一种基于生理信号检测的多功能拐杖

郑万挺，陈亮亮

温州医科大学眼视光学院、生物医学工程学院，浙江温州325035

前言

随着我国经济的迅速发展，人们的生活水平在不断提高，然而，我国人口老龄化趋势愈发严重［1］。人进入衰老阶段之后，各种生理机能急剧下降，容易步态不稳、摔跤；其次，老年人易骨质疏松，容易发生骨折，这些都极大地限制了老年人自身的身体活动和社会交往活动。针对患有高血压等疾病的老年人的突发情况，本文设计的拐杖将实现对老年人的体温、血压、心率等生理指标的高效采集以及实时分析，这些功能的实现能大大减小老年人突发高血压的概率，也能适时提醒老年人及时休息，将对老年人的生活质量带来极大的帮助［2］。

1 系统设计方案

本文在研究目前市场上常见的智能拐杖的基础上，通过机械结构和结构力学分析，进行了一定程度的改良，并在相应的位置上增加了检测生理信号的传感器，最终在Solidworks软件里画了设计初稿。基于生理信号检测的多功能拐杖设计图如图1和图2所示。

图1 多功能拐杖设计图Fig.1 Design of a multifunctional walking stick

图2 多功能拐杖设计图（拐杖头）Fig.2 Design of the head of a multifunctional walking stick

如图1和图2所示，基于生理信号检测的多功能拐杖由拐杖头部（A）、拐杖底部（1）以及拐杖身部（2）3部分构成，由红外体温检测系统、心率检测系统、血压检测系统、收音机系统、GPS 导航及照明辅助系统这5 大系统组成。红外线体温检测系统的红外线体温检测口（11）位于拐杖头部前下方，其红外线体温检测控制开关（12）位于拐杖头部前方右侧；心率检测系统的心率检测口（9）位于拐杖头部前方上侧，其心率检测控制开关（13）位于拐杖头部前方右侧；血压检测系统的血压测量接口（7）位于拐杖的正后方，其血压测量控制开关（14）位于拐杖头部前方右侧。收音机检测系统的收音机旋钮（3）和收音机喇叭（4）位于拐杖身部。GPS 导航及照明辅助系统中的GPS（15）位于拐杖身部，照明灯（10）位于拐杖头部正前方，其照明开关（6）位于拐杖头部后侧右方。最后，生理信号检测的数据显示口（8）位于拐杖头部后方上侧，该拐杖的充电口（5）位于拐杖头部后方下侧。

2 硬件设计

本项目通过北斗ATGM336H-5N 模块实现实时卫星定位、通过MKB0706 模块实现心率及血压的测量、通过GY-MCU90615 红外体温模块实现体温测量，并通过HC-05蓝牙模块将监测数据传送至自主研发设计的“易生活”APP。以下将对每个检测系统做详细介绍。

2.1 红外体温检测系统

本系统采用的模块GY-MCU90615 是一款非接触温度检测模块，电路如图3所示。工作电压为3～5 V，功耗小、体积小。其工作原理是通过单片机读取红外温度数据，串口（TTL电平）通信方式输出［3］。笔者设置串口的波特率为9 600 bps，设置询问输出方式，可适应不同的工作环境。

图3 红外体温检测系统电路图Fig.3 Circuit diagram of infrared temperature detection system

2.2 心率、血压检测系统

本系统采用自适应心率、血压监测方案，电路如图4所示，主要由YKB1712 脉搏血压传感器芯片搭配HRB6708脉搏芯片和算法芯片SFB9712来实现自适应的心率血压，提高准确度和适应性。心率传感器芯片采用光电式容积脉搏波描记（PPG）的方式感应人体的脉搏信息并加以提取，通过脉搏芯片HRB6708和算法芯片SFB9712输出心率、血压、脉搏波等串口信号。血压方案主要通过PPG（ECG可以定制）特征认知、跟踪对比监测用户的血压变化趋势［4］。

2.3 GPS定位系统

本系统通过ATGM336H-5N模块，可以实现对全球卫星定位系统：美国GPS定位系统的访问，电路如图5所示。GPS 定位系统是以全球24 颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统［5］。系统在制板时没有对GPS 添加控制开关，打开拐杖电源自动启动GPS 定位，原因是GPS 与卫星相连需要大约1 min的时间，反复开关用户体验就会很差［6］。

