范俊成
（浙江纺织服装职业技术学院 机电与轨道交通学院，浙江 宁波）
随着全球人口老龄化问题日益突出，老年人在日常生活中的安全性也受到了越来越多的重视，他们面临着更加严峻的挑战。老人在身边没有看护人员时会出现体温过高、心率失常、意外摔倒甚至走失等问题，让家人担忧的同时对自身的健康也是一种隐患。为了能够实时监测老年人的身体状况，避免上述潜在问题的发生，本研究设计了一套基于STM32 的多体征参数监测系统，该系统分为硬件系统和软件系统两个部分，通过软硬件系统的信息交互达到监测老人实时安全的目的。系统总体结构见图1。
图1 系统总体结构
1.1 主控芯片
为了确保系统能够实时、准确地采集、存储和传输各类信号，本研究提出了一种新型的STM32F407ZG T6 主控芯片，它具有1 MB 内部flash，192+4 KB 的运行内存，并且内含16 MHz 和32 KHz 的晶振，能够适应各种功率的要求，从而使得系统的性能更加优异[1]。
1.2 传感器模块
本研究设计的系统采用了心率传感器、温度传感器、倾角传感器来采集相关信息，通过内部程序判断达到实时监测使用者状态的目的。
1.2.1 心率传感器
MAX30102 是一款集成了ppg 光电容积脉搏波描记法和心率监测仪的生物传感器模块，它可以实时监测手腕处的血氧水平，并将测量结果通过I2C 或UART 接口传输至主控芯片，从而有效地减少了传感器的使用量，节省了主控系统的资源。此外，该模块还具有功耗低、抗干扰能力强等优点，采集到的数据可以准确的反应出使用者的身体状态[2]。
1.2.2 温度传感器
温度传感器主要负责采集使用者所处环境的温度信号以及体温信号，方便判断是否有温度报警的产生。在所有的温度传感器中，DS18B20 具有体积小、适用电压宽、测量范围满足设计要求等优点[3]。其被导热材料包裹并密封与使用者直接接触，利用温度敏感元件的导热性获取温度值。
1.2.3 倾角传感器
老年人因腿脚不便利或其他健康问题，经常会出现摔倒甚至晕倒等情况，极大的威胁了生命安全，所以，通过使用倾角传感器监测老人的身体状态，达到预防的目的。
当身体摔倒时，会出现失重现象，加车速矢量和会显著增加；
而当身体与地板产生碰撞时，加车速矢量和会到达最大，从而可以判断出身体的状态。为了防止因挥手、弯腰等动作触发报警，将加速度增加到出现峰值的这段时间设定时间限定，确保人体状态监测的精确度[4]。摔倒后，人体三个轴向的加速度会发生变化，z 轴接近g，x 轴和y 轴接近0，这些变化量会超过一定的阈值，从而判断为一次摔倒。因此，在摔倒后，应该仔细观察三个轴向的加速度及其矢量和，以确保它们之间的差异不超过阈值，以便及时采取有效的措施来防止摔倒。图2 为倾角传感器实物图及判别流程图。
图2 倾角传感器实物图及判定流程
1.2.4 输入输出模块
为了完善本研究设计的多参数监测系统，除了可以实时监测使用者的身体状况外，还可以通过设置的输入输出模块主动测量心率、血氧、体温，在集成的显示模块上进行读值[5]。同时，还设置了主动呼叫功能，防止老人走失后，无法与家属联系，进一步保障了使用者的安全。此外，该模块还集成了警报功能，通过蜂鸣器发出声音吸引周围的人第一时间提供帮助。
1.2.5 传输模块
为了能够实时监测使用者的身体状态，不受距离及所处位置的限制，采用无线传输模块进行数据的传输，为了满足本系统要求的对采样数据的多种查询方式，采用Cat-1 模块进行数据传输。该模块拥有出色的传输速度、低延时、安全可靠，并且得到三大运行商的大力支持，保证了信号传输的实时性，此外它还支援使用GPS、北斗、GLONASS、GALILEO 和QZSS 等多操作系统共同进行定位，在获取定位信息后，可以通过网络或短信进行远程传输。该模块采用NTP 协议，自动获取NTP 系统的时间，以确保消息传送的及时性。采用短信透传方式，客户能够轻松地将串口设备的报警信息以短信的方式发送到特定的电脑，从而达到即时的消息传送，大大提高了安全和可信度的实时性。图3 为Cat-1 模块的传输示意图。
