陈德宁

•120•

ELECTRONICSWORLD・

技术交流

近十几年以来，意外摔倒、老人痴呆症、心肌梗塞等常发生于

老人群体。为了预防此类现象的发生，需要实时跟踪老人的心率血

氧体温等体征状况，一旦老人意外摔倒或者病情发作时能够对他们

进行及时的救治。同时社会上时常出现老人走失的现象，容易对老

人自身安全造成极大威胁。为此本文研发一种能实时监测老人的

心率血氧体温、GPS定位、是否摔倒等信息，并将这些信息实时同

步到监护人的电脑和手机上进行查看的健康监控系统。如果老人

的心率血氧较长一段时间内出现不正常或设备检测到老人摔倒，

会将老人的GPS定位信息实时同步到监护人的电脑并自动拨打设定

家属联系人手机，确保能对老人进行及时定位和救治。该系统还

设有一键呼救功能，老人长按呼救键即可拨打监护人号码，接通

后能进行语音对话。监护人号码呼叫老人便携式设备时无需任何

操作可直接接通。

1监控系统总体设计方案

本文设计的基于物联网的老人健康监控系统分为多功能便携式

设备和终端监控系统两部分。

多功能便携式设备采用ST公司的STM32f407芯片作微控制器。

STM32f407芯片使用32位高性能ARMCortex-M4处理器，内部定时

器多达17个，时钟频率最高能达到168MHz，具有强大运算能力和

执行速度；并支持睡眠、停止和待机三种低功耗模式，减少电池的

耗电；拥有3个I2C接口、3个SPI接口、6个串口等通信接口，能满

足与多个不同外部设备与其相连接通信的硬件需求。整体设计框

图如图1所示，多功能便携式设备主要包含以下模块：微控制器、

MAX30102心率传感器、MPU6050传感器、MLX90615传感器、

SIM808模块。其能实现测量老人心率血氧体温体征信息、GPS定

位、检测是否摔倒、一键呼救、传输数据等功能，并上传心率血氧

定位等数据信息到服务器数据库给终端监控系统。

终端监控系统本文选用QtCreator集成环境进行程序开发。

Qt是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架，它提供给应

用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的所有功能。而Qt

Creator包括项目生成向导、高级C++代码编辑器IDE、集成了Qt

Designer、QtAssistant、QtLinguist和qmake构建工具。其能够帮助

开发人员更加快速及轻易开发出界面应用级项目，提高效率。

2多功能便携式设备设计

2.1GPRS通信设计

针对蓝牙、WIFI等传统通信方式传输距离有限制、数据传输易

受到干扰等缺点和无法确定老人的活动范围，GPRS通信能提供无

线无距离限制数据传输、覆盖广泛、方便快捷，具有很大的优势，

因此便携式设备采用GPRS通信方式进行数据传输。SIM808模块

是一种高性能工业级GSM/GPRS四频芯片，其集成了GPRS通信模

块，能够实现电话语音通话，短信收发等功能。微控制器程序发送

相关AT指令对SIM808模块进行配置，配置完成后即可通过相关AT

指令向服务器IP地址传送打包好的数据。

2.2便携式设备功能原理设计

（1）MAX30102心率传感器利用不同红血球之吸收光谱的原

理和利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行血氧脉搏

测量，即血氧浓度为含氧血红蛋白浓度占全部血红蛋白浓度的百分

比，心率可根据红外光反射电信号相邻峰值之间的平均值计算出。

计算公式如下：

（1）

（2）

式中SpO

2

为血氧浓度的值，

C

HbO

2

为含氧血红蛋白浓度，

C

Hb

为脱氧血红蛋白浓度。BPM为每分钟心率值，FS为采样频率，

为相邻峰值之间的平均值。

因受外界因素、老人运动等因素影响，微控制器获取

MAX30102传感器的原始数据存在波动，容易影响程序对峰值大小

和位置等信息产生错误判断，需要对原始数据进行处理。本文采用

滑动平均滤波法处理原始数据。计算公式如下：

基于物联网的老人健康监控系统

广东技术师范大学 陈德宁 庄鑫财 张俊源 邱萍安深 许熊汕

