基于STM32可穿戴式老人摔倒及其生理检测系统设计

摘 要：老人摔倒与健康已成为社会关注的热门话题，为了更加有效获取老人的身体状态信息及减少摔倒而没有得到及时救治带来的危害。该文介绍一套能便于实时监测老人生理状态的可穿戴的医疗系统。该系统以STM32作为主控芯片，其主要功能包括了老人摔倒检测、体温检测、心率检测、MP3音乐播放、GSM通信、GPS定位、语音对话、查看信息、OLED显示以及GPS-APP定位查询等功能。

关键词：ADXL345 摔倒检测 GSM通信

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（b）-0048-02

随着我国人口老龄化的逐步加剧和期望寿命的延长，老年人的健康安全问题成为当今社会首要解决的问题。尤其是当老人独处或外出在无人陪伴的情况下，解决老年人的行动安全及医疗保健问题逐渐成为热门的研究领域。因此，设计一套可穿戴的老人摔倒及其生理检测的医疗系统具有重要意义。

1 老人摔倒及其生理检测系统的整体设计和原理

1.1 系统控制器

该系统的控制器是基于ARM Cortex-M3内核的STM32芯片设计，并将控制器的功能分为以下几种。ADXL345模块、心率模块、脉搏模块、热敏模块、GSM模块、GPS模块、OLED显示屏模块、MP3模块、ADC模块、蜂鸣器模块。其硬件结构框图如图1所示。

1.2 系统工作原理

1.2.1 ADXL345摔倒检测

此功能通过STM32 I2C与ADXL345通信。

ADXL345具有两个可编程的中断引脚（如图2）：INT1和INT2。以及Data_Ready、Single_Tap、Double_Tap、Activity、Inactivity、Free_Fall、Watermark、Overrun，共计8个中断源。在本系统中只用了Free_Fall、Activity、Inactivity3个中断源，其他不做介绍。

Free_Fall中断：当加速度值低于一定门限（THRESH_FF可设置为0.75 g）并且持续超过一定时间（ TIME_FF可设置为25 ms）时，Free_Fall中断置位，该中断可用于检测失重。

Activity中断：当加速度值超过一定门限（THRESH_ACT可设置为2.1 g）时，Activity中断置位，该中断用于检测撞击。

Inactivity中断：当加速度值低于一定门限（THRESH_

INACT可设置为0.1876 g）并且持续超过一定时间（TIME_INACT可设置为3 s）时，Inactivity中断置位，该中断用于检测静止。

1.2.2 MCP6004心率检测

MCP6004是个具有1 MHz增益带宽积和90°相位容限（典型值）并支持轨到轨输入输出的四路运算放大器。它将脉搏传感器采集到的心率信号经过信号放大，从而给STM32单片机获取，STM32再通过其自身的捕获功能，捕获每一次的高低电平并记录，从而实现心率的检测。由定时器来进行计数功能，最终将测量数据显示于OLED显示屏上。

1.2.3 NTC热敏电阻温度检测

当人体皮肤接触热敏电阻时，电阻阻值的变化转化为电压的变化，STM32中的AD通过采集电压值的变化再通过算法转化为实际的人体体温。

1.2.4 GSM通信与GPS定位

该系统应用的GSM芯片是SIM900A，通过串口2与STM32通信，实现短信报警、体温与心率短信通知、一键求救、以及通话等功能。

GPS是通过串口4与STM32通信，实现功能是定位老人当前位置并通过短信发送给家属。

1.2.5 FLASH存储手机号码

STM32的FLASH有16-1024KB不同容量，但是用于存储手机号码已经足够。当系统接收到修改手机号码指令时，系统将会替换原来的手机号码。而当发送短信时，GSM会自动提取FLASH中的手机号码，从而发送短信到指定号码。

1.2.6 OLED显示屏

该系统的OLED主要是实现系统界面，分别有手机号码、温度、心率、MP3播放模式、定位信息显示等等。

2 老人摔倒及其生理检测系统的硬件平台设计

该系统主要涉及到的硬件部分包括STM32F103ZET6系列芯片、三轴加速度ADXL345、MCP6004、SIM900A、GPS、热敏电阻、SD卡、VS1053音频解码、OLED显示屏。

2.1 STM32F103ZET6系列芯片

STM32F103ZET6系列芯片具有64KB SRAM、512KB FLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、3个SPI、2个I2C、5个串口、1个USB、1个CAM、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口以及112个通用I/O口[2]。

2.2 三轴加速度ADXL345

ADXL345是ADI公司推出的基于MEMS技术的三轴、 数字输出加速度传感器。ADXL345具有+/-2 g，+/-4 g，+/-8 g，+/-16 g可变的测量范围；最高13bit分辨率；固定的4 mg/LSB灵敏度；3 mm*5 mm*1 mm超小封装；40～145 uA超低功耗；标准的I2C或SPI数字接口；32级FIFO存储；以及内部多种运动状态检测和灵活的中断方式等特性。所有这些特性，使得ADXL345有助于大大简化跌倒检测算法，使其成为一款非常适合用于跌倒检测器应用的加速度传感器[3]。

2.3 MCP6004

MCP6004运算放大器是专门为各种通用应用设计的。支持轨到轨输入输出，它的共模输入电压范围为VDD+300 mV～VSS-300 mV，电压的提供范围为1.8 V～5.5 V。

2.4 SIM900A

通信芯片采用SIMCom公司的新型紧凑型产SIM900A，它属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，性能稳定，外观精巧，性价比高，并且能够满足用户的多种需求[4]。

该系统STM32单片机与SIM900A通过UART2进行通信，实现短信的收发和电话通信。

2.5 VS1053音频解码

VS1053是继VS1003后荷兰VLSI公司出品的又一款高性能解码芯片。该芯片可以实现对MP3/OGG/WMA/FLAC/WAV/AAC/MIDI等音频格式的解码，同时还可以支持ADPCM/OGG等格式的编码，性能相对以往的VS1003提升不少[2]。

2.6 OLED显示屏

OLED，即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode），又称为有机电激光显示（OrganicElec

troluminesence Display，OELD）。

2.7 电源部分电路

该系统工作电压为5 V，考虑到其大小问题，使用3.7 V电池，由升压电路提供工作电压。

3 老人摔倒及其生理检测系统上位机设计

整个系统的程序设计由Keil5软件编写，主要的函数有模块初始化、函数的调用等。如OLED_Init（）、LED_Init（）等等。

4 结语

经过测试，该套系统完美地实现了各个预期功能。多而不杂的应用功能各司其职，改进的电路设计减少了各模块之间的干扰，完善的程序设计使得系统更加稳定。本系统具有功能多、操作简单、使用方便、实用性高、价格便宜等优点，适用于独处、外出无人陪伴的老年人使用，大大减轻了子女对独处老人的担忧。

参考文献

[1] Porteus J，Brownsell S J.Exploring technologies for independent living for older people[R].A report on the Anchor Trust/BT Telecare Research Project，Anchor Trust，2000.

[2] 刘军，张洋，严汉宇.原子教你玩STM32（第1版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013：5-6，467-468.

[3] 李强，郭兴，王春山.基于ZigBee PRO的低功耗远程医疗监护系统[J].中国医疗设备，2012，27（2）：28-30.