基于STM32单片机的老年人健康监测与跌倒定位报警系统设计流程

一、项目概述

项目目标和用途

随着人口老龄化的加剧，老年人的健康管理与安全监测变得愈发重要。本项目旨在设计一套基于STM32单片机的老年人健康监测与跌倒定位报警系统，集成多种传感器和通信模块，实现对老年人健康状况的实时监测，并在出现异常情况时自动报警。系统的主要功能包括体温、心率、步数监测，跌倒检测以及位置定位，确保老年人的安全与健康。

技术栈关键词

STM32单片机
SIM800C移动通信模块
GPS定位模块
体温传感器
心率传感器
步态传感器
E4A云监测平台

二、系统架构

系统架构设计

本系统由多个模块组成，包括传感器模块、控制模块、通信模块和云服务模块。系统架构设计如下：

选择的硬件和技术栈

单片机：选择 STM32F103C8T6，因其性能稳定、成本低、支持丰富的外设接口。
通信模块：SIM800C用于实现移动通信，支持短信和语音通话功能。
定位模块：GPS模块用于获取老年人的实时位置。
传感器：

体温传感器（如DS18B20）用于监测体温。
心率传感器（如MAX30100）用于实时监测心率。
步态传感器（如MPU6050）用于监测步数与判断跌倒。

三、环境搭建和注意事项

环境搭建

开发环境：使用Keil uVision或STM32CubeIDE进行代码编写和调试。
硬件连接：根据模块的引脚定义，连接传感器、通信模块与STM32开发板，确保电源和信号连接正确。
软件库：使用HAL库简化外设的操作，确保代码的可读性和维护性。

注意事项

确保所有模块的电源电压与 STM32 单片机兼容。
在调试过程中，逐步测试每个模块的功能，确保系统整体稳定性。
在布线时注意避免信号干扰。

四、代码实现过程

在本节中，我们将详细介绍基于STM32单片机的老年人健康监测与跌倒定位报警系统的代码实现过程。代码结构分为多个功能模块，分别对应健康数据采集、跌倒检测、通信和数据上传等功能。通过对每个模块的逐步实现，确保系统的稳定性和可靠性。

4.1.1 健康数据采集模块

健康数据采集模块主要负责从体温传感器、心率传感器和步态传感器获取实时数据。我们使用DS18B20传感器获取体温，使用MAX30100传感器获取心率。

4.1.1 体温传感器

DS18B20传感器接口

DS18B20传感器通过单总线接口与STM32进行通信。以下是体温数据采集的代码示例：

#include "ds18b20.h"  // 包含DS18B20库文件

float getTemperature() {
    
    
    float temperature = 0.0;
    if (DS18B20_Init() == DS18B20_OK) {
    
      // 初始化DS18B20
        temperature = DS18B20_ReadTemperature();  // 读取温度值
    }
    return temperature;  // 返回采集到的温度数据
}

说明：

DS18B20_Init()：初始化DS18B20传感器。
DS18B20_ReadTemperature()：读取传感器的温度值。

4.1.2 心率传感器

MAX30100传感器接口

MAX30100传感器用于监测心率，使用I2C接口与STM32进行通信。以下是心率数据采集的代码示例：

#include "max30100.h"  // 包含MAX30100库文件

int getHeartRate() {
    
    
    int heartRate = 0;
    if (MAX30100_Init() == MAX30100_OK) {
    
      // 初始化MAX30100
        heartRate = MAX30100_ReadHeartRate();  // 读取心率值
    }
    return heartRate;  // 返回采集到的心率数据
}

说明：

MAX30100_Init()：初始化MAX30100传感器。
MAX30100_ReadHeartRate()：读取传感器的心率值。

4.1.3 步态传感器

MPU6050传感器接口

MPU6050传感器用于监测步态，可以通过加速度计数据判断老年人的活动状态。以下是步态采集的代码示例：

#include "mpu6050.h"  // 包含MPU6050库文件

// 读取步态数据
Vector3D getStepData() {
    
    
    Vector3D acceleration;
    MPU6050_ReadAcceleration(&acceleration);  // 读取加速度数据
    return acceleration;  // 返回加速度数据
}

说明：

MPU6050_ReadAcceleration(&acceleration)：读取当前的加速度值。

4.2 跌倒检测模块

跌倒检测模块通过分析传感器的数据来判断老年人是否发生跌倒。我们将利用MPU6050的加速度数据进行跌倒检测。

4.2.1 跌倒检测算法

我们采用一个简单的阈值算法来判断跌倒状态，当加速度的Z轴值低于某个阈值时，判定为跌倒。

#include "mpu6050.h"  // 包含MPU6050库文件

#define FALL_THRESHOLD -1.5  // 跌倒阈值

// 跌倒判定
bool isFallen() {
    
    
    Vector3D acceleration = getStepData();  // 获取加速度数据
    if (acceleration.z < FALL_THRESHOLD) {
    
      // 比较Z轴加速度值
        return true;  // 返回跌倒状态
    }
    return false;  // 返回未跌倒状态
}

