基于STM32的中老年人跌倒监测装置研究

2015-03-26王露邓豪

中国高新技术企业 2015年3期

王露　邓豪

摘要：基于STM32单片机的跌倒监测装置可实现对中老年人的跌倒检测、自动报警、人体生理数据的采集和人体生理健康的监测。文章设计了一种基于STM32的可穿戴的中老年人跌倒检测装置。根据人体跌倒时的角加速度的变化及角度倾斜，用MEMS传感器进行姿态监测；利用人跌倒时血压变化，采用PTT方法进行跌倒的辅助判定以及生理健康监测。该设计成本较低，技术实现相对较为容易，易于实现对目标群体的跌倒检测及健康监测。

关键词：STM32单片机；跌倒检测；自动报警；生理数据采集；生理健康监测文献标识码：A

中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2015）03-0018-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0202

众所周知，我国社会正逐渐步入老龄化，老年人口抚养比不断提高，老年人保健的重要性日益凸显，同时许多子女选择异地工作和生活，导致了大量老年人空巢。于是，老年人的安全监护成了一个突出的社会性问题。随着年纪增长，老年人身体机能下降并伴随多种老年性疾病，使之在日常生活中更容易跌倒，所以老年人特别是独居老人发生跌倒能否得到及时救助是至关重要的，而解决此问题的核心技术便是跌倒检测技术。又因老年性疾病多与血压等生理信号有关，故对老年人的生理信号检测达到对跌倒检测的辅助判定以及相关生理健康监测亦为重要。基于对中老人跌倒判定、生理健康监测的目的，本文介绍一种基于STM32的老人跌倒检测装置。该装置能较为精确地对目标群体实施跌倒检测与健康监测，实时将用户的心率，体温等通过无线方式推送至微信平台以及GSM平台，便于尽快进行医疗救援呼叫。此装置设计成本较低，实现技术较为容易，易于实现对目标群体的跌倒检测及健康监测。

1 系统分析

本文的设计目标“基于STM32的中老年人跌倒监测装置”是以用户为中心，为用户提供一个能够采集多项生理信息的监护设备。系统以STM32片机作为控制核心。对于人体跌倒监测的实现，采用MEMS传感器，通过加速度传感器将得到的信息转换成模拟电压信号，经前置放大用的仪器放大器实现差值放大。然后进行滤波等一系列中间信号处理，用A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号。通过光隔离器件输入到单片机进行分析处理，最后输出处理结果。心电及脉搏生理信号的监测我们分别采用HKD系列心电传感器和HKG系列红外脉搏传感器；HKD系列心电传感器该产品为单导心电图采集模块，模拟信号输出，内部包含了前置放大电路、滤波电路、工频滤波等电路。HKG系列红外脉搏传感器是一款利用红外光透射手指指尖部位，输出反应血管末稍血容积变化的脉搏传感器，其输出电压形式的模拟信号。HKD系列传感器内部包含了放大、滤波等电路，便于开发使用，可广泛应用于各种脉搏波采集系统。

2 整体框架设计

本装置主要任务是完成对目标群体的跌倒检测及生理健康监测。整体逻辑结构图如图1所示，主要组成部分包括主控模块（CPU）、生理信号采集模块、姿态监测模块、数据处理模块、电源模块。通过MEMS传感器对人体姿态信息进行采集，通过数据分析完成跌倒判定，通过连续血压检测完成对使用对象的生理信号采集，并通过数据分析处理完成对跌倒的辅助判定以及健康监测，以便于对跌倒者采取相关的医疗救援。

3 跌倒判定

由于人体跌倒时身体加速度，倾斜度会产生较大变化，故采用MEMS传感器对目标群体跌倒时产生的加速度及倾斜角度进行测量，通过数据分析完成对跌倒动作的判定。由于此装置为穿戴式设备，故安置在佩戴者的重心处，主要作用是将检测到的运动信号，包括角加速度、角速度和倾角信息，发送至主控模块，即系统CPU。又因为人体跌倒时会引起血压等众多生理因素的变化。因此，对人体血压的连续检测及分析可以完成对跌倒的辅助判定，使判定结果更加准确。

