［摘 要］隨著全球人口老齡化和慢性病患者數(shù)量的增加，人們對于能夠?qū)崟r監(jiān)控健康狀況的設(shè)備的需求日益迫切。文章設(shè)計了一款老人智能手表健康監(jiān)護(hù)設(shè)備，該系統(tǒng)集成了多種傳感器，可全面監(jiān)測老年人的生理狀態(tài)和活動情況。當(dāng)系統(tǒng)確定老年人摔倒或生理數(shù)據(jù)異常后，會立即通過內(nèi)置的遠(yuǎn)程通信模塊通知監(jiān)護(hù)人，確保老年人能夠及時獲得必要的幫助。

［關(guān)鍵詞］智能手表；無線傳感器；健康監(jiān)護(hù)

［中圖分類號］TH789 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）03–0136–03

1 健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)整體設(shè)計方案

基于智能手表的健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件為老年人穿戴的智能手表，可監(jiān)測體溫、心率等數(shù)據(jù)，軟件為監(jiān)護(hù)人手機(jī)上的App。手表內(nèi)包含加速度傳感器、陀螺儀和壓力傳感器，可檢測老年人是否跌倒并發(fā)出警報，而GPS 定位系統(tǒng)可獲取老年人位置信息，通過遠(yuǎn)程通信模塊向監(jiān)護(hù)人發(fā)送警報及位置信息。監(jiān)護(hù)人可通過App 實時監(jiān)控并響應(yīng)緊急情況。智能手表健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計流程如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 主控模塊

MSP430 主控模塊3yvLyMAH44lLWXL5dyKBgsas3KiELM3XboVA99Vs8Jg=是智能手表系統(tǒng)的核心，具有高速處理、低能耗的特點，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個模塊，如加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器、GPS、遠(yuǎn)程通信和語音控制單元。NEO-7 N UBLOX GPS 模塊捕捉信號并處理以提取定位信息。MPU-6065 加速度模塊監(jiān)測加速度變化，與陀螺儀共同判斷摔倒?fàn)顩r。BX120-3AA 壓力傳感器檢測壓力值變化并與預(yù)警值進(jìn)行對比，超過閾值觸發(fā)報警。NRF24L01 遠(yuǎn)程通信模塊作為信息傳輸橋梁，發(fā)送摔倒警報和位置信息給監(jiān)護(hù)人。

2.2 語音報警模塊

HND-4216 蜂鳴器作為語音警報模塊的核心，用于在老年人活動超過設(shè)定閾值時發(fā)出聲音警報。MSP430 主控模塊實時監(jiān)測老年人活動狀態(tài)，超過報警閾值時觸發(fā)報警。MSP430 芯片通過輸出不同頻率的信號驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出警報聲，可遠(yuǎn)程控制或通過手表按鍵關(guān)閉，確保及時警報同時避免不必要的干擾。

2.3 摔倒檢測模塊

智能手表內(nèi)置的多個傳感器協(xié)同工作，用于準(zhǔn)確檢測老年人是否摔倒。加速度傳感器記錄3 個軸向的加速度數(shù)據(jù)，檢測加速度的突然變化。陀螺儀傳感器監(jiān)測身體的旋轉(zhuǎn)運動，檢測摔倒時的身體動作變化。壓力傳感器監(jiān)控腳部對地面的壓力模式，識別摔倒時的壓力變化。這3 個傳感器組成的檢測方案提高了摔倒檢測的準(zhǔn)確性，確保非誤報。觸發(fā)摔倒報警信號時，系統(tǒng)通過HND-4216 蜂鳴器發(fā)出警報聲，通過GPS定位發(fā)送位置坐標(biāo)，以便及時救援。

2.4 GPS定位

GPS 定位模塊選擇NEO-7N UBLOX， 具備高精度、強接收能力和低功耗。在老年人發(fā)生意外時，NEO-7N UBLOX 通過TXD 和RXD 端口與主控芯片通信。主控芯片請求定位數(shù)據(jù)后，模塊啟動定位功能，計算位置坐標(biāo)并通過RXD 端口回傳給主控芯片。主控芯片接收坐標(biāo)并與觀測值進(jìn)行比較，得出修正數(shù)，發(fā)送給接收機(jī)。接收機(jī)使用修正數(shù)消去誤差，得到準(zhǔn)確位置信息，即使在復(fù)雜環(huán)境中也能提供相對準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，支持救援工作。

