2024年6月12日发(作者：阳昆纬)
科技与创新
┃
ScienceandTechnology&Innovation
2023年第15期
2095-6835
（
2023
）
15-0048-03
文章编号：
基于STM32的老年人智能健康手环的设计与实现
李倬名，骆文静，林明华，曹文婷
（海南医学院，海南海口570100）
摘要：针对老年人特点，进行了智能手环的需求分析，设计了一款智能手环，完成了手环功能原理方案设计及智能手
环的硬件电路设计和软件设计，以及各智能模块硬件组装和调试。该款智能手环配置有
GPS
（
GlobalPositioningSystem
，
全球定位系统）定位传感器、六轴加速度传感器及光电心率传感器、OLED（OrganicLight-EmittingDiode，有机发光二
极管）显示屏等模块，以STM32F103C8T6芯片为核心控制器，能实时监测老年人的健康状况，并显示老年人所在位置，
一旦有意外情况发生，立即发出警报，是一款突出个性与人性的智能化产物，具有很好的研究和推广价值。
关键词：智能手环；跌倒警报；防走失；健康监测
中图分类号：
TP368.33
文献标志码：
ADOI
：
10.15913/.2023.15.014
当今社会老年人由于难以掌握电子设备的使用技
能，在衣食住行医等方面，难以享受智能化服务。尽
管智能手环携带方便、操作简单，老年人容易上手使
用，但现在市场上的智能手环同质化程度非常高，专
门面向老年人设计的智能手环较少
[1]
。老年人独自出门
时一旦发生安全事故和其他突发状况，一款具备实时定
位、自动呼救、服药提醒等功能的手环，无疑会帮助
无法时刻陪伴老人的子女更好地关心和帮助老年人
[2]
。
能手机体积较大；PPG通过监测因心跳引起的身体器
官组织中透光率的变化来准确测量心率，对人体没有伤
害，操作简单，并且可以实时得到检测结果。因此，采
用光电容积脉搏波描记法反射式测量更适合智能手环
[3]
。
GPS定位：阿尔茨海默病的主要表现为失语、失
用、失认，随着病程发展，患此病的老年人走失的可
能性极大，GPS定位是防止走失的有效方法之一。本
手环配置北斗定位模块，定时将手环的地理位置信息
通过5G通信模块发送至云端服务器，更新手环佩戴者
的位置信息，当异常事件来临时，能迅速将地理信息
发送至云端服务器及指定手机号码的APP端。
跌倒监测与报警：跌倒是老年人致伤甚至致死的
重要原因，摔倒警报及自动呼救功能可以在老年人跌
倒后第一时间向紧急联系人发出警告，从而获得及时
援救，降低伤害。跌倒监测的方法包括基于外围式和
图像的检测方法和基于加速度传感器的检测技术。基
于外围式和图像的检测方法需在使用者所处的活动范
围区域内安装压力、声音或图像等传感器，通过分析
所收集到的数据的变化值来判断是否发生跌倒；基于
加速度传感器的检测方法，可以把加速度传感器、陀
螺仪植入手环，采集人体方向及不同方向的加速度大
小，精度高，且受周围噪声影响很小，佩戴者可以穿
戴设备进行自由活动，不必局限于某一范围内，因此
本文选用此方法进行监测。
服药提醒：随着年龄增长，大多老年人不同程度
地患有慢性疾病，需要长期服药。但由于衰老，老年
人记忆力衰退，常爱忘事，本手环设计服药提醒功能，
可以通过语音定时提醒老年人按时服药。
健康监测与子女关怀：本手环收集实时心率测量
1智能手环系统总体设计方案
通过调研，老年人对于智能手环功能的主要需求
为：测量体温、心率、睡眠及一键呼救和GPS等功能
[1]
。
体温监测：通过对体温进行实时监测并结合计时
