基于STM32的远程老人健康检测椅控制系统设计

张笑彤　刘忠富

摘要：现今社会人口老龄化嚴重，很多老人处于独居的状态，老人的健康监测越来越重要，因此，设计可远程实时监测老人健康的轮椅系统有一定的应用价值。本文以STM32单片机为核心控制器，能够实现对老人位置、速度、身体状况以及应急药物的余量检测的实时检测，通过无线通信将检测信息实时传输到家人的手机中。同时，通过摇杆对轮椅的行进进行控制。本系统对老人的独自出行提供了更为安全便捷的方式，实现了对老人健康的远程监控，具有一定的应用价值。

关键词：STM32F103;无线通信;远程检测;摇杆控制;身体状态检测

【Abstract】Nowadays，theagingofthepopulationisgrave，manyoldpeoplearelivingbythemselves，it'smoreandmoreimportanttomonitortheelderlyhealth.Sothewheelchairhasbeendesigned，whichhasthepracticalresearchsignificance.Theresearchcouldmonitorthehealthoftheelderlyintrealtimeandremotely.Inthispaper，thecorecontrollerusedSTM32，thespeedoftheemergency，thelocationoftheemergency，andthemedicalconditionoftheelderlycanbemonitoredbythecorecontroller，detectioninformationcanbetransferredtotheirfamily'smobilephonesbywirelesscommunication.Atthesametime，themovementofthewheelchairiscontrolledbytherocker.Thesystemprovidesmoresafeandconvenientwayfortheelderlytotravelalone，realizestheremotemonitoringoftheelderlyhealth.Thefruithascertainapplicationvalue.

【Keywords】STM32F103;wirelesscommunication;remotedetection;rockercontrol;bodystatedetection

作者简介：张笑彤（1998-），男，本科生，主要研究方向：物联网技术与应用;刘忠富（1973-），男，硕士，副教授，主要研究方向：物联网技术。

0引言

随着经济快速发展、民众生活水平的提升，以及人口老龄化的到来，人们对于医疗健康的需要日益增长，导致医疗资源仍然较为紧张。这就催生了对医疗资源的巨大需求，可以说，物联网智能技术已然成为解决医疗资源问题的突破口。为应对这一现状，目前国内的多家专业团队已然陆续开启了关于物联网智能技术的各项研究工作。在此，本文则是针对已有的智能轮椅展开研究，可为老人出行提供便捷条件，并没有结合医疗方面，因此，设计可远程检测老人健康的轮椅具有一定的应用价值。

1系统硬件设计

本文研发的可远程实时监测老人健康的轮椅，需要对老人的健康状况进行实时监测，为老人提供可自我出行的条件，同时也要为老人的子女或亲属提供老人的实时信息，包括位置、速度、身体状况以及应急药物的余量检测。对于本系统的硬件设计方面，本文拟给出研究论述如下。

1.1系统方案设计

可远程实时检测老人健康的轮椅，采用STM32F103RET6单片机作为核心控制芯片。这款单片机具有高效能、低功耗、实时应用、并集竞争性价格于一体的特点，满足嵌入式领域的要求。经过研究后可得，远程检测健康轮椅系统结构如图1所示。由图1可知，该系统主要由7个主要模块组成，分别为：心率脉搏检测模块、压力传感器模块、重力加速度计模块、摇杆模块、GPS模块、电源电机模块、WiFi模块以及需要搭载一个无线WiFi设备。

1.2控制系统模块组成

1.2.1单片机最小系统

系统采用STM32F103RET6单片机作为主控制器件。这款单片机具有高效能、低功耗、实时应用、及综合竞争性价格于一体的特点，满足嵌入式领域的要求。

1.2.2电源模块

由于部分器件需要使用到5V或3.3V电源供电，故采用7805降压芯片进行降压，由于本产品选用的是双12V结合成的24V电池，故将一端12V电池接入到电源电路，即可完成12V到5V的降压过程，达到了对电路各个部件低压供电的目的。

1.2.3电机模块

根据市面上现有电机类型，需要考虑诸如：功率、轮椅行驶过程中转向、速度、减速等多项指标，故选用TB6600步进电机控制器配合2个步进电机来进行电机的控制。在此过程中，参考电机的额定电压、电机功率、电机功耗等性能参数，同时本设计使用双12V结合成的24V电池，且考虑到安全、质量、成本等问题，故选用86闭环步进电机。电机控制电路的整体设计如图2所示。本电机的技术优势主要表现在：闭环控制技术，解决了传统步进电机的丢步问题，提高安全性;较好的电机的高速性能，提高了电机的有效转矩;较低的电机发热量;较短的电机加减速响应时间;电机停刹车无震荡;电机运行更平稳，精度更高;无需增益调整，使用更方便[1]。

1.2.4摇杆模块

本设计采用三轴摇杆，由于摇杆产生的信号为模拟信号，故需通过AD处理将模拟信号转换成数字信号，通过单片机进行计算后将处理后的信号传输到电机控制器TB6600上，完成对双电机的控制。由于单片机电压为5V，经过AD转换后的电压范围在0～5V，故得到一个半径为2.5的圆，将摇杆看作一个三维坐标，得到三维数据：X∈[0，5]，Y∈[0，5]，Z∈[0，5][2]。

1.2.5GPS模块

本模塊选用ATK1218-BD模块。该模块自带可充电后备电池，可以掉电保持星历数据，在主电源断开后，后备电池可以维持半小时左右的GPS/北斗星历数据的保存，支持温启动或热启动，从而实现快速定位，确保在出现特殊情况时依旧能够提供当下位置信息。

GPS模块设计电路如图3所示。本模块将位置信息通过MAX232将数据传输到STM32单片机中，通过STM32将数据进行处理，再通过无线模块将数据传输到移动端中[3]。

