老年人心率异常及意外跌倒及时报警系统的设计

周涵　涂嘉翔　朴雪

摘要：该项目基于Android的移动应用开发，采用Java和嵌入式开发等技术，充分利用移动设备的普及性并结合可穿戴设备来解决老年人身体健康呈异常状态或发生意外跌倒时的监测与报警问题。在解决上述问题的过程中，报警系统做出及时反应，从而避免老年人病情恶化，实现医疗的移动化和便利化。

关键词：移动应用开发;老年人;可穿戴设备;意外跌倒;报警系统

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）06-0060-03

1 背景

1.1 课题研究背景及意义

目前，我国人口老龄化程度日益严重。据国家统计局2019年1月21日公布的2018年统计数据，截至2018年年底，我国60周岁以上老年人口达到2.4亿人，占总人口比重17.9%[1]。随着全国城镇化速度的日益加快，越来越多的年轻人选择进城务工，而造成的问题即留守老年人数量越来越庞大。当老年人独自在家时，意外跌倒、心率异常的现象时有发生。问题严重时，特别是当老年人失去意识或行动能力又很难被别人及时发现时，甚至可能会产生生命危险。因此，研发一套能够及时、准确地判断老年人心率异常及意外跌倒报警系统是非常重要的。

通过对上述要求进行了详尽的研究，设计了一种基于STM32单片机的可穿戴设备，并结合手机等移动设备，通过在可穿戴设备内置加速度传感器、陀螺仪和脉搏传感器，当老年人跌倒或者心率异常时能够自动判断异常并通过移动设备快速发送报警信息给紧急联系人，使得老年人能及时地得到医疗救助，从而最大可能地降低上述意外对身体的伤害。

1.2 国内外研究现状

现在国内外主流的老年人心率异常及意外跌倒报警系统主要依靠的还是患者自己或者当发生紧急情况时，患者本人通过无线对讲系统联系他人，向他人报警。利用无线对讲系统进行报警具有可靠性高、自动化程度高等优点，但是却忽略了一个很重要的问题，很多未能得到及时救助的老年人往往是因为自身身体状况的原因不能够自主地按下操作按钮、进行对讲并准确地告诉医护人员自己的具体位置[2-3]。随着科学技术的不断发展，智能手机普及率越来越高，其搭载的模块也越来越多，这为项目研究提供了很好的研究平台。

1.3 本文研究的主要内容

在本系统中：智能手机通过其内置的蓝牙模块连接可穿戴设备，连接成功后接收可穿戴设备传输的数据并对数据进行判断，发生异常时立即调用手机的GPS模块得到具体的位置信息，并将具体的位置信息和相关的生理参数通过短信或电话等方式发送给提前预设的紧急联系人，为病人争取更多宝贵的抢救时间。在未来，还能进一步地完善智能手机端的App，拓展出更多的功能。

本研究在综合了传统报警系统与现代物联网技术优势的基础上，设计了一种装置小巧，佩戴方便，能通过手机发出求助信息的智能报警系统。

2 报警器工作原理

2.1 跌倒报警工作原理

老年人因为身体失去平衡而跌倒，在跌倒的一瞬间，人体受重力的作用，身体姿态发生改变，在跌倒方向会有向下的加速度，为了简化人体在跌倒时重力、加速度和姿态的变化，将人体分为三轴，前后为X轴，左右为Y轴，上下为Z轴，人在运动的过程中，加速度传感器的坐标系也会随着人体姿态的改变而改变，此时加速度急剧变化，将会超过阈值，为了减少运算的复杂性，消除不同方向加速度坐標的映射问题，这里引入合加速度：

2.2 心率异常检测原理

老年人在心率异常时会直接影响脉搏，通过测量脉搏可以准确地判断出老年人的身体健康状况，常见的检测脉搏的方法有电极式、压力式和光电式心率传感器，其中电极式心率传感器需要黏性电极来传导心电信号，由于黏性电极上的电解导电凝胶容易引起接触性皮炎，与设计理念不符，不适合长期佩戴。压力式心率传感器构造简单，但是体积过于庞大并且测量精度低，不符合要求，故最终采用光电式心率传感器。光电式心率传感器的输出信号为模拟信号[4]，经过单片机模数转换后得到的数据如图1所示。