4.3.1 短信发送功能

使用SIM800C模块发送短信的功能如下所示：

#include "sim800c.h"  // 包含SIM800C库文件

// 短信发送函数
void sendSMS(char* phoneNumber, char* message) {
    
    
    // 初始化SIM800C模块
    if (SIM800C\_Init() == SIM800C\_OK) {
    
    
        // 发送短信
        SIM800C_SendSMS(phoneNumber, message);
    }
}

说明：

SIM800C_Init()：初始化SIM800C模块。
SIM800C_SendSMS(phoneNumber, message)：发送短信到指定的手机号码。

4.3.2 拨打电话功能

#include "sim800c.h"  // 包含SIM800C库文件

// 拨打监护人电话
void callGuardian(char* phoneNumber) {
    
    
    // 初始化SIM800C模块
    if (SIM800C\_Init() == SIM800C\_OK) {
    
    
        // 拨打电话
        SIM800C_Call(phoneNumber);
    }
}

说明：

SIM800C_Call(phoneNumber)：拨打指定的手机号码。

4.4 数据上传模块

数据上传模块负责将采集到的健康数据上传到远程云服务。我们使用HTTP协议进行数据传输，以下是数据上传的代码示例：

4.4.1 数据上传功能

#include "http_client.h"  // 包含HTTP客户端库

// 上传健康数据到云服务
void uploadData(float temperature, int heartRate, float location\[\]) {
    
    
    char data\[100\];
    // 格式化JSON数据
    sprintf(data, "{\\"temperature\\":%f,\\"heartRate\\":%d,\\"location\\":\[%f,%f\]}", 
            temperature, heartRate, location\[0\], location\[1\]);

    // 发送POST请求
    HTTP\_Client\_Post("http://example.com/api/upload", data);
}

说明：

sprintf(data, ...)：将健康数据格式化为JSON字符串。
HTTP_Client_Post(url, data)：向指定的URL发送POST请求，上传健康数据。

4.4.2 位置数据获取功能

为了获取老年人的实时位置，我们使用GPS模块。以下是获取GPS位置的代码示例：

#include "gps.h"  // 包含GPS模块库

// 获取GPS位置
void getGPSLocation(float* latitude, float* longitude) {
    
    
    GPS\_Data gpsData = GPS\_Read();  // 读取GPS数据
    *latitude = gpsData.latitude;    // 获取纬度
    *longitude = gpsData.longitude;   // 获取经度
}

说明：

GPS_Read()：读取GPS模块的数据，包括位置信息。

4.5 主程序逻辑

整合上述模块的功能，我们可以设计主程序逻辑。以下是主程序的整体框架：

#include "ds18b20.h"
#include "max30100.h"
#include "mpu6050.h"
#include "sim800c.h"
#include "http_client.h"
#include "gps.h"

#define GUARDIAN_PHONE_NUMBER "1234567890"  // 监护人的手机号码

int main(void) {
    
    
    float temperature;  // 存储采集到的体温
    int heartRate;      // 存储采集到的心率
    float location[2];  // 存储GPS位置：[纬度, 经度]
    bool fallDetected = false;  // 跌倒检测标志

    // 初始化所有模块
    DS18B20_Init();
    MAX30100_Init();
    MPU6050_Init();
    SIM800C_Init();
    GPS_Init();

    while (1) {
    
    
        // 采集健康数据
        temperature = getTemperature();  // 获取体温
        heartRate = getHeartRate();      // 获取心率
        
        // 检测跌倒
        fallDetected = isFallen();  // 判断是否跌倒
        if (fallDetected) {
    
    
            // 播打监护人电话并发送跌倒短信
            callGuardian(GUARDIAN_PHONE_NUMBER);  // 拨打监护人电话
            char message[100];  // 存储短信内容
            sprintf(message, "老人跌倒了！请立即查看。位置：");
            sendSMS(GUARDIAN_PHONE_NUMBER, message);  // 发送短信
        }

        // 获取GPS位置
        getGPSLocation(&location[0], &location[1]);  // 获取老人的GPS位置信息

        // 上传健康数据
        uploadData(temperature, heartRate, location);  // 上传体温、心率和位置信息

        // 延时一段时间，避免频繁采集
        HAL_Delay(5000);  // 每5秒采集一次数据
    }
}

说明：

HAL_Delay(5000)：在每次数据采集和处理之间增加延时，避免频繁获取数据，从而提高系统的稳定性和节省资源。
GUARDIAN_PHONE_NUMBER：定义监护人的手机号码，确保在跌倒检测时能够及时联系。
fallDetected：布尔变量，用于标识是否发生跌倒，若检测到跌倒，则触发报警机制。

4.6 时序图

在实现代码的过程中，时序图可以帮助我们理解各个模块之间的交互关系。以下是整个系统的时序图示例：

五、项目总结

5.1 项目主要功能

本项目成功实现了一套基于STM32单片机的老年人健康监测与跌倒定位报警系统。其主要功能包括：

健康数据监测：实时监测老年人的体温、心率和步态信息。
跌倒检测：通过加速度传感器判断老年人是否发生跌倒，并在跌倒时触发报警。
短信与电话报警：在跌倒检测到的情况下，系统自动拨打监护人的电话并发送短信，通知他们老年人的状态和位置。
数据上传：将监测到的健康数据实时上传至云服务，便于监护人远程查看老人的健康状况。