操德文，刘桂江，潘成林，朱 勇

（安庆师范大学 计算机与信息学院，安徽 安庆 246133）

0 引 言

近年来，我国逐渐进入人口老龄化社会，老年人的健康护理成为了一个棘手的问题，尤其是老年人普遍面临身体机能退化的困境，相关的护理工作对人力资源的需求极高，传统的人力看护与检测手段已越来越难以满足不断增加的老龄人口的需求。为此，设计一款老年人可穿戴看护装置，以期在最大程度上保护老年人免受意外情况带来的健康损害。

目前，对于年龄较大或者患有慢性疾病的老年人的看护，一般依赖于护工或家人进行一对一的陪伴或照看，对人力投入的要求极高；但在实际情况中看护人员很难做到无时无刻跟随关注老人动向，尤其在发生摔倒之类的突发状况时，这些漏洞都降低了看护工作的可靠性。其次，市场已经出现的一些看护装置存在着操作繁琐等缺点，没有针对老人学习能力较差、身体机能退化做出相应的设计优化，也给这些产品的推广带来一些困难。

1 系统整体设计

本穿戴装置目标人群是身体机能退化的老年人用户，功能定位于对老人心率及血氧状况的检测与显示，在摔倒时及时通知监护人或医疗部门。为实现上述功能，对心率传感器的采样数据进行处理，通过OLED屏幕显示，实现检测数据的可视化；其次，通过对内置陀螺仪采集的加速度及方位数据进行算法判断，以决定是否触发警报，经由云平台向亲属或医护人员传送信息。

监护装置系统功能框架如图1所示。系统首先通过心率血氧以及加速度陀螺仪两种传感器采集被看护人生理指标数据，经过串口将数据上传到Arduino Nano板，处理器将对数据进行分析转化并实时显示在OLED屏幕上。对于加速度陀螺仪传感器所采集的数据，当数据处于正常范围时，系统处于静息状态；一旦监测数据超出正常范围，系统将立刻触发警报程序，首先上报云平台，接着由云平台的触发器下发信息到监护人手机或其他设备，告知监护人意外情况的发生，从而可以采取相应的急救措施。

图1 监护装置系统功能框架

考虑到老年人普遍面临运动能力下降、手脚活动不便的问题，将装置设计为自动适应佩戴者手腕并收紧的结构，通过一组触摸传感器与减速马达实现皮肤接触时收紧表带。

2 结构设计

首先使用SolidWorks对装置进行结构设计与建模。图2为装置的外观结构示意图。从外观上看，装置包含了一块显示心率和血氧水平的OLED屏幕以及一条可以自动感应皮肤接触并收紧的表带。结合内部的陀螺仪传感器，可以监测佩戴者的身体运动状态，从而可以在老人摔倒时将警报信息通过通信组件发送至云平台。

图2 看护装置外观示意图

内部结构如图3所示，OLED显示屏与无线充电线圈位于装置最上层，接下来是电池、表带的收放系统及用于控制传感器的主板和通信模块。

图3 装置内部结构

充电时，只须将无线充电发射端靠近装置，两者会通过磁力自动吸附（如图4所示），避免了老人充电时难以对准插口的难题，实现了防呆设计。

图4 无线充电结构

表带自适应收放系统的结构如图5所示，上部的杠杆结构一端穿过减速马达枢轴，另一端连接贯穿于表带的绳索。枢轴旋转时带动轮轴收放绳索，牵引杠杆结构向下，通过放置在两个结构组件之间的薄膜压力传感器，可以反映装置与佩戴者手腕之间的压力变化。在达到设定的阈值之后，马达停止运转，减速马达中的蜗杆齿轮组立即自锁，从而限制表带的滑动。

图5 自适应收放系统结构

3 系统硬件设计

系统硬件的组成可简化为如图6所示的结构。在系统上电运行后，Arduino从通信总线收集MPU6050与MAX30102采集的生理和运动数据；通过信号转化与检测后，将心率值与血氧含量在SSD1306 OLED上绘图显示输出，并判断是否有摔倒情况发生，一旦判定为真，将触发警报，改变M5311通信模块对云平台上报的数据流，平台检测到数据流的变化，启动预先设置的邮件触发器，发送警报邮件给监护人或医护人员。

图6 系统硬件组成

3.1 Arduino Nano板

控制电路选择了Arduino Nano板，它以ATMEGA328 MCU控制器为基础，基本功能与Arduino Duemilanove相同，但是采用了不同的封装方式。Arduino Nano取消了直流电源插孔，并使用Mini-B USB传输线代替了标准传输线，这些设计都大大减小了它对空间的占用。从电池容量、体积和充放电性能等方面综合考量，选用锂电池，配合升压电路，满足系统对供电的需求。