3 及时报警系统设计与实验

3.1 系统结构

老年人心率异常及意外跌倒即时报警系统框图如图2所示，它由STM32单片机、光电心率传感器、加速度传感器、蓝牙模块和智能手机组成。光电心率传感器和陀螺仪主要收集心率和三轴加速度的原始数据，原始数据经过STM32单片机分析处理后决定传感器是否发出警报，报警信息通过蓝牙传输至智能手机，智能手机调用GPS模块得到具体位置后将位置信息发送给紧急联系人和医疗机构。

3.1.1 STM32F103开发板

开发板是整个系统设计的核心，以STM32F103为核心的单片机系统的硬件电路设计主要包括以下四个部分：时钟电路、电源电路、复位电路和SWD接口。其中各个部分的功能如下：1）时钟电路给单片机提供一个外接16 MHz的石英晶振;2）电源电路为单片机提供一个5V的直流电源;3）复位电路为单片机提供一个复位的电平信号;4）SWD接口主要用于程序烧录程序与调试。

3.1.2 蓝牙通信模块

蓝牙模块主要负责单片机和手机之间的通信连接，HC-05是一款经典的主从一体蓝牙串口模块，集成度高，体积小，最大通信范围15米，串行通信时使用简单，能满足项目的要求。使用时将TX对应连接单片机的USART_RX，RX对应连接USART_TX，配对后进入从机模式即可传输数据[5]。

3.1.3 心率传感器

心率传感器测量采集心率信号，信号经过加工处理后得到具体的心率，PulseSensor心率传感器是一款模拟信号传感器，引脚定义分别为GND、Vcc和S，GND为接地端，Vcc为3.3v电源接口，其中S输出模拟信号，模拟信号反映了血容积的变化，根据血容积变化就能够判断出一次心跳[6]。

3.1.4 加速度传感器

加速传感器主要用来测量各个方向上对应的加速度，MPU6050[7]是一款六轴加速度传感器，输出信号为数字信号，主要用到其中四个引脚，除去Vcc和GND，还有两个引脚为SCL和SDA，分别是串行时钟线和串行数据线，连接到单片机的I2C接口，作为从设备。

3.2 系统程序软件设计

系统软件设计主要由两个部分组成：单片机系统程序设计和手机软件设计。单片机系统程序主要处理来自两个传感器的信号，判断佩戴者的生理信号是否正常，在信号异常时及时地将异常发送给智能手机。

3.2.1 单片机程序设计

单片机开机时首先要对μOS和单片机硬件平台进行初始化，若初始化失败则重新进行初始化，初始化成功后将创建两个主要任务，分别为Task_Maibo和Task_Fall，最后启动OS内核，主程序流程图如图3所示。全部初始化成功后，两个主要任务开始运行，其中Task_Maibo主要负责心率的监测，每两分钟进行一次测量，如果发现异常时接着会再进行一次测量，来确认是否存在测量干扰，排除干扰后确定心率异常时就会立即将心率信息发送给手机。Task_Fall负责跌倒检测，当合加速度超过设定阈值时就会立刻调用Task_Maibo测量心率异常时发送跌倒信息和心率信息至手机，并在接下来的一段时间内继续检测合加速度以确定状态，没有任何变化时表明老年人跌倒且无法正常活动，同样的会发送跌倒信息至手机。信息通过HC05蓝牙模块以文本模式发送至手机，文本模式发送消息简单，代码容易实现，一共有三种类型的文本消息，分别是：1）心率异常消息，一共5个字节，前两个字节为消息类型标识符，是00;后三个字节为心率信息。2）跌倒心率异常消息，一共有八个字节，前两个字节为消息类型标识符，为01;后三个字节位心率信息。3）跌倒消息，只有两个字节，标识符10。