模块对老年人进行阶段性体温采集，判断是否异常并
提醒就医隔离。体温测量一般可分为接触式和非接触
式2种测温法。接触式测温准确度高，但动态特性较
差，测温范围容易受到敏感部件的耐热性影响；非接
触式测量不需要接触待测对象，动态特性好，但因为
缺乏中间介质，测量精度较差。热成像非接触式体温
测量装置占用人力物力较多，效率较低，不便于多次
定时监测；高精度红外测温传感器可以不接触、准确、
方便、定时监测体温，为多次定时测量提供可能。
心率监测：随着年龄的增长，老年人心律失常的
发病率逐渐增高，因此心率监测非常重要。常采用的
心率测量方法可分为有创、无创、连续和不连续的脉
搏测量。可穿戴式医疗设备一般都选用无创手段，常
见有血氧法、心电信号法（ECG）和光电容积脉搏波
描记法（PPG）。ECG虽然测量准确度较高、抗干扰力
较强，但需要2个电极紧贴皮肤放置来检测电势差，
会使老年人穿戴不舒服并影响他们的活动，且导致智
·48·
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
2023年第15期
ScienceandTechnology&Innovation
┃
科技与创新
数据，如体温、睡眠、运动步数等信息，判断老年人
是否睡眠不足或运动过少，并发送给子女，让子女随时
关心老人的健康状态；通过专家系统判断健康状况异常
时，向子女发出警报，可使子女及时安排老人就医。
蓝牙的内部通信协议直接将蓝牙当串口使用。
2.3显示模块设计
本系统显示模块采用0.96in（1in≈2.54cm）
OLED显示屏，该显示屏具有自发光性，视角广、节
能、可柔性弯曲，适合轻薄设计要求，能够清晰显示
步数、心率等数据。
2.4传感器模块设计
传感器是健康手环的核心元件，为实现前述功能，
本手环配置了测温传感器、心率传感器和加速度传感
器等，能够实时监测体温、心率、睡眠质量，并记录
行走步数等。
2智能手环硬件系统设计
智能手环功能架构如图1所示。本手环和安卓手
机端APP通过蓝牙通信，和云端服务器通过5G通信。
手环主要包括体温和心率采集、计步与GPS定位、跌
倒监测与报警、服药提醒、健康监测与子女关怀等模块。
定位模块
体温监测模块
睡眠监测模块
跌倒监测模块
心率监测模块
运动监测模块
主控模块
一键呼叫模块
显示模块
常用电话呼叫
模块
语音处理模块
存储模块
5G通信模块
体温传感器选用BoschBMP280传感器，该传感器
温度测量分辨率可达0.0003℃，并采用IIC通信方式。
心率传感器选用MAX30102心率传感器，基于光
电容积脉搏波描记法（PPG）进行心率监测。此传感
器包含红光和红外光2个LED及降噪电路和IIC接口。
可直接测量脉搏，同时也可直接监测人体心率。
定位传感器选择Ublox公司的BU08-M10T模块，
占用空间较小，功耗低至12～15mW，定位导航灵敏
度高，供电电压为3.3～5V，可与多种单片机通信。
运动监测传感器的主要原理是基于加速度变化改
变内部电压、电阻及电容。当使用者在行走的过程当
中，身体会上下起伏，处理器可读取该传感器的相应
模拟量，通过计步算法分析处理数据，将数据合成为
运动信息。本项目运动监测选用InvenSense公司推出
时钟芯片
电源模块
蓝牙芯片
云端服务器
健康数据查看
智能手机
APP
求救信号发送
的MPU6050六轴运动处理组件，其内部整合了3轴陀
螺仪和3轴加速度传感器，自带数字运动处理器硬件
加速引擎，含有2个IIC接口，通过外接磁力传感器，
可向应用端输出完整的9轴融合演算数据，并满足实
时解算需求。