3.2 心率血氧传感器

依据该系统的设计思路和要求，选取MAX30102模块作为检测心率和血氧的传感器。MAX30102为集成的脉搏血氧饱和度和心率监测提供了解决方案，包含两个LED光电检测器（可见光和红外光）、一个低噪声模拟信号处理电路，可检测脉搏血氧饱和度和心率信号。它将数字输出数据存储在设备内的32位寄存器中，且具有一个IC数字接口，可与主机微控制器通信。MAX30102的脉搏血氧饱和度子系统，包括环境光消除（ALC）、18位sigma delta ADC和专有的离散时间滤波器。它具有超低功耗的优点，因此非常适合用于电池供电的装置。MAX30102具备接近检测功能，可以减少待机状态下的功耗和可见光发射。因此广泛运用于可穿戴设备、健身辅助设备、医疗监控设备等。

3.3 SSD1306 OLED显示模块

SSD1306是一种由单芯片CMOS OLED/PLED驱动器控制的有机聚合物发光二极管点矩阵图形显示系统。它由128个横向像素和64个纵向像素组成，显示面积0.96 in。SSD1306将对比度控制电路、显示RAM和振荡器集成在PCB板上，从而减少了外部组件的数量，进而降低了功耗。它可以进行256级亮度调节，适用于许多消费电子产品，例如智能手表、智能汽车上相机的即时图像显示、电池设备管理等。

3.4 加速度陀螺仪传感器

在使用传感器采集佩戴装置者手腕运动的方位及加速度信息之后，通过数据处理，可以判断人体运动姿势的大致情况，得益于微机电系统技术（MEMS）的不断发展和应用，MPU6050实现了惯性器件的微型化，它包含一个三轴加速度计和一个三轴陀螺仪，可以测量速度、方向、加速度、位移和其他类似运动的特征。

3.5 通信模块

M5311模组是建立在MT2625平台的NB-IoT模组，它主要应用在众多低功耗的数据传输场景中。M5311满足 3GPP Release13的标准，是应用LCC封装技术的贴片式模组，拥有多达40个管脚，而尺寸仅有16 mm×18 mm×2.2 mm。

4 软件设计

4.1 摔倒检测程序

电路围绕Arduino Nano板和MPU6050模块构建。MPU6050由三轴陀螺仪、三轴加速度计、数字运动处理器组成。通过IC连接传感器，从而获得完整的九轴运动融合输出。在数据收集方面，将MPU6050模块的模拟信号输入Arduino Nano，MPU6050模块采集输出值，分别为三个加速度值和一个陀螺仪值，并使用IC协议进行通信。在佩戴者意外摔倒时，加速度会出现明显的变化，将以此作为姿态判断的关键判据，再结合陀螺仪采集的角度变化随时间的变化关系，最终判断是否有摔倒情况发生，程序运行流程如图7所示。

图7 摔倒检测程序流程

4.2 心率及血氧检测电路与程序

对于心率血氧数据，连接MAX30102心率血氧传感器模块与Arduino Nano，在测量心率和血氧浓度时Arduino Nano对从MAX30102采集的信号进行采样，并通过串口通信将数据值显示在SSD1306模块上。

4.3 NB-IoT通信协议与程序

在本设计中，为了对接移动OneNET平台，采用了LWM2M（LightWeight M2M）通信协议。LWM2M协议由OMA-DM协议发展而来，是一种轻量级的协议，适用于各种物联网设备。在本装置中，由串口通过M5311向OneNET平台发起注册与通信。

4.4 云平台的配置

首先，在移动OneNET平台建立产品和设备，填写设备IMEI和IMSI，这将为设备接入时提供重要鉴权信息，这两项数值可以通过AT指令取得。触发器将在数据流异常时向账号所绑定的邮箱发送一条提醒邮件。

5 功能测试

打开装置开关，测试心率和血氧的检测与显示功能。将手指放置于血氧传感器下，屏幕显示当前心率值、波形图及血氧百分比，原型机测试如图8所示。

图8 心率血氧显示功能的原型机测试

将装置快速甩动，未发出警报，平台亦无提醒邮件发送，确定该功能不会因为日常大幅度快速运动而触发。将装置抬高至距离地面1 m高度后抛下，模拟摔倒时的身体运动情况，连接在警报引脚的红色LED灯亮起，手机邮箱收到一封OneNET平台下发的警报邮件（如图9所示），证明摔倒警报功能正常。

图9 摔倒警报功能测试

6 结 语

本文设计了基于Arduino的老年人可穿戴监护装置，通过心率血氧以及加速度陀螺仪等传感器采集被看护人的生理指标，将心率和血氧含量实时显示在可穿戴屏幕上。当佩戴者处于日常生活运动状态时，警报功能处于静息状态；一旦运动监测数据超出正常范围，系统将立刻触发警报程序，并上报云平台；接着由云平台的触发器下发信息到监护人手机或其他设备，及时告知监护人或医护人员意外情况的发生，从而第一时间采取相应的紧急措施。本装置具有心率血氧检测、跌倒警报和自适应收放佩戴等功能，功能设计友好，使用简便，运行稳定，具有较大的应用和发展前景。