图5 GPS定位系统电路图Fig.5 Circuit diagram of GPS location system

2.4 数据传输系统

数据传输系统位于多功能拐杖的拐身，它以单片机和蓝牙HC05模块为主，整个装置由数据采集、传送、接受3个部分组成。采集部分由传感器、信号放大器、A/D转换电路、单片机、存储器、串口通信等构成；传送部分利用天线进行数据的无线传输；末端通过无线模块、串口通信传送数据［7］。系统通过蓝牙数据传输实现拐杖与手机APP的互动，蓝牙传输系统见图6。

图6 蓝牙传输系统电路图Fig.6 Circuit diagram of Bluetooth transmission system

3 软件设计

系统微处理器采用K60单片机，编程采用模块化设计，系统程序由主程序和一系列的子程序构成［8］。主程序负责系统的初始化及各子程序的调用。各子程序包含有红外体温检测、心率及血压检测、GPS 定位、“易生活”APP等程序。

3.1 红外体温检测程序

先将要用到的部分进行初始化，包括模数转换部分、液晶显示部分以及中断函数部分；随后设置合适的中断函数参数；利用串口接收中断获取体温数据，并将数据显示于OLED 液晶屏上；另外判断APP是否发送指定指令，若有，将血压、心率数据添加校验位后发送给APP［9-11］。红外体温检测程序流程图如图7所示。

图7 红外体温检测程序流程图Fig.7 Flow chart of infrared temperature detection

3.2 心率及血压检测程序

先给血压心率模块发送一组校准码，等待模块校准结束后发送的校准结果，并对校准结果进行判别，判断模块是否校准完成，若是，向模块发送查询请求，收到测量数据后提取相关数据；再做一个脱落判断，判断模块是否还放置在手腕皮肤处，若没有脱落，将测量数据进行保存和显示。判断APP 是否有发送相关指令，若有，将测量数据添加校验位后发送给APP，心率血压检测程序流程图如图8所示。

图8 心率、血压检测程序流程图Fig.8 Flow chart of the monitoring of heart rate and blood pressure

3.3 GPS定位程序

先对串口进行初始化，随后判断GPS 是否已与卫星连接，若已连接，通过串口接收模块测得的数据，并通过校验位提取出时间和经纬度坐标，并显示在OLED 液晶显示屏上。判断APP 是否发送有相关指令，若有，将测量数据添加校验位后发送给APP。GPS定位程序流程图如图9所示。

图9 GPS定位程序流程图Fig.9 Flow chart of GPS location

3.4 “易生活”APP

本项目利用Android Studio开发了拐杖配套手机APP。UI界面包括欢迎页和主页面。使用JAVA语言编写了蓝牙相关程序，在主页面添加了“搜索蓝牙设备”、“蓝牙设备配对”“、发送数据”和“接收数据”。APP与拐杖蓝牙模块配对连接，随后APP发送指定指令A给拐杖，拐杖接收到该指令后将血压、心率、体温数据发送给APP，APP接收数据后对数据进行处理（识别标志位）并将不同的数据显示在其相应的位置上；APP发送指定指令B给拐杖，拐杖接收到该指令后将经纬度数据发送给APP，APP接收数据后对数据进行处理（识别标志位）并根据经纬度信息在地图上显示相应位置［12］。部分功能界面如图10所示。

4 结语

本项目组在研究目前市场上常见的智能拐杖基础上，通过机械结构和结构力学分析，进行了一定程度的改良，并在相应的位置上增加了检测生理信号的传感器，将生理信号的检测功能融入其中也属于本拐杖的创新点之一，相对于目前市场上已有的多功能拐杖来说，除常规生理指标的检测功能的实现以外，增加了更多实用的功能，如实现短信数据传输、收音、GPS 定位等［13］。各项功能保持长时间的准确度和低耗能也是本拐杖的又一创新点，在电路设计上最大电流不超过8 mA；电源目前采用2 节锂电池供电，低电压保证了老年人人身安全。整个拐杖功能位置上设计采用部分集中，将大部分功能汇集在一起［14］。同时根据老年人自身特性，将功能位置设计得更加简单，极大限度地避免老年人因记忆力衰退而导致误操作［15］。

图10 “易生活”APP功能界面Fig.10 Function interface of"easy life"APP