社区独居老人智能监控系统的手环设计

何颖 黄艳 王腾 都柯欣 张权顺

摘要：随着世界人口老龄化问题日益严重，针对独居老人的安全问题，本课题针对社区数据集成控制系统中的手环进行设计，该手环将老人的监测系统与智能家居相结合，通过云平台将数据统一送到社区终端，目的是让老人在遇到突发状况时能及时、有效的得到援助。

关键词：独居老人;智能监控;大数据;手环设计

中图分类号：TP368.33 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）10-0163-02

随着社会的不断发展，人口老龄化增长的趋势日益明显，出现在空巢老人中的问题也日益突出，“关爱空巢”老人成为人们越来越关注的话题。老年人的行动能力、记忆能力、思考能力以及学习能力会逐渐衰弱，于是就出现了很多问题：上厕所不小心摔倒，离家忘记关门，做饭忘记关火，生病忘记吃药，洗手忘记关水……这让老人难以适应现代社会。截至2017年我国城市老人“空巢”家庭的比例已达49.7%，大中城市的老年人“空巢”家庭比例更高，达到56.1%。对于空巢老人而言，他们非常需要家人的陪伴，但社会的现状不能满足。如果空巢老人自己很难克服生活中的不便，那么在遇到突发状况时，他们毫无招架之力[1-4]。在这个很现实的问题驱使下，本文针对社区数据集成监控系统中的手环进行了设计，该利用智能手环与智能家居系统相结合，以社区数据处理平台为终端，全程监护空巢老人的生活状态。

1 智能监控系统设计总体思路

本套智能监控系统是针对当下老人而设计的。为了方便老人的使用，我们以手环作为媒介，操作起来简单便捷。本系统以自动化为主，采用互联网大数据与智能家居相结合的方式，由室内各个部分安装的传感器采集信息，通过蓝牙设备将手环与传感器相连。手环把收集到的信息统一发送到社区大数据平台，由平台对信息进行处理，如有异常情况会自动报警并提供精确位置，并在第一时间通知子女。

2 手环设计

本论文着重介绍手环部分设计，系统结构框图如图1所示。手环设计主要包括主控芯片、电源模块、定位、手环传感器以及报警系统。其中，手环传感器又包括心律传感器、加速度传感器以及压力传感器[5，6]。

2.1 芯片设计

该手环采用CC2541主控芯片作为信息处理核心，如图2所示。该芯片性能强，耗能低，稳定性好，并且体积较小，同时具备了较高的传输速率和出色的接收灵敏度，自带蓝牙功能可以与室内检测设备以及调控终端连接。能够快速的实现与社区平台的数据传输;并且它有40个串口能够连接很多传感器和其它外界设备。在手环设计中，CC2541主控芯片主要用来处理数据，产生控制指令[7，8]。

2.2 电源模块设计

该手环的电池采用BQ2423电源管理模块，主要应用于空间受限的地方且充电速度快，具有动态电源路径管理 （DPPM） 功能，在为系统供电的同时能独立地为电池充电，还具有过压保护的作用，可编程预充电和快速充电定时器。因此子女可以自主设置充电时间，当到达充电的预定时间时，手环会产生振动，提醒老人及时充电，当充电器与手环连接时，振动消除。从而不会因为手环没电而影响老人的正常使用。

2.3 手环定位设计

该手环采用中国自主研发的北斗卫星导航系统，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，具有超强定位功能的同时还具有定位通信能力，能够准确无误的发出位置消息，从而能够帮助急救中心精确定位。

