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老年人健康监测手表设计

范文

桑贤伯杨武帅万启元

摘要：本文针对老年人健康问题，设计了一款专门针对老年人的健康监测手表的软硬件方案，主要功能有心率监测、血压监测、血氧监测、实时定位、宠物找回和跌倒检测等功能。手表能与网络连接，可以把老人实时信息发送到家属的客户端。

关键词：老年人；健康；手表；物联网

中图分类号：R153 文献标志码：A

Abstract： Aiming at the health problems of the elderly， a software and hardware solution designed specifically for elderly health monitoring watches is designed. The main functions are heart rate monitoring， blood pressure monitoring， blood oxygen monitoring， real-time positioning， pet recovery and fall detection. Watch can connect with the network， you can send the elderly real-time information to the family members of the client.

Keywords： Elderly；Health；Watch；Internet of Things

1 項目概况

1.1 研究背景与设计方法

现如今人口老龄化日渐严重，同时生活节奏变快，照顾老人成为家庭的难题。城市独居老人通常会面临一些令人担忧的健康问题。最先要解决的问题是在老人身体出现状况或者老人跌倒时及时的通知家人。本文针对这些问题介绍一款老人专用的健康监测手表，这款手表能实时监测老人运动状态、血压、心率和位置，并能把这些信息发送到服务器备案。家人可以在手机客户端读取老人的身体特征信息。此外，该手表还有音乐播放与宠物找回等功能方便老人日常的娱乐。该手表功能丰富，方案成熟，是一种可以商业化的方案。在设计时对老人的需求分析准确性，产品实用性，可量产性都有极高的要求。

1.2 手表总体结构

项目设计的手表主要是针对老人，完成对老人的身体状态和健康状况的实时监测。整个手表硬件部分包括：心率血压传感器模块，屏幕模块，姿态传感器模块，定位模块，通信模块，中央处理器模块，电源模块。

软件部分包括：显示与交互部分、姿态监测部分、通信部分、数据加密部分、定位计算部分和心率血压分析部分。

2 硬件方案设计（图1）

2.1 中央处理器模块

手表使用MT2502芯片作为主控， MT2502为联发科公司设计的可穿戴物联网设备商用解决方案芯片，使用260MHz主频的32位ARM7EJ-S内核，运算快。集成度高，集成多模GSM以及2.1 SPP和 4.0 GATT蓝牙，是多种物联网商用方案中使用的芯片。该手表同时使用松恩公司的BP1708芯片作为心率血压算法协处理器，保证脉搏相关算法的实时性。

2.2 屏幕模块

手表使用一个1.54寸可触摸TFT-LED屏幕，触摸芯片使用GT9xx系列的触摸芯片，显示芯片使用ST7789s。该屏幕具有240×240像素的显示分辨率，能够清晰地显示时间和其他内容。

2.3 姿态传感器模块

姿态方向等使用意法半导体的LSM6DSL和LSM303C。这两款芯片通过iic总线连接至主控。这是意法半导体新一代iNEMO MEMES传感器，体积小，集成度高，顶面面积仅有2.5mm×3mm，容易集成在手表类智能穿戴设备，如图2所示。

2.4 心率血压传感器模块

脉搏检监测使用SON7015传感器并使用BP1708作为血压血氧算法芯片，该部分通过iic总线与主控连接。该传感器为光电容积式脉搏传感器，在运动心率检测方面比二极管式脉搏传感器更加精确，适合在老人运动时实时监测老人脉搏状态。

2.5 定位模块

定位方面卫星定位使用MT3332芯片，该芯片可在脱离网络的情况下提供精确的卫星定位，并可以同时提供GPS和北斗两种卫星的定位结果，将两种结果融合相比单星方案可以大大提高定位精度。

2.6 通信模块

通信模块包括WiFi模块，蓝牙模块，GSM和GPRS模块。

2.6.1 WiFi模块

WiFi模块使用了MT5931芯片，该芯片支持802.11b/g/n通信标准，以2.4GHz的射频频率连接无线网络。无线网络天线使用BT/WiFi二合一陶瓷天线，节省了PCB空间同时又提高了天线增益，防止了WiFi断流。