3.2.2 手机软件设计

手机软件界面UI的登录界面由两个标签、两个文本框和一个按钮组成，医护人员在登录界面分别输入用户名和密码完成登陆，手机App通过移动网络连接服务器，并访问数据库比对信息，即判断该数据库中是否存在该用户，若用户名存在则验证用户登录密码是否正确，若登录密码不正确则提示用户重新输入密码，密码验证正确后进入手机App主界面。主界面由三个按钮组成，分别是连接、断开和设置按钮，点击连接时，系统打开蓝牙开关并自动连接可穿戴设备，若连接失败则提示“设备连接失败，请检查相关的蓝牙设备”，连接成功则提示连接成功。点击断开时则关闭手机蓝牙，并提示断开成功[8]。

单片机通过蓝牙模块连接手机，手机将单片机采集来的数据进一步上传到服务器进行比对，在后台数据接口时判断数据是否达到阈值，若超过阈值则弹出提示信息，并调用手机的GPS模块获得准确的位置信息，并将老年人的生理数据和位置信息发送给紧急联系人和相应的医疗机构。通过webservice连接至手机App后台，后台连接以及预先安置在服务器上的数据库，通过webservice对数据进行处理，后台提供接口给手机App客户端，安卓用json解析展示到界面上[9]。

3.3 实验

为了验证设计的有效性，搭建了实验样机，实验次数一共60次，检测心率30次，其中28次准确，实验数据对比如图4所示。跌倒测试20次，干扰10次，一共报警23次，真正跌倒报警次数20次，干扰报警3次。通过对样机的实验，说明了样机的有效性，能够在一定程度上反映报警系统的有效性，但是样机在跌倒测试中对干扰的辨别效果不佳，应该增大跌倒加速度报警阈值，另外，系统还是存在一定的欠缺：1）没有利用智能手机内部的加速度传感器结合可穿戴设备进行联合检测;2）由于时间有限，实验数据相对少，后期可增加实验频次以提升检测设备的可靠性。

4 结束语

本文针对老年人意外跌倒和心率异常所带来的严重问题，研发了一种基于老年人跌倒和心率异常检测报警的综合系统，解决了老年人发生此类危险而不能及时得到救助的问题，為抢救提供了宝贵的时间。本系统结合了现代的智能手机，使得可穿戴设备的体积大幅度减小，穿戴更加方便舒适，适合于经常单独活动的老年人，有着非常广泛的应用前景和市场。

参考文献：

[1] 任泽平，熊柴，周哲.中国生育报告2019[J].发展研究，2019（6）：20-40.

[2] Bonafide C P，Lin R，Zander M，et al.Association between exposure to nonactionable physiologic monitor alarms and response time in a children's hospital[J].Journal of Hospital Medicine，2015，10（6）：345-351.

[3] 陈春女，周若敏，刘青梅，等.对讲机在基层医院护理临床工作中的应用[J].实用临床护理学电子杂志，2017，2（49）：167.

[4] 徐丽，师卫，赵梁.基于PSoC的汽车防盗报警系统设计[J].传感器与微系统，2013，32（2）：119-121.

[5] Raza S，Misra P，He Z T，et al.Bluetooth smart：an enabling technology for the Internet of Things[C]//2015 IEEE 11th International Conference on Wireless and Mobile Computing，Networking and Communications （WiMob）.October 19-21，2015，Abu Dhabi，United Arab Emirates.IEEE，2015：155-162.

[6] 朱大清，王培勇，张新贵，等.可穿戴式心率传感器模块的优化应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2018，18（12）：44-47.

[7] 卓从彬，杨龙频，周林，等.基于MPU6050加速度传感器的跌倒检测与报警系统设计[J].电子器件，2015，38（4）：821-825.

[8] 陆志平，胡晨骏. Android应用交互及任务栈处理[J].计算机系统应用，2017，26（7）：238-244.

[9] Sirotkin A.The Java API to Android's telephony stack[EB/OL].[2020-04-16].https：//www.researchgate.net/publication/262398757_The_Java_API_to_Android%27s_telephony_stack.

【通联编辑：谢媛媛】