• 基于 STM32 的老人健康检测与跌倒监测系统设计
  • 导语
  • 一、系统功能总览
  • 二、核心模块选型对比
    • 2.1 主控模块选型
    • 2.2 心率血氧模块选型
    • 2.3 温度模块选型
    • 2.4 加速度模块选型
    • 2.5 蓝牙模块选型
  • 三、系统接线总表
  • 四、系统软件设计
    • 4.1 主程序流程
    • 4.2 跌倒检测流程
    • 4.3 心率血氧采集流程
    • 4.4 温度采集流程
    • 4.5 蓝牙通信流程
  • 五、系统实现与测试
    • 5.1 硬件焊接与测试
    • 5.2 软件调试
    • 5.3 功能测试
  • 六、总结

基于 STM32 的老人健康检测与跌倒监测系统设计

导语

人口老龄化背景下，老年人的慢性病管理与意外跌倒防护是社会关注的重要课题。本文提出一种以 STM32F103C8T6 为主控的老人健康检测与跌倒监测系统，通过 MAX30102 完成心率血氧采集、DS18B20 实现体温采集、ADXL345 监测姿态变化，检测到异常或跌倒时蜂鸣器本地报警，并通过 JDY-31 蓝牙透传到手机 APP，实现家属或护理人员的远程监护，为智慧养老提供一套成本可控、易于上手的硬件方案。

一、系统功能总览

系统整合感知、显示、本地报警与远程通信四个层次，主要功能如下：

编号	功能名称	功能描述
F1	体温采集	DS18B20 单总线采集，精度 0.1℃
F2	心率采集	MAX30102 PPG 测量，30-250 BPM
F3	血氧采集	MAX30102 红光/红外双波长，0-100%
F4	姿态检测	ADXL345 三轴加速度，跌倒判定
F5	阈值报警	参数超阈值或跌倒触发蜂鸣器
F6	蓝牙上传	JDY-31 透传数据到手机 APP
F7	阈值设置	板载按键设置温度/心率/血氧阈值
F8	数据刷新	1s 周期采集并刷新显示

二、核心模块选型对比

2.1 主控模块选型

方案	型号	主频	优点	缺点
方案一	STM32F103C8T6	72 MHz	Cortex-M3 资源丰富，HAL 库成熟	内核为 M3，无 FPU
方案二	Arduino Nano	16 MHz	开发简单，社区资料多	RAM 仅 2 KB，多传感器同时接不便
方案三	ESP32	240 MHz	自带 Wi-Fi/蓝牙，双核	模拟前端能力有限，心率血氧应用少

选择方案一： 系统需同时驱动 MAX30102、ADXL345、DS18B20 与蓝牙模块，对 IO、I²C、定时器数量都有较高要求，STM32F103C8T6 在性能、资源、成本上平衡最好。

2.2 心率血氧模块选型

方案	型号	接口	优点	缺点
方案一	MAX30102	I²C	集成红光/红外 LED 与光电探测，PPG 测量成熟	需要手指贴合
方案二	PulseSensor	模拟	价格低，接接简单	仅心率，无血氧，模拟信号易受干扰
方案三	AFE4400	I²C	医疗级精度	驱动复杂，价格高

选择方案一： MAX30102 同时给出心率与血氧两路数据，I²C 接口便于挂载在 STM32 的同一组总线上，符合系统对核心生命体征的双参数要求。

2.3 温度模块选型

方案	型号	测温范围	优点	缺点
方案一	DS18B20	-55~+125℃	单总线，精度 0.1℃，仅需一根 IO	需上拉电阻
方案二	DHT11	0~50℃	同时输出温湿度	测温精度 ±2℃，分辨率 1℃
方案三	热电偶 MAX6675	0~1024℃	宽量程	模拟前端复杂

选择方案一： 系统采集人体表温，DS18B20 的 0.1℃ 精度可满足精度要求，单总线也便于在 PCB 上布局。

2.4 加速度模块选型

方案	型号	分辨率	优点	缺点
方案一	ADXL345	13 bit	数字输出，量程可配置，中断丰富	无
方案二	MPU6050	16 bit	同时输出姿态	仅需要跌倒检测时功能冗余
方案三	倾角开关	-	仅阈值输出	只能粗判方向

选择方案一： 跌倒判定需要三轴合成加速度与倾斜角度，ADXL345 的 13 bit 分辨率与多种量程（±2/4/8/16 g）满足跌倒冲击检测与日常姿态判别的双重需要。

2.5 蓝牙模块选型

方案	型号	协议	优点	缺点
方案一	JDY-31	BLE 4.0	低功耗，AT 配置，透传稳定	速率 1 Mbps 以内
方案二	HC-05	蓝牙 2.0	资料多	功耗高，BLE 手机兼容性差
方案三	NRF24L01	私有 RF	成本低	非标协议，需对接手机 APP

选择方案一： JDY-31 与主流手机 BLE 兼容性好，且无需复杂协议栈，适合把传感器数据以透传方式打包发到 APP。

三、系统接线总表

模块	引脚	MCU 引脚	说明
MAX30102	VCC/GND	3.3V/GND	电源
MAX30102	SDA/SCL	PB9/PB8	I²C1 总线
MAX30102	INT	PA0	中断（跌倒/心率）
DS18B20	VCC/GND	3.3V/GND	电源
DS18B20	DQ	PA1	单总线，4.7kΩ 上拉
ADXL345	VCC/GND	3.3V/GND	电源
ADXL345	SDA/SCL	PB9/PB8	I²C1 总线，与 MAX30102 共用
ADXL345	INT1	PA2	跌倒中断
JDY-31