4 生理信号的采集

由于生理信号对跌倒检测及生理健康监测重要作用，对其精确检测尤为关键。故采用HKD系列的心电传感器与红外脉搏传感器。HKD系列心电传感器是单导心电信号采集模块，输出电压信号供AD采样，使用时需通过红外脉搏传感器利用特定波长红外线对血管末端血液微循环产生的血液溶剂变化的敏感特性，来对由于心脏的跳动，引起血管血容积发生相应的变化进行检测。当人体发生跌倒时红外脉搏传感器能够输出经过电路调理后的反应血容积变化的完整脉搏波电压信号，进而可测量出脉率，监测脉搏波的变化。最后经过数据处理便得到使用者的心率及血压数据。同时附加温度传感器实时监测用户体温情况并予以显示。但需要注意的是传感器最好和人体紧密固定在一起，有的传感器（比如温度传感器）还要求必须和人体皮肤保持接触。所以，基于可穿戴性设计思路，可将多个模块合并设计成圆形，避免在与人体的紧密接触中给人体造成不适甚至意外创伤。

5 电源模块

由于装置需要满足可穿戴，低功耗，又必须保证持续、稳定的供电，故采用开关型集成稳压芯片较易满足要求。因为通常使用三端集成稳压芯片有78XX、79XX系列，该系列芯片组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用时直接将电源模块与外部设备连接即可，但其输出电压不可调节，不能满足广范围系统设计需求。而LM2596开关电压调节器是由LM2596降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流以及小于37V的各种电压，同时具有很好的线性和负载调节特性，并具有自我保护电路，是宽范围、高精度系统设计的优选项，使用时直接与外部设备连接，方便、快速。

6 显示模块

通过LCD液晶显示屏将传感器测得相关生理数据进行显示。LCD由背电极和段电极组成，需要显示时在背电极和段电极之间加上合适的交流电压，通常使用方波。液晶显示通过I2C接口对SDA，SCL两个接口进行读写操作就能采集数据并控制其输出精度。传感器将采集的数据返回给主控进行处理，主控驱动液晶显示屏将处理后的信息进行显示，方便用户对自身情况有进一步了解并及时采取救援措施。此类型的模块分辨率高，硬件电路结构以及显示程序都较为简洁，且该模块的价格也低于相同点阵的图形液晶模块，为显示模块的理想选择。

7 信息传送处理

无线通信协议选择很重要，因为整个硬件设计都是在网络拓扑结构的基础上搭建起来的。现行的有Zigbee（IEEE 802.15.4）、Bluetooth（IEEE 802.15.1）、Wi-Fi（IEEE 802.11）等无线通信协议。经过相关通信的可靠性等多方面因素的对比Zigbee在低信噪比的环境下误码率比蓝牙和Wi-Fi低很多，故而Zigbee的抗干扰性相较于后两者来说有绝对优势。ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗局域网协议，该协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。其传输范围为10～100m，满足本装置中各个模块之间的传输范围。ZigBee将接受到的信息传送给单片机，单片机对信息进行分析处理并做后续应对措施。

8 结语

人们的生活因为科技而随之改变，对健康监护的需求也日益扩大，尤其对于中老年人来说这已被视为日常保健的必备品了。本装置适用于对中老年人的日常活动姿态监测并作出应对措施，电路模块化，可行性较高；可用于日常老人健康监护，医院里病人护理等情况下；装置集成度高，小巧易携，不影响老人的正常生活。

本装置所涉及的姿态监测采用MEMS传感器，利用HKD系列的心电传感器与红外脉搏传感器实现人体生理信号的采集，使用STM32单片机作为控制系统。装置中所有节点设计均以低功耗，微型化的理念为核心，STM32主控板，搭配其他数据采集、通信、显示模块构成本装置的硬件系统；通过一系列软件算法使得每个功能得以实现，并显示相关数据；最后通过多次测试验证了其切实可行性。

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