图3 Cat-1 模块数据传输示意
软件系统主要分为设备端、服务器端和移动客户端三部分，设备端的软件系统主要负责数据的采集处理及传输，通过与云端服务器的信息交互达到监测的目的；
服务器端主要负责收集所有终端设备的数据并进行分类汇总，同时可以检测终端设备的工作状态；
移动客户端是为了方便实时查看终端设备采集的数据，更进一步的突出了实时性的特点。
2.1 设备端软件
为了使多体征监测系统能够满足使用要求，不仅需要良好的硬件系统，还需要相应软件程序与硬件电路进行配合，才能发挥系统真正的监测作用。本研究设计的系统是以嵌入式系统为基础进行设计开发的，而嵌入式系统最大的优点是可以对软件系统进行模块化编程，且拥有良好的兼容性，通过模块程序间的相互配合、协调工作，可以有效的对信号进行采集、诊断，达到对体征信息进行监测的目的。图4 为设备软件的总体流程图。
图4 设备端软件总体流程
2.2 服务器端软件
服务器端软件主要完成设备管理、管理用户、数据统计和数据处理等功能。软件设计采用Java 编程，MVC 设计模式，由MySQL 数据库管理系统进行数据管理，在Eclipse 集成开发环境中进行开发。MVC 模式将系统划分为三个层次：数据模型层，完成处理与数据分析相关的业务，包括增删、改、查等操作；
视图模型层，提供使用者较友好的操作界面；
控制器层，完成监听用户事件，调取建模层和视图模型层的数据信息，并对用户界面进行修改。采用MVC 架构模式的多体征监测系统软件具有多种逻辑控制和丰富的反馈操作界面，可以有效地解耦数据模型、业务逻辑处理、图形用户界面和数据通信，大大提升了系统的灵活性和组件的可重用性，使得服务器端软件操作更加简单易懂，显示更加直观。图5 为服务器端软件MVC 分层架构示意图，图6 为服务器端软件系统主界面。
图5 服务器端软件MVC 分层架构示意
图6 服务器端软件系统主界面
2.3 移动客户端软件
移动客户端的功能包括查询实时状态、查询实时位置、数据统计、主动呼叫以及接收报警信息等功能。通过在HBuilder 软件的入口首页 index.html 中编写功能代码，通过设置IP 地址，以此来实现互相通信[6]。为了实现使用移动端进行相关操作，借助HBuilder软件进行打包，生成.apk 文件，可直接在移动端进行安装。达到软件可以扩展多个终端同时进行查看的效果。
用户打开APP 后，即可对多体征监测系统的实时数据进行查看，点击刷新按钮，移动终端将会读取服务器中存储的最新数据并显示在界面上。实时显示界面的布局文件仍使用login.xml，需要使用线性布局，在数据显示界面中使用TextView控件，来显示对于测量值的文字描述。同时，使用自定义Spinner 控件来实现下拉框功能，在下拉框中选择不同的终端设备进行数据查看。图7 为移动客户端软件主界面。
图7 移动客户端软件主界面
本研究设计的基于STM32 的多体征参数监测系统可以很好的采集人体状态信息，若出现身体特征参数异常、走失或摔倒等紧急情况时可通过网络服务器管理系统向移动客户端发送报警信息，也可通过移动客户端发送测量身体体征参数、查看实时位置、主动呼叫等指令，达到实时监测的目的，进一步对老年人的身体安全提供了保障。
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