2.4 手环传感器设计

手环传感器由心率传感器、加速度传感器以及压力傳感器组成。（1）心率传感器。为了能够实现实时监测老人的脉搏血氧和心率，该系统采用心率传感器MAX30102，MAX30102是一个集成了脉搏血氧和心率检测功能的生物传感器模块， 其本身集成了一个红光LED和一个红外光发射管、光电检测器、光器件，以及带环境光抑制的低噪声电子电路。心率传感器随时监测老人的身体指数，当老人的身体指数发生异常时，手环会将信息发送到社区平台和子女手机上，社区会在第一时间派专业人员察看老人情况。（2）加速度传感器。为了能够实时监测老人有没有摔倒，手环采用加速度传感器MPU-6050检测老人的运动状态。 其中陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC将其测量的模拟量转化为可输出的数字量，MPU-6050免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量封装空间。模块通过检测6个轴方向的加速度值，判断老人运动状态。一旦老人摔倒并在一定时间内无法站起的情况，给社区平台和子女发送信息，及时给老人帮助。（3）压力传感器。压力传感器我们选用TE Connectivity（TE）设计和制造的传感元件，它运用了硅压阻微机械加工系统（MEMS）技术和硅应变片（Microfused、Krystal Bond）技术使得测压更准确、精度更高。压力传感器主要应用在手环的复位键，老人通过触摸手环，解除警报声[9-11]。

2.5 报警系统设计

手环中加入了的报警装置，不仅具有及时性，还更人性化。当手环一旦监测到老人身体出现异样或者所居住的环境产生问题就会及时报警，并能根据系统分析，判断出情况的严重与否，如果超出安全值，手环将自动向院方报警，如果接近警戒值，手环将把警报发送给社区和子女。报警装置由手环自身的蜂鸣与振动组成，通过终端设备将信息和定位发送到亲属联系设备的同时向社区平台发送警报，社区平台发现异常，会在第一时间派专人前往，为老人提供援助。

3 蓝牙连接设计

蓝牙设备主要作用是把手环采集到的数据传输到与之配对的手机以及服务器，当采集到的有关老人生命体征的参数异常时，比如，身体姿态异常、心律过快等。手环会通过蓝牙发送给老人家人的手机以及社区平台，以便达到预警的目的。

蓝牙连接过程大致分为三步：寻找设备、连接以及通信。首先按照一定的周期广播数据包，以及指定好的协议，看广播数据里有没有协议约定的数据，有的话则说明找到了目标设备。Android设备通过系统提供的API开始接受广播数据，然后在callback里获取广播数据。接下来进行连接过程，可被连接的设备（Advertiser），按照一定的周期广播ADV_IND或者ADV_DIRECT_IND包，主动连接的设备（Initiator），在收到广播包之后，会回应一个CONNECT_REQ请求，该请求携带了可决定后续“通信时序”的参数，Initiator在发出CONNECT_REQ数据包之后，自动转变为Connection状态，成为Master角色;同样，Advertiser在收到CONNECT_REQ请求之后，也自动转变为Connection状态，成为Slave角色。此后，双方按照CONNECT_REQ参数所给出的约定，定时到切换到某一个Physical Channel上，按照Master->Slave然后Slave->Master的顺序，收发数据，直至连接断开。最后，主机从机通信均是通过characteristic进行，可以将其理解为一个标签，通过该标签可以读取或写入相关信息[12]。

4 结语

如今伴随着智能手环的迅速发展，不少问题和局限性也显现了出来，比如屏幕显示不清、续航时间不长、功能覆盖不全面和测量数据不准确等情况，面向人群忽略了老年人的需求。本套社区独居老人智能监控系统的手环设计，就是专为老人设计，在现有水平的基础上，进行优化使得手环便于操作。将手环与智能家居相连，更好的實现为老人安全保驾护航的目的。手环的设计着重点在精确化、及时化和人性化，手环防水、耐摔、轻便，并具有超强续航能力。手环采用中国自主研发的北斗定位系统，可以使手环具有超强的定位功能。手环实时监控心率、血压、血氧的数值变化以及自动检测计算数据是否异常并能够及时提醒报警。

参考文献

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[12] 曾博，刘光磊，付梦菲，王银.智能手环应用于老年群体的探究[J].科技创新与应用，2017（06）：74.