STM32單片機(jī)作為控制系統(tǒng)。裝置中所有節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)均以低功耗，微型化的理念為核心，STM32主控板，搭配其他數(shù)據(jù)采集、通信、顯示模塊構(gòu)成本裝置的硬件系統(tǒng);通過一系列軟件算法使得每個(gè)功能得以實(shí)現(xiàn)，并顯示相關(guān)數(shù)據(jù);最后通過多次測(cè)試驗(yàn)證了其切實(shí)可行性。

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