图1智能手环功能架构图
2.1主控芯片选型
主控芯片是整个硬件系统的核心器件，主要功能
是获取各模块采集的数据信息，并进行解析，然后传
送至显示屏。由于调研中发现老年人对于价格在300
元以下的产品接受程度比较高
[4]
。因此在进行系统硬件
设计时，除考虑功能、功耗外，价格也需要重点考量。
本项目选择72MHz工作频率、64KB程序存储器
Flash、20KB数据存储器SRAM、2个IIC
（Inter-IntegratedCircuit，集成电路总线）的
STM32F103C8T6型号处理器，性价比高，内置
Cortex-M3内核，具有十分优异的实时性能和功耗控
制，芯片上资源丰富，标准外设库简单易用。
2.2通信模块设计
相较于ZigBee和Wi-Fi等短距离无线数据通信方
式，蓝牙成本低，技术和通信协议相对简单，便于快
速开发。本系统选用HC05主从一体蓝牙串口通信模
块，当蓝牙设备与蓝牙设备配对成功后，可以不考虑
3智能手环软件设计
3.1主程序
基于LVGL（LightandVersatileGraphicsLibrary，
嵌入式图形用户界面）实现任务调度和菜单显示。主
程序框图如图2所示。
系统上电复位，各类外设和LVGL初始化，创建任
务并进入调度。用主户界面显示时间、心率、体温等监
测数据；跌倒监测任务实时获取使用者的姿态数据，判
断是否跌倒；睡眠监测任务获取使用者睡眠时间和睡眠
质量数据；运动监测任务采集步数、记录运动里程等。
3.2跌倒监测程序
人体跌倒会先经历一个失重过程，然后在撞击地
面时，合加速度会达到一个峰值，在此设为3g；在此
之后合加速度值又快速降到一个谷值，在此设为1g。
·49·
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
科技与创新
┃
ScienceandTechnology&Innovation
2023年第15期
若人体日常行为合加速度最大值设为2g，发生激烈运
动时的合加速度峰值设为3g，从而可以通过阈值法来
判断是否发生跌倒。跌倒判别流程图如图3所示。
系统上电复位
要使功能更加完备和人性化，真正适合老年人健康
管控则并不简单，此外还需考虑手环系统的性价比等
问题。
开始
外设初始化
采集加速度
LVGL初始化
瞬时加速度大于
跌倒阈值A
是
否
任务创建与调度
GUI
显
示
任
否
务
时
间
获
取
任
务
跌
倒
监
测
任
务
睡
眠
监
测
任
务
健
康
监
测
任
务
运
动
监
测
任
务
蓝
牙
通
信
任
务
否
瞬时加速度小于
跌倒阈值B
是
是否异常（跌倒、
迷路、体温高等）
计数标志位跌
倒时间++
计数标志位跌
倒时间++
丢弃并复位对应
标注位
是
本地语音报警
瞬时加速度大于跌倒阈值A的时
间（＞0.5s），且处于阈值B范
围的时间（＞0.4s）
报警解除
否
拨打救助电话至监护人
判定为跌倒
图3跌倒判别流程图
参考文献：
结束
[1]
[2]
[3]
[4]
瞿储飞梵，陈诗怡，何思吉，等
.
疫情背景下的老年人智
能手环设计
[J].
中国科技信息，
2021
（
23
）：
98-99.
赵鑫，于丰侨，袁小平.一种老年人健康监测手环系统设
计[J].电子设计工程，2022，30（11）：74-78.
田静.基于STM32的老年智能手环的设计与实现[D].南
京：南京邮电大学，2021.
王冰飞，蒋睿，何思源，等
.
浅谈社区老年人对便携式可
穿戴设备的需求：以智能手环为例
[J].
中国老年保健医学，
2020，18（4）：21-26.
