慢性疾病预警智能定位手环设计*

2020-05-07乌亚晗赵正瑞周会涛刘佳璐陈兴文

山西电子技术 2020年2期

乌亚晗，张芮,赵正瑞,周会涛,刘佳璐,陈兴文，刘燕

(大连民族大学信息与通信工程学院，辽宁大连 116605)

我国已进入老龄化社会，大多数老人由于子女工作繁忙或异地工作，常常处于独居养老状态。慢性疾病是影响老人生活质量的首要因素，其中心肺疾病被称为头号杀手。如何解决独居老人心血管慢性疾病的实时监测问题,实现生理与起居状态被家人及社区了解是极其必要的。这也是系统设计的灵感和初衷。

1 系统总体设计需求

针对老年人心肺慢性病特征和独居养老起居问题，本装置设计需从以下几个方面考虑设计需求：

1) 心肺生理参数采集传感器选型，要考虑集成化、小型化和信号输出的稳定性，尽量避免出现数据误报等情况；

2) GPS定位与GSM数据发送模块选型，利用GPS定位和GPRS数据传输的不同模块的传统方式不仅增加成本，而且体积较大、不利于便携，因此要考虑GPS与GSM的集成模块设计；

3) 生活起居状态监测传感器选型，传统的实现方式采用3轴加速度计，这只能实现防摔倒检测，但是对老人日常锻炼身体时的姿态监测是不全面的；如果采用六轴传感器可以更准确监测着地方式、着地力、摆动角度、步幅、步频等参数，可以辅助指导老人日常锻炼。

2 系统整体设计方案

根据设计需求，系统主要由STM32单片机、串口扩展模块、血氧浓度采集、六轴姿态感知传感器、GPS与GSM集成模块(SIM868模块)、人机接口(LCD显示、键盘)、电源供电管理模块(包括充电电路)等部分构成。当人机接口发出系统启动命令，STM32便发出状态数据采集指令；当采集到的数据异常，便发出指令通过SIM868模块发给手机上告知家人或者社区管理人员。由于SIM868和血氧饱和度测量模块都要用到串口资源，故为STM32设计串口扩展功能。系统结构框图如图1所示。

图1 系统整体设计框图

3 硬件设计

本系统硬件以STM32F103单片机为控制核心，充分利用SIM868模块集成了GPS和蓝牙功能，实现系统语音、短信、GPRS数据传输、蓝牙数据传输和GPS定位等功能，利用血氧饱和度和六轴传感器实现人体生理与起居状态数据检测。下面就SIM与单片机接口、串口扩展和血氧饱和度及六轴传感器模块的硬件设计作具体介绍。

3.1 串口扩展模块接口设计

为了能够同时满足对GSM数据和GPS数据的收发操作，需要对STM32最小系统进行串口扩展。目前，通用的串口扩展主要有软件和硬件两种实现方法。其中软件实现存在着通信频率低和采样次数少的问题[1]。出于本系统数据通信设计需求，采用硬件扩方式。在这里选用成都国腾微电子公司出品的GM8123芯片来实现硬件扩展。该芯片可以将一个全双工的标准串口扩展成3个标准串口，并能通过外部引脚控制串口扩展模式。在单通道工作模式时，指定一个子串口和母串口以相同的波特率单一的工作；在多通道工作模式时，也可以让所有子串口在母串口波特率基础上分频同时工作。母串口和子串口的工作波特率可由软件调节，而不需要修改外部电路和晶振频率。具体扩展接口如图2所示。

图2 串口拓展接口电路

3.2 SIM868模块接口设计[2]

为实现将位置信息和慢性病人生理与起居参数上传远端，选用SIMCOM(希姆通)公司生产的SIM868模块设计。该模块除了支持短信、电话、GPRS、DTMF、TTS、HTTP、FTP、彩信、邮件这些功能外，还支持高性能全球定位系统，支持GPS、北斗和GLO三大定位系统，及免费提供支持基站定位。模块电源可采用DC-DC和USB模式供电。模块的GSM串口和GPS串口都设计了电平转换电路，兼容TTL串口。模块中的GSM、GPS、蓝牙天线都进行了阻抗控制。

3.3 血氧饱和度模块接口设计

血氧饱和度是反映血液中血氧浓度的指标，可直接掌握全身氧和状况。连续监测血氧饱和度可早期发现随时出现的低血糖症，以避免因为缺氧造成身体损伤甚至死亡。通常的血氧数据采集方式大都分为两种，一种是心电图监测，另一种是通过血液的光感反应(PPG监测)。心电图监测所需的监测工具相对比较大，不适合实现家庭实时监测[3]。

PPG的监测的是通过光感监测，利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏和血氧饱和度测量的。其使用的传感器由光源和光电变换器两部分组成，通过绑带或夹子固定在病患的手指、手腕或耳垂上实现测量。当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血，容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时利用皮肤对光的反射或透射来评价皮肤血流灌注度有关信息的方法，实现血氧饱和度监测。血氧饱和度越高，表示新陈代谢也会更好。本系统采用深圳石谷棠科技生产的血氧测量探头，其接口为串口。

3.4 六轴传感器采集单元接口设计

这里采用MPU6050六轴传感器主要是为了实时地检测人体活动状况。芯片内部集成了一个三轴MEMS(微机电系统)陀螺仪、一个三轴MEMS加速度计，以及用于数据输出的I2C总线。加速度(Acceleration，ACC)信号一方面可以感知人体动态动作和行为随时间变化的速度及空间轨迹信息；另一方面也可以获取人体静态行为和动作相对于参考平面的角度倾斜信息。因此，可以利用MPU6050传感器进行人体动作和行为的感知和识别。CPU要获取人体运动状态信息时，首先启动I2C总线和初始化MPU6050后，才能获取MPU6050监测人的起居转移状态。其单元接口电路如图3所示。

图3 六轴传感器采集单元接口设计

4 软件算法设计与实验数据分析

系统软件设计包括SIM868模块工作模式(GPS与GPRS数据获取与传输交换)、血氧饱和度、六轴加速度等功能模块设计。这里着重讨论六轴加速度在跌倒检测方面的软件设计。

4.1 基于阈值的跌倒检测

经过实验分析，检测当前合成加速度是否大于阈值2.5 g，若小于2.5 g，则返回继续采样测量；若大于2.5 g，则认为疑似跌倒；若检测到疑似跌倒，延时3s，进入二次判断，检测人体角度是否在阈值范围内。若在这个范围持续保持在3s以内，则可以判定为老人跌倒。此时打开GPS定位信息，将报警信号通过SIM868模块发出。