浅谈社区老年人健康管理系统设计与实现

杨林，纪小敏，张新锋

（东营职业学院，山东 东营 257091）

根据国家统计局发布的人口数据，截至2018 年年底，我国60 周岁及以上的人口达到2.49 亿，占总人口的17.9%。由于老年人身体机能下降，抵抗力差，容易出现一些意外状况，特别是对独居老人和空巢老人更容易造成安全隐患。基于此我们设计了一款基于社区老年人的健康管理智能系统，借助移动通信技术，亲属能够远程实时查看老人的身体健康参数，有效避免老人受到意外伤害。

1 整体设计方案

本设计主要包括两个组成部分：手机APP 和智能手环，其中智能手环具有三项功能：一是通过MKB0805 传感器实现对老人心率、血压的监测与上传；二是能够实时定位老人的位置，并且能够查看老人24 小时内的活动轨迹，防止老人丢失；三是一键SOS 求救，老人如果遇到特殊情况可一键拨打预先设置好的亲情号码。而对于手机APP 端则主要是对老人的生理健康参数以及活动位置进行查看。系统原理框图如图1 所示。

图1 系统原理框图

2 硬件电路设计

本文以STM32F103C8 单片机为核心，将MK0803 传感器固定在手腕处，实现对老人心率、血压的测量，同时将采集的数据实时显示在OLED 显示屏上，如果采集到的数据超过规定的阈值则会向预先设置好的亲情号码发送短信，另外，GPS/GPRS 电路则实现定位、移动通信、通话等功能。

2.1 心率血压测量电路

图2 PPG 反射式光电监测原理

本文对心率血压的监测采用光电容积脉搏波描记法（Photo-Plethysmography PPG)，PPG 是一种监测血液在毛细血管中变化的方法。在毛细血管中，氧合血红蛋白吸收绿色光（波长400 ～550 纳米）的能力比其他光强，因此，人的血液看起来是红色的。我们可以观察到PPG 通过非侵入方式用LED（发光二极管）照射皮肤下的毛细血管，采集光电二极管（PD）的输出电压实现对心率、血压的估算，如图2 所示。

每次的心脏跳动血液都会流过毛细血管。这种流动是血管容积改变的主要因素，因此，PPG 是一种类似于心电的生物信号。那么这个周期就反映出心率信息（图3）。因此，通过检测PPG 信号中的基频来估算心率。

图3 光板容积标记法

脉搏波信号在人体中传播时是有一定速度的，它到达人体的不同位置时就会存在一定的时间差，我们称为脉搏波传输时间PTT。如果我们知道脉搏波的传输距离和对应的传输时间，那我们就可以计算出它的传输速率。又因为脉搏波的传输速率与血管内的血压大小存在一定的关系，因此，通过PPG 得到PTT 再计算出脉搏波传输速率，最后根据传输速率就可以间接的计算出血压值。

本文中心率血压监测方案主要由1 颗YK1801 脉搏传感器芯片、1 颗模拟前端MN8802脉搏芯片和1 颗SFB9712 算法芯片组成，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，通过模拟前端芯片MN8802 和算法芯片SFB9712输出血压、心率等串口信号，心率血压监测方案框图及电路图如图4、5 所示。

图4 心率血压监测方案框图

图5 心率血压监测方案电路图

2.2 定位与通信电路设计

与其他导航系统相比，GPS 定位卫星不仅具有高精度、全方位的特点，而且成本低廉，定时精确，因此采用此种定位方案。本文中GPS 的功能是实时获取老人的经纬度信息，并将获取额的信息发送个Android 客户端，防止老人丢失。

GPRS 具有传输速率高、资源利用率高、接入时间短、永远在线、收费合理等技术优势。本文数据量较小，GPRS 的传输速率已经足够满足系统需求。本文中GPRS 主要实现智能手环与Android 客户端之间的数据传输，并且Android 客户端会对数据的有效性进行判断，如果数据有效则按照设定的数据范围进行判断，若超出正常范围则控制手机振动或者响铃进行提醒。本文采用的SIM808 是由SIMCOM 推出的四频模块，全球可用。含有TTL 电平接口等接口，能够实现发短信、打电话、GPRS 传输数据、GPS 等功能，其电路图如图6 所示。

图6 定位与通信电路图

2.3 电源配置

本次设计采用的主控芯片STM32F103，其供电电压在2～3.3V，SIM808 供电电压为4.8 ～5.2V，心率血压电路采用5V 电源输入，因此使用5V 锂电池供电，系统可以稳定工作。另外，为了产品的使用时间和续航，本次使用的锂电池为可充电锂电池，同时，为了使主控芯片正常工作需要对5V进行降压，具体电路如图7 所示。

图7 电源电路图

3 软件设计

Android 客户端软件不仅可满足手环佩戴者使用，而且可供远端亲属查看数据。手机APP 通过GPRS 数据传输网络接收手环发送的数据，同时对数据的有效性进行判断，如果数据有效则按照设定的数据范围进行判断，若超出正常范围则控制手机振动或者响铃进行提醒。

对于用户来说，更倾向于具体的可视化数据，能够通过图形或者曲线变化反应数据变化更能够减少用户获取信息的负担，因此在设计APP 时，通过算法将数据以二维曲线的形式动态绘制出来。本次设计在用界面选用贝塞尔曲线图，接收到心率数据后进行动态更新，变化情况非常直观，效果图如图8。

图8 APP 端动态绘图效果

4 系统功能测试

受试者佩戴手环，打开智能手机APP，并和手环建立连接，接收手环数据更新UI 图线界面，显示心率、血压情况，并显示当前位置，如果出现心率、血压异常，则手机振动响铃提醒，测试结果如图9 所示。

图9 测试图

5 结语

为了实时监测社区老年人的身体健康参数，本文设计了一款健康管理系统，该系统主要包括手机APP 和智能手环两部分，其中手环以STM32 为控制核心实现对老人心率、血压的监测与上传，并且能够实时定位老人的位置，防止老人丢失，再者如果老人遇到特殊情况可一键SOS 求救拨打预先设置好的亲情号码。而对于手机APP端，则主要是对老人的生理健康参数以及活动位置进行查看。测量结果表明，该系统不仅能准确测量出佩戴者的身体生理参数，而且实现了GPS 定位和通话功能，初步达到了预期研究目标，具有良好的社会意义与应用价值。