图2主程序框图
3.3语音程序
语音程序包括自动呼救和一键呼叫功能。自动呼
救功能是在手环检测到老人摔倒后，由手环端直接向
处理器进行人工异常情况报警，该报警信息可通过5G
通信模块同样发送至云端服务器及指定手机号码的
APP端。一键呼叫可以通过选择保存在手环内部的电
话进行语音呼叫。同时，语音处理模块还可通过5G通
信模块向其他手环或手机APP端进行语音留言。
————————
作者简介：李倬名（1999—），男，河北保定人，本科，
研究方向为疾病控制。
，女，四川宜宾人，博士，
通信作者：
曹文婷（1989—）
讲师，研究方向为疾病控制。
（编辑：丁琳）
4结束语
本文针对老年人特点，进行了智能手环需求分析
与功能原理方案设计，并基于STM32内核，对智能手
环软硬件系统进行了详细设计。综上所述，对于目前
的技术来说，设计一种智能手环的系统并不困难，但
·50·
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
2024年6月12日发(作者：阳昆纬)
科技与创新
┃
ScienceandTechnology&Innovation
2023年第15期
2095-6835
（
2023
）
15-0048-03
文章编号：
基于STM32的老年人智能健康手环的设计与实现
李倬名，骆文静，林明华，曹文婷
（海南医学院，海南海口570100）
摘要：针对老年人特点，进行了智能手环的需求分析，设计了一款智能手环，完成了手环功能原理方案设计及智能手
环的硬件电路设计和软件设计，以及各智能模块硬件组装和调试。该款智能手环配置有
GPS
（
GlobalPositioningSystem
，
全球定位系统）定位传感器、六轴加速度传感器及光电心率传感器、OLED（OrganicLight-EmittingDiode，有机发光二
极管）显示屏等模块，以STM32F103C8T6芯片为核心控制器，能实时监测老年人的健康状况，并显示老年人所在位置，
一旦有意外情况发生，立即发出警报，是一款突出个性与人性的智能化产物，具有很好的研究和推广价值。
关键词：智能手环；跌倒警报；防走失；健康监测
中图分类号：
TP368.33
文献标志码：
ADOI
：
10.15913/.2023.15.014
当今社会老年人由于难以掌握电子设备的使用技
能，在衣食住行医等方面，难以享受智能化服务。尽
管智能手环携带方便、操作简单，老年人容易上手使
用，但现在市场上的智能手环同质化程度非常高，专
门面向老年人设计的智能手环较少
[1]
。老年人独自出门
时一旦发生安全事故和其他突发状况，一款具备实时定
位、自动呼救、服药提醒等功能的手环，无疑会帮助
无法时刻陪伴老人的子女更好地关心和帮助老年人
[2]
。
能手机体积较大；PPG通过监测因心跳引起的身体器
官组织中透光率的变化来准确测量心率，对人体没有伤
害，操作简单，并且可以实时得到检测结果。因此，采
用光电容积脉搏波描记法反射式测量更适合智能手环
[3]
。
GPS定位：阿尔茨海默病的主要表现为失语、失
用、失认，随着病程发展，患此病的老年人走失的可
能性极大，GPS定位是防止走失的有效方法之一。本
手环配置北斗定位模块，定时将手环的地理位置信息
通过5G通信模块发送至云端服务器，更新手环佩戴者
的位置信息，当异常事件来临时，能迅速将地理信息
发送至云端服务器及指定手机号码的APP端。
跌倒监测与报警：跌倒是老年人致伤甚至致死的
重要原因，摔倒警报及自动呼救功能可以在老年人跌
倒后第一时间向紧急联系人发出警告，从而获得及时
援救，降低伤害。跌倒监测的方法包括基于外围式和
图像的检测方法和基于加速度传感器的检测技术。基
于外围式和图像的检测方法需在使用者所处的活动范
围区域内安装压力、声音或图像等传感器，通过分析
所收集到的数据的变化值来判断是否发生跌倒；基于
加速度传感器的检测方法，可以把加速度传感器、陀
螺仪植入手环，采集人体方向及不同方向的加速度大
小，精度高，且受周围噪声影响很小，佩戴者可以穿
戴设备进行自由活动，不必局限于某一范围内，因此
本文选用此方法进行监测。
服药提醒：随着年龄增长，大多老年人不同程度
地患有慢性疾病，需要长期服药。但由于衰老，老年