2.5 人體生理檢測模塊

人體生理檢測模塊由PulseSensor 心率傳感器和MLX90614ESF-BAA-000-TU 紅外溫度傳感器組成，用于監(jiān)測老年人生命體征。心率傳感器通過光電容積法測量心率，無需限制老年人活動，可長時間佩戴。紅外溫度傳感器測量人體表面溫度，具備高精度、快速響應(yīng)的特點。兩者共同工作，實時監(jiān)測體溫和心率，急數(shù)據(jù)劇變化時通過遠(yuǎn)程通信模塊報警，發(fā)送至監(jiān)護(hù)人手機(jī)，以便及時采取措施。

2.6 遠(yuǎn)程通信模塊

基于NRF24L01的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)使用2.4 GHzISM 頻段，免費全球使用，無干擾。NRF24L01 芯片具備高傳輸速率、小體積、低成本、低功耗等特點，與MC9S12XS128 單片機(jī)結(jié)合構(gòu)成無線發(fā)射模塊，發(fā)送摔倒警報和定位數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計注重穩(wěn)定性和靈活性，確保多種環(huán)境正常通信，低功耗可延長手表電池壽命，保障老年人緊急情況下及時得到幫助。

3 軟件方案設(shè)計

3.1 通信部分

智能手表內(nèi)置多種通訊模式，包括藍(lán)牙、短信、GPRS 等，以適應(yīng)不同場景和節(jié)省通訊費用。正常情況下，僅通過TCP 協(xié)議傳輸關(guān)鍵數(shù)據(jù)至服務(wù)器，家屬可通過手機(jī)客戶端監(jiān)測老年人身體特征。對于未使用智能手機(jī)的老年人，家人可通過藍(lán)牙配置智能手表并關(guān)閉藍(lán)牙，而使用智能手機(jī)的老年人可通過藍(lán)牙查看信息。智能手表的無線通訊功能適合在老年公寓等環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在養(yǎng)老院模式下，資料通過Wi-Fi 傳送至數(shù)據(jù)中心。

3.2 數(shù)據(jù)加密部分

由于這款手表是通過網(wǎng)絡(luò)傳送老年人的個人信息，因此必須對其進(jìn)行加密。該手表采用 TEA 加密算法，處理輪數(shù)為8 輪，可提高加密速度，并能保持一定的保密性能。

3.3 顯示與交互部分

在交互設(shè)計上，為老年人提供更佳的交互模式，使老年人不用做任何復(fù)雜的動作就能操控手表。所有有關(guān)的操作都可以在網(wǎng)上進(jìn)行，監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸都是自動進(jìn)行的。采用鍵盤、觸摸屏等多種操作方式，是基于 Nucleus 操作系統(tǒng)自行研發(fā)的人機(jī)交互系統(tǒng)，包含6 個控制項，能快速建立接口。

3.4 姿態(tài)監(jiān)測部分

軟件中有一條線程，對加速度、陀螺儀等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，并對其進(jìn)行位姿計算，從而對老年人的運動狀況做出判定，實現(xiàn)對老年人的移動狀況進(jìn)行計數(shù)和統(tǒng)計。電子指南針的作用是給老年人提供方向?qū)Ш?。在摔倒探測過程中，不僅要對人體姿勢進(jìn)行監(jiān)控，而且要借助脈搏監(jiān)測的資料，以提高摔倒探測的精度，避免錯誤判斷。

3.5 定位計算部分

智能手表的程序設(shè)計使其能夠?qū)⒗夏耆说倪\動軌跡上傳至服務(wù)器，同時，當(dāng)服務(wù)器需要查詢老年人的實時位置時，程序能夠響應(yīng)請求并提供老年人的精確位置信息。在特定的敬老院應(yīng)用場景中，程序還支持基于WiFi 指紋和藍(lán)牙技術(shù)的室內(nèi)定位功能，這樣就可以在敬老院內(nèi)部提供老年人的位置追蹤服務(wù)。

3.6 心率血壓分析部分

其中一條線程會實時采集原始心電圖、血壓、血氧等數(shù)據(jù)，當(dāng)老年人出現(xiàn)心率、血壓等異常時，則會按照異常程度，通過網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送到服務(wù)器上，也可以通過短信通知家屬。

