老年人健康检测系统的设计

能明凯，周广明，赵伟，赵立岭

（德州学院物理与电子信息学院，德州253023）

0 引言

随着我国人口老龄化的不断加剧，老年人健康问题已成为一个大家关注的社会问题。作为一个人口大国，我们的养老资源很难满足数目庞大的老年人需求，居家养老在未来较长一段时间内仍是老年人的首选方式。为预防疾病，保障健康，定期体检对老年人来说是非常重要。我国大部分地区都对老年人建立了健康档案，定期让老年人去检测中心或派医护人员登门进行体检，这要消耗大量人力、财力，在农村、山区尤其明显[1]。另外，定期检查周期较长，不利于一些疾病的预防和及及时治疗。特别是一些患有慢性疾病的老年人，更需要经常检测以便及时掌控健康状况的变化。

针对居家养老期间对身体健康状况进行及时检测的需求，我们设计了老年人健康监控系统。该系统能方便、快捷地检测血压、心率、血氧、体温等常规体检生理指标，通过液晶屏显示，当监测值超过正常生理阈值时进行报警提醒，便于老年人自我检测。同时，通过LoRa 传输技术将数据传输至中心医院或社区医护中心，以便医护人员监控并建立健康档案。

1 系统总体结构设计

老年人健康监测系统由单片机最小系统、血压及心率检测模块、血氧检测模块、体温监测模块、无线传输模块、显示报警模块和电源模块等部分组成，如图1所示。系统选用STM32F103C8T6 作为核心控制器，采用云电高科的MKB0803 连续心率血压脉搏波传感器检测血压和心率，血氧浓度由MAX30102 实现，用非接触红外温度传感器MLX90614 快速测量体温。检测数据通过LCD12864 液晶屏实时显示，并经由SX1278 LoRa 扩频无线模块传输至中心医院或社区医疗中心，实现对老年人身体健康的监控。

图1 老年人健康监测系统框图

2 硬件电路设计

2.1 单片机主控模块

STM32 是意法半导体公司生产的32 位Cortex-M3内核ARM 微处理器，其增强型系列STM32F103 广泛用于物联网监控设备[2-3]。STM32F103C8T6 有64K 字节Flash，48 个管脚，多达38 个I/O 口，工作环境温度为-40-85℃，工作电压为2V～3.6V。在本系统中，工作电压设置为3.3V，选用8MHz 和32.768KHz 的晶振器分别产生高速和低速外部时钟信号，采用按键复位方式，电路如图2 所示。

图2 STM32F103C8T6晶振及复位电路

2.2 血压、心率检测模块

云电高科的MKB0803 心率、血压检测模块采用光电式容积描记（PPG）技术，通过感知手腕处血管内血液流动情况，检测相应血压、心率的变化。该模块具有较高的集成度和稳定性，使用了算法MCU，植入了心率、血压算法，可将检测的血压、心率瞬时值直接以串口URAT 信号输出至单片机。在系统设计中，选用5V 电压供电，与STM32F103C8T6 具有URAT 串口通信功能的PA9、PA10 连接，电路如图3 所示。

图3 MKB0803心率、血压检测模块

2.3 体温监测模块

根据热辐射理论，任何温度高于绝对零度的物体都会向周围空间辐射能量，通过检测热辐射能量，可确定物体温度。系统选用非接触红外温度传感器MLX90614ESF，以便快速检测体温。MLX90614ESF 测温范围为-40℃～+85℃，满足人体测温需求，分辨率为0.02℃。MLX90614ESF 有四个引脚，SDA 和SCL 通过2 个10KΩ的上拉电阻作为双向串行总线与单片机STM32F103C8T6 进行通信，工作电压为3.3V，电路如图4 所示。数据以I2C 方式与单片机进行通讯，连接至I2C 端口PB6 和PB7 端口。

系统选择距腕部3cm 的小臂处作为测温点，一方面可与系统在腕部测量血压、脉搏同时进行，便于操作；另一方面，与腕部相比该点裸露相对较少，温度变化波动小。为减少非接触测温过程中外界因素干扰，保护传感器免受污染，设置传感器距皮肤1cm 距离。

图4 MLX90614ES与STM32F103C8T6连接电路

2.4 血氧检测模块

系统血氧检测选用Maxim 公司的MAX30102 芯片，该芯片集成了660 纳米和880 纳米的两个红外光LED，采用光容积法对血液中血氧饱和度进行测量。为提高芯片检测的稳定性和可靠性，将芯片及相关元器件集成在一块模块上。在系统设计中，模块工作电压为1.8V，LED 驱动电压为3.3V。采用I2C 方式与STM32F103C8T6 进行通信，输出信号经2 个10KΩ的上拉电阻连接至单片机另一组I2C 端口PB10 和PB11，电路如图5 所示。

系统选择食指为血氧饱和度测量点，以方便老年人检测。为减小测量过程中外界光线干扰，设置有保护套，只允许食指伸入。

2.5 显示模块

系统选用带中文字库的LCD12864 液晶显示模块，实时显示监测数据。该模块分辨率为128×64，有16×16 点阵汉字，视域尺寸为73×39mm。选用黄绿屏背景，黑色字体，方便老年人观看。模块工作电压为5V，显示数据以并行通讯模式传输至显示屏，PSB 端接高电平，由单片机PB 口输出。PA 口的PA0、PA1、PA2、PA3 分 别 实 施 控 制 功 能。 LCD12864 与STM32F103C8T6 连接如图6 所示。

图5 血氧检测电路

图6 显示电路

2.6 报警模块

为便于老年人对异常结果的掌握，当检测结果超过正常范围时，进行报警提醒。报警提示采用蜂鸣器和发光二极管同时进行，根据检测结果的异常程度，使1、2 或3 个二极管同时发光，分别由STM32F103C8T6的PA8 和PA13～PA15 进行控制，如图7 所示。

图7 报警电路

2.7 无线传输模块

LoRa 无线扩频传输技术由于传输距离远、通信质量稳定，广泛应用于各种远距离监控设备中[4]。本系统无线传输采用安信可LoRa 模块Ra-1，将检测结果传至附近中心医院或社区医疗中心。该模块射频芯片是Semtech 公司的SX1278，工作在433MHz 频段，具有超过-148dBm 的高灵敏度及+20dBm 的功率输出，传输距离可达15Km。该模块采用SPI 方式与单片机进行通信，使用STM32F103C8T6 具有SPI 功能的PA4～PA7端口。模块工作电压为3.3V，连接电路如图8 所示。

图8 LoRa无线传输模块

2.8 电源模块

系统工作需要5V、3.3V 和1.8V 直流稳定电压。选用12V 电池作为电源，经LM7805 三端稳压模块得到5V 电压，再经过LM1117-3.3 和LM1117-1.8 稳压模块得到3.3V 和1.8V 电压，为系统提供电源。

3 结语

血压、心率、体温、血氧是人体重要的生理指标，一些老年人常见的疾病，如心脑血管疾病，在这些指标上有显著的体现。本文设计的老年人健康监测系统，通过合理设置器件位置，分别在食指、腕部、前臂检测血氧/心率、血压和体温，可方便、快捷地检测老年人的常规生理指标。借助LCD12864 液晶屏进行实时显示，便于老年人及时掌握自己健康状况，适时调整饮食起居；检测结果通过LoRa 技术传至中心医院或者社区医疗中心，避免了老年人去体检或医护人员登门检测的麻烦，并大大节省医疗资源，为居家养老提供保障。