•121•

ELECTRONICSWORLD・

技术交流

（3）

式中，

X

k

为当前采样值，

X

k-1

为上一次的采样值，以此类推。

新采样值与前四次的采样值相关，使原始数据平滑输出，防止数据

出现跳变。

（2）MLX90615温度传感器根据被测物体的红外辐射能量来

确定物体的温度，非接触式测量体温，具有响应速度快、稳定性好

等特点。其与微控制器串口通信方式相连接，感应被测物体的红外

辐射能量后返回由高8位和低8位组合的16位数据。16位数据通过公

式换算为真实温度。计算公式如下：

（4）

式中，T为真实温度，单位是℃，Data为MLX90615返回的16

位数据。

为了防止温度出现跳变等情况，本文对换算后的温度采取中位

值平均滤波法对温度进行滤波。连续采集N个温度数据，对其进行

排序后去掉最大值和最小值，对剩下N-2个温度数据平均计算。本

文连续采样12个温度数据，计算公式如下：

（5）

式中，T表示最终显示温度，X

i

(1,2,...,10)表示第几个温度数据。

（3）SIM808模块采用了行业标准接口和具有GPS定位功

能，能够在任何时间地点信号覆盖跟踪，通过发送相关AT指令

返回GPS定位数据格式。STM32微控制器通过定时器功能定时向

SIM808模块发送定位AT指令，正常返回特定GPS数据格式。成功

获取GPS数据后对其解析，得到老人定位经纬度信息和实时将数据

传送到服务器数据库上并调用百度地图API接口形成地图，直观查

看老人的实时定位。

（4）MPU6050陀螺仪传感器能检测到三轴方向的加速度值，

老人摔倒时加速度值和倾斜角度会发生巨大变化，如果陀螺仪测量

的加速度值超过阈值，判定老人摔倒。紧急呼救按键使用STM32微

控制器的GPIO功能，GPIO引脚如果持续1秒时间检测是低电平，则

判定按下按钮并触发引脚中断程序。

2.3微控制器控制程序设计

便携式设备程序设计框图如图4所示，便携式设备上电后先进

行系统资源初始化和初始化配置SIM808模块；因为心率、血氧、

体温、GPS定位信息实时检测性要求不高，同时为了让系统资源得

到充分利用和降低功耗，采用STM32控制器里面的定时器中断功

能。定时器1每隔5s进行一次心率血氧体温、GPS定位数据获取换

算，最终将数据打包上传到服务器端。定时器2每隔10ms进行一次

摔倒检测和呼救按键检测，保证实时监控。在中断优先级配置上，

定时器2的中断优先级比定时器1的中断优先级高，摔倒中断和呼救

按键中断的优先级比定时器2的中断优先级高，保证重要信息先占

用到CPU资源得到及时处理。

3终端监控系统设计

本文的终端监控系统界面通过QtCreator集成环境进行C++程序

开发编程。在软件程序开发中，通过相应的账号密码登录连接服务

器数据库，连接成功后上位机界面即实时显示更新老人的心率血氧

体温信息和GPS地图定位。终端界面如图5所示，利用QListWidget

对象实现多用户切换，实现一个终端监控系统监控多个老人的身体

状况；使用QTabWidget对象实现定位地图、心率血氧图等切换，

方便快捷；LCDnumber实时显示更新心率血氧体温数据；使用

QComboBox对象显示当前出现的问题。各个控制之间的动作关系

使用信号槽方式进行编程，例如点击处理完成，QComboBox对象

会出清除第一行的内容。

4总结

随着社会的老龄化情况越来越严重，本文设计一种基于物联网

模式的老人健康监控系统，能够实现对老人心率血氧体温信息监控

和GPS定位信息的实时跟踪，便携式设备能够检测老人是否摔倒。

当老人摔倒和身体参数发生明显变化时，自动发送信息给监护人和

自动拨打监护人号码，及时救治老人。在终端监控系统上，以非常

直接的数据显示老人的各种体征信息和历史体征数据。该系统经过

本团队不断的改进测试，能够一定程度上解决社会中的老人走失和

空巢老人意外摔倒或突发疾病等问题，具有性能高、价格便宜、超

强定位的特点，有着较高的推广价值。

基金项目：2019年省级大学生创新创业训练项目（No.2019105

88073）。

作者简介：陈德宁（1997—），男，广东湛江人，现就读于广

东技术师范大学，研究方向：自动化。