2.6.2 蓝牙模块

蓝牙模块使用了MT2502集成的蓝牙基带，在方便了软件的驱动开发之外又可以最大化地利用已有芯片减小功率节省体积，与WiFi功能共用天线。

2.6.3 GSM和GPRS模块

GSM和GPRS使用了MT2502主控集成的GSM基带，因为GSM技术不是开源技术，只能使用已集成的基带才能完成GSM功能的开发。

2.7 电源模块

电源模块包括电池供电部分和USB输入部分。

电池供电部分使用ETA3410作为稳压芯片输出3.3V。

USB输入部分的5V供电直接接入MT2502的PMU引脚，直接由主控芯片管理。

3 软件方案设计

3.1 通信部分

手表中包括多种通信方式，主控中集成了蓝牙通信，短信和GPRS通信。为了节约通信成本在通常状态下并不启用短信通信，只有在老人跌倒以及心率异常时通过短信直接通知家属，在一般状态下，仅使用GPRS将极少的关键性数据使用TCP协议发送到服务器，家属可以在手机客户端上查看老人的相关身体特征信息。蓝牙通信对于不使用智能手机的老人在初次使用手表时家属通过蓝牙配置手表，之后就可以关闭蓝牙，对于使用智能手机的老人就可以连接蓝牙查看自己的相关信息。蓝牙也可以在宠物防丢功能时使用。同时手表的 WiFi通信能适用于敬老院等小范围环境的低成本多终端传输。在敬老院模式时是通过WiFi直接将老人相关数据发送至敬老院数据中心。

3.2 数据加密部分

因为手表要通过网络传输老人的身体状态等隐私信息所以数据需要进行加密。在手表中使用的加密算法为TEA算法，处理的轮数为8轮，在保证一定数据保密性的同时加快加密速度。

3.3 显示与交互部分

在交互方面，我们优化了对老人的交互方式，让老人可以在不进行任何复杂操作的情况下使手表正常工作。手表的相关操作均可通过网络远程操作，老人戴着手表抬腕即可亮表，监测和数据发送均为自动完成。本机操作可以通过按键和触摸屏来实现，我們在Nucleus操作系统上自主开发了界面系统，包括6种控件，可以很快的组建界面。

3.4 姿态监测部分

程序中的一个线程实时监测加速度和陀螺仪数据并进行姿态的运算，来判断老人的动作，老人的运动状态，以便计步和统计老人的运动情况。电子罗盘主要是为老人提供方向导航。

在跌倒检测时不但包括姿态的监测，还有脉搏监测的数据作为辅助，提高了跌到检测的准确性，防止误判。

3.5 定位计算部分

程序会把老人的运动轨迹发送到服务器，在服务器请求老人的实时位置时程序也可以返回老人的实时位置。在敬老院模式下可以使用基于WiFi指纹与蓝牙的室内定位，提供老人在敬老院内的位置。

3.6 心率血压分析部分

程序的一个线程会实时获取原始ECG数据和血压血氧数据，如果发现老人的心率血压异常将会根据异常的级别选择通过网络发送到服务器或者直接短信通知家属，如图3所示。

结语

我们期望能给老人更多的关爱，但是我们奔忙于生活，无法时时刻刻照顾着老人，所以健康监测手表成为老人们生活中的助手，有效地防止了老人走失，也让家属能时刻关注老人的身体状况。

在物联网不断地发展下，相信以后可以实现医疗远程化，微型化，便携化。

参考文献

[1]陈海明，崔莉，谢开斌.物联网体系结构与实现方法的比较研究[J].计算机学报，2013，36（1）：168-188.

[2]吴光元，周卫红，桑贤伯，等. 天然气加气站云端数据统计系统开发[J].科技风，2017（18）：66.

[3]孙宗文. Android Wear智能手表数据保护技术的研究[D].北京理工大学，2015.

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