1.2.6无线通信模块

ATK-ESP8266模块采用串口（LVTTL）与MCU（或其他串口设备）通信，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与WiFi之间的转换。通过ATK-ESP8266模块，传统的串口设备只是需要简单的串口配置，即可通过网络（WiFi）传输自己的数据。

本次设计将设置单片机串口3与ATK-ESP8266WiFi模块连接，同时将ATK-ESP8266WiFi模块设置为STA模式进行无线通信。

本产品通过添加的无线WiFi模块，将STM32中的数据通过无线通信模块进行传输，ESP8266模块通过无线WiFi模块连接到互联网，由此可以将数据传输到手机等移动端中[4]。

1.2.7重力加速度计

MPU6050芯片内部集合了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，并可利用自带的数字运动处理器硬件加速引擎，通过IIC接口，向应用端输出姿态运算后的数据。通过DMP，结合运动处理资料库，可以方便实现姿态解算，降低了运动处理运算对操作系统的负荷。

重力加速度计的设计电路如图4所示。通过重力加速度计，可以得到当前该轮椅的运动速度与方向，得到相对准确的数据，并通过在STM32中进行设置，就可以确保在不同姿态时（上下坡，拐弯），将速度设定为安全数值，保证老人的出行安全[5]。

1.2.8压力传感器模块

HX711模块，通过应变片根据受力变化直接输出电压信号，将电压信号通过AD转换器将模拟量转化成数字量，再通过STM32将数字信号进行整合运算，最后通过无线通信模块将数据传输到移动端。

压力传感器模块的设计电路如图5所示。该模块主要将产品佩戴药量进行称重，在低于额定标准时会进行提示，在低于限额时会进行报警，此过程都通过STM32进行实现[6]。

1.2.9心率脉搏检测模块

MAX30102是一个集成的脉搏血氧仪和心率检测仪生物传感器的模块。模块中集成了一个红光LED和一个红外光LED、光电检测器、光器件，以及携带环境光抑制的低噪声电子电路。MAX30102应用于可穿戴设备进行心率和血样采集检测，佩戴于手指、耳垂和手腕等处。同时用标准的I2C兼容的接口将采集到数值传输到单片机。

心率脉搏监测模块电路如图6所示。模块中，将利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行测量。通过特定公式将采集数据进行运算，并将数据传输到单片机中进行运算，再将数据通过ESP8266传输到手机端。

2系统软件设计

本设计通过Keil5利用C语言进行编写，C语言的语言结构简单，运行稳定，可移植性高，兼容性高，提高了本产品在其他软件平台上实现的可能。

系统主函数的设计流程如图7所示。在系统经过电源电路按键通电后，将进行硬件和时钟初始化，单片机和操作系统的工作方式和工作状态进入准备阶段。根据本产品的特性，检测端开始同步检测各项数据，控制端等待进行各项控制。

系统上电后，ESP8266、GPS模块优先启动，作为第一优先级，第一时间连接到无线WiFi，通过无线通信模块，与远程手机端建立连接。

在检测端，当老人乘坐穿戴好相应设备后，心率脉搏检测模块、压力传感器、重力加速度计同时启动，将各项检测数据通过无线通信模块进行传输。

在操控端，摇杆模块通过MCU控制电机，从而达到移动目的。

在手机端，不仅可以实现检测功能，同时还可以对各项数据进行限额，从而实现对老人安全各项保证。

3系统调试

在测试过程中，GPS定位时，由于STM32单片机计算量过大，会出现定位不准确或无法定位的情况。

在测试过程中，防侧翻功能在一直进行调试，通过加宽轮圈，与附加导轮等多方面论证可得，当速度大于10km/h时，若重心至于轮椅最高点且偏移中心位置90%，通过20次实现，并未发生侧翻情况。通过附加导轮后，当速度保持在15km/h，若重心至于轮椅最高点且偏移中心位置80%，则发生侧翻的概率为5%左右。通过加强减震系统，实现单轮单缓震，并加强缓震强度后，在速度达到15km/h时，当重心为正常重心情况下，不会发生侧翻现象。

做出的对应Android软件系统，如图8所示。由图8可知，界面中显示了当前各项信息，并设置有GPS再定位与紧急救援呼叫按钮，在出现特殊情况时，可以直接呼叫救护。

4结束语

本文设计是在基于STM32单片机，并结合多个模块组合而成的产品。用于老人健康的远程检测，本产品在原有传统轮椅的基础上增加了血压与心率检测模块与药量检测，能够实时检测老人的身体状况，同时加入了GPS定位系统与重力加速度计，能够实时检测到老人的位置，防止老人走丢走失。但在实际测试中却发现该产品仍存在问题：运算量过大，使STM32单片机超负荷运载，会出现数据显示异常的现象。若更换运算量更大的单片机则会具有很大的市场潜在价值，且对老人的独自出行提供了更为安全便捷的方式，使儿女或监护人更为放心。

参考文献

[1]赵晓艳，高喻达，成慧翔，等.多传感器的智能轮椅设计[J].电子技术与软件工程，2020（12）：76-77.

[2]马文斌，杨延竹.基于TB6600HG的步进电机驱动控制设计[J].中国农机化学报，2016，37（07）：126-129.

[3]黄麟钧，陈嘉成，陈耀奋，等.基于STM32的多功能盲人拐杖设计[J].电子世界，2019（18）：147-148.

[4]韩犇.嵌入式物联网系统设计[J].科学技术创新，2020（27）：93-94.

[5]杨志强.基于STM32C8T6的智能二轮自平衡小车的设计[J].电子测试，2020（17）：9-11，37.

[6]邱麦迪，任芳，蒋飞.基于STM32的电子称重系统的设计与实现[J].中国仪器仪表，2020（7）：73-76.