4 健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘與分析

4.1 數(shù)據(jù)挖掘流程

研究利用健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫來收集和分析使用者的相關(guān)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括用戶查看手表的頻率、查看間隔、心率血壓測量的次數(shù)、體溫測量的次數(shù)及下載的軟件類型等信息。通過對這些數(shù)據(jù)的提煉、分析和統(tǒng)計，研究將探索不同數(shù)據(jù)之間的潛在關(guān)聯(lián)性，并尋找可能的經(jīng)濟(jì)效益點。

4.2 算法的實現(xiàn)

利用算法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘的具體流程為：先對該系統(tǒng)的程序進(jìn)行編碼，給某些控制項加上一個可變的數(shù)值，如將溫度控制作為一個溫度計數(shù)變量，對控制項的單擊次數(shù)及所需的時間間隔進(jìn)行運算并進(jìn)行處理。然后將這些數(shù)據(jù)保存在一個數(shù)據(jù)庫中，再傳輸給云計算服務(wù)器，之后通過 Apriori 算法對用戶的行為進(jìn)行分析，生成評價報告。事實上，Web 數(shù)據(jù)挖掘也遵循這一思路，即通過用戶的歷史訪問記錄來獲取用戶的偏好信息，并對用戶的訪問日志進(jìn)行保存，排列顯示圖表，強調(diào)相關(guān)度高的數(shù)據(jù)。

4.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

在健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，使用Apriori 算法和QlikView分析工具，通過可視化圖表展示用戶行為狀態(tài)分析。工作步驟包括分時段統(tǒng)計用戶行為、總結(jié)調(diào)查結(jié)果、分析控制項點擊和使用時長、了解系統(tǒng)偏好和使用頻率。對用戶進(jìn)行體溫數(shù)據(jù)與時間的相關(guān)分析，該時間階段可分為每日、每周、每月，在每個時間段對用戶體溫進(jìn)行分析與統(tǒng)計。當(dāng)用戶在1 d 內(nèi)進(jìn)行連續(xù)的體溫測量，通過測量的溫度，可以對使用者的身體狀況進(jìn)行初步的判斷，之后系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)天的天氣及用戶的行為，給出相應(yīng)的警示信息。

5 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)啟動后， 會進(jìn)行一段設(shè)定， 包括初始化MCU、初始化時鐘、初始化心率和體溫、初始化服藥提醒、初始化GPS 模塊、初始化通訊模塊。佩戴后，模塊會實時監(jiān)測老年人的身體狀況，并將其與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，如果出現(xiàn)不正常的情況，就會提示監(jiān)護(hù)人采取相應(yīng)的保護(hù)措施。當(dāng)加速度傳感器、陀螺儀和壓力傳感器相互配合，判定老年人跌倒后，控制系統(tǒng)立刻向監(jiān)護(hù)人發(fā)送跌倒的警報，同時，語音警報模塊也會立刻開啟并發(fā)出警報聲。同時，該遠(yuǎn)程通訊模塊會將跌倒警報及老年人所在位置等信息發(fā)送給監(jiān)護(hù)人，監(jiān)護(hù)人可以通過手機(jī)隨時了解老年人的身體情況。手機(jī)App 與智能手表的交互通訊設(shè)計如圖2 所示。

6 手機(jī)App設(shè)計

在 Android 平臺上開發(fā)出了智能手表App 端，使用了 Material Design 的設(shè)計，使得其界面更易于用戶使用。這個 App 可以在日常生活中人工或定期收集老年人的各項指標(biāo)，并將其繪制成折線圖。在接收到報警信號后，利用百度地圖 API 界面，對其進(jìn)行定位。通過百度地圖上的 POI 搜索，可以找到距離老年人出事地點最近的一家醫(yī)院，方便醫(yī)護(hù)車輛快速到達(dá)實施救援。

7 結(jié)束語

隨著人民生活水平的不斷提升，人們對身體健康的重視也日益增加，因此，便攜式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)已成為當(dāng)今智能科學(xué)與醫(yī)學(xué)研究相結(jié)合的熱點。文章結(jié)合智能可穿戴設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)，研制出以智能手表為基礎(chǔ)的老年健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)移植性強，功耗低，適用范圍廣，無距離限制，成本低，可靠性高。在日常生活中，其可以對老年人的各項指標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)有摔倒現(xiàn)象，就會第一時間對其進(jìn)行定位并以地圖的方式顯示出來，這樣才能在最短時間內(nèi)，將危險降至最低。這款智能手表為老年人的出行提供了安全保障，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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