人记忆力衰退，常爱忘事，本手环设计服药提醒功能，
可以通过语音定时提醒老年人按时服药。
健康监测与子女关怀：本手环收集实时心率测量
1智能手环系统总体设计方案
通过调研，老年人对于智能手环功能的主要需求
为：测量体温、心率、睡眠及一键呼救和GPS等功能
[1]
。
体温监测：通过对体温进行实时监测并结合计时
模块对老年人进行阶段性体温采集，判断是否异常并
提醒就医隔离。体温测量一般可分为接触式和非接触
式2种测温法。接触式测温准确度高，但动态特性较
差，测温范围容易受到敏感部件的耐热性影响；非接
触式测量不需要接触待测对象，动态特性好，但因为
缺乏中间介质，测量精度较差。热成像非接触式体温
测量装置占用人力物力较多，效率较低，不便于多次
定时监测；高精度红外测温传感器可以不接触、准确、
方便、定时监测体温，为多次定时测量提供可能。
心率监测：随着年龄的增长，老年人心律失常的
发病率逐渐增高，因此心率监测非常重要。常采用的
心率测量方法可分为有创、无创、连续和不连续的脉
搏测量。可穿戴式医疗设备一般都选用无创手段，常
见有血氧法、心电信号法（ECG）和光电容积脉搏波
描记法（PPG）。ECG虽然测量准确度较高、抗干扰力
较强，但需要2个电极紧贴皮肤放置来检测电势差，
会使老年人穿戴不舒服并影响他们的活动，且导致智
·48·
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
2023年第15期
ScienceandTechnology&Innovation
┃
科技与创新
数据，如体温、睡眠、运动步数等信息，判断老年人
是否睡眠不足或运动过少，并发送给子女，让子女随时
关心老人的健康状态；通过专家系统判断健康状况异常
时，向子女发出警报，可使子女及时安排老人就医。
蓝牙的内部通信协议直接将蓝牙当串口使用。
2.3显示模块设计
本系统显示模块采用0.96in（1in≈2.54cm）
OLED显示屏，该显示屏具有自发光性，视角广、节
能、可柔性弯曲，适合轻薄设计要求，能够清晰显示
步数、心率等数据。
2.4传感器模块设计
传感器是健康手环的核心元件，为实现前述功能，
本手环配置了测温传感器、心率传感器和加速度传感
器等，能够实时监测体温、心率、睡眠质量，并记录
行走步数等。
2智能手环硬件系统设计
智能手环功能架构如图1所示。本手环和安卓手
机端APP通过蓝牙通信，和云端服务器通过5G通信。
手环主要包括体温和心率采集、计步与GPS定位、跌
倒监测与报警、服药提醒、健康监测与子女关怀等模块。
定位模块
体温监测模块
睡眠监测模块
跌倒监测模块
心率监测模块
运动监测模块
主控模块
一键呼叫模块
显示模块
常用电话呼叫
模块
语音处理模块
存储模块
5G通信模块
体温传感器选用BoschBMP280传感器，该传感器
温度测量分辨率可达0.0003℃，并采用IIC通信方式。
心率传感器选用MAX30102心率传感器，基于光
电容积脉搏波描记法（PPG）进行心率监测。此传感
器包含红光和红外光2个LED及降噪电路和IIC接口。
可直接测量脉搏，同时也可直接监测人体心率。
定位传感器选择Ublox公司的BU08-M10T模块，
占用空间较小，功耗低至12～15mW，定位导航灵敏
度高，供电电压为3.3～5V，可与多种单片机通信。
运动监测传感器的主要原理是基于加速度变化改
变内部电压、电阻及电容。当使用者在行走的过程当
中，身体会上下起伏，处理器可读取该传感器的相应
模拟量，通过计步算法分析处理数据，将数据合成为
运动信息。本项目运动监测选用InvenSense公司推出
时钟芯片
电源模块
蓝牙芯片
云端服务器
健康数据查看
智能手机
APP
求救信号发送
的MPU6050六轴运动处理组件，其内部整合了3轴陀
螺仪和3轴加速度传感器，自带数字运动处理器硬件
加速引擎，含有2个IIC接口，通过外接磁力传感器，
可向应用端输出完整的9轴融合演算数据，并满足实
时解算需求。
图1智能手环功能架构图
2.1主控芯片选型
主控芯片是整个硬件系统的核心器件，主要功能
是获取各模块采集的数据信息，并进行解析，然后传
送至显示屏。由于调研中发现老年人对于价格在300
元以下的产品接受程度比较高
[4]
。因此在进行系统硬件
设计时，除考虑功能、功耗外，价格也需要重点考量。
本项目选择72MHz工作频率、64KB程序存储器
Flash、20KB数据存储器SRAM、2个IIC
（Inter-IntegratedCircuit，集成电路总线）的
STM32F103C8T6型号处理器，性价比高，内置
Cortex-M3内核，具有十分优异的实时性能和功耗控
制，芯片上资源丰富，标准外设库简单易用。
2.2通信模块设计
相较于ZigBee和Wi-Fi等短距离无线数据通信方
式，蓝牙成本低，技术和通信协议相对简单，便于快
速开发。本系统选用HC05主从一体蓝牙串口通信模
块，当蓝牙设备与蓝牙设备配对成功后，可以不考虑
3智能手环软件设计
3.1主程序
基于LVGL（LightandVersatileGraphicsLibrary，
嵌入式图形用户界面）实现任务调度和菜单显示。主
程序框图如图2所示。
系统上电复位，各类外设和LVGL初始化，创建任
务并进入调度。用主户界面显示时间、心率、体温等监
测数据；跌倒监测任务实时获取使用者的姿态数据，判
断是否跌倒；睡眠监测任务获取使用者睡眠时间和睡眠
质量数据；运动监测任务采集步数、记录运动里程等。
3.2跌倒监测程序
人体跌倒会先经历一个失重过程，然后在撞击地
面时，合加速度会达到一个峰值，在此设为3g；在此
之后合加速度值又快速降到一个谷值，在此设为1g。
·49·
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
科技与创新
┃
ScienceandTechnology&Innovation
2023年第15期
若人体日常行为合加速度最大值设为2g，发生激烈运
动时的合加速度峰值设为3g，从而可以通过阈值法来
判断是否发生跌倒。跌倒判别流程图如图3所示。
系统上电复位
要使功能更加完备和人性化，真正适合老年人健康
管控则并不简单，此外还需考虑手环系统的性价比等
问题。
开始
外设初始化
采集加速度
LVGL初始化
瞬时加速度大于
跌倒阈值A
是
否
任务创建与调度
GUI
显
示
任
否
务
时
间
获
取
任
务
跌
倒
监
测
任
务
睡
眠
监
测
任
务
健
康
监
测
任
务
运
动
监
测
任
务
蓝
牙
通
信
任
务
否
瞬时加速度小于
跌倒阈值B
是
是否异常（跌倒、
迷路、体温高等）
计数标志位跌
倒时间++
计数标志位跌
倒时间++
丢弃并复位对应
标注位
是
本地语音报警
瞬时加速度大于跌倒阈值A的时
间（＞0.5s），且处于阈值B范
围的时间（＞0.4s）
报警解除
否
拨打救助电话至监护人
判定为跌倒
图3跌倒判别流程图
参考文献：
结束
[1]
[2]
[3]
[4]
瞿储飞梵，陈诗怡，何思吉，等
.
疫情背景下的老年人智
能手环设计
[J].
中国科技信息，
2021
（
23
）：
98-99.
赵鑫，于丰侨，袁小平.一种老年人健康监测手环系统设
计[J].电子设计工程，2022，30（11）：74-78.
田静.基于STM32的老年智能手环的设计与实现[D].南
京：南京邮电大学，2021.
王冰飞，蒋睿，何思源，等
.
浅谈社区老年人对便携式可
穿戴设备的需求：以智能手环为例
[J].
中国老年保健医学，
2020，18（4）：21-26.
图2主程序框图
3.3语音程序
语音程序包括自动呼救和一键呼叫功能。自动呼
救功能是在手环检测到老人摔倒后，由手环端直接向
处理器进行人工异常情况报警，该报警信息可通过5G
通信模块同样发送至云端服务器及指定手机号码的
APP端。一键呼叫可以通过选择保存在手环内部的电
话进行语音呼叫。同时，语音处理模块还可通过5G通
信模块向其他手环或手机APP端进行语音留言。
————————
作者简介：李倬名（1999—），男，河北保定人，本科，
研究方向为疾病控制。
，女，四川宜宾人，博士，
通信作者：
曹文婷（1989—）
讲师，研究方向为疾病控制。
（编辑：丁琳）
4结束语
本文针对老年人特点，进行了智能手环需求分析
与功能原理方案设计，并基于STM32内核，对智能手
环软硬件系统进行了详细设计。综上所述，对于目前
的技术来说，设计一种智能手环的系统并不困难，但
·50·
Copyright©博看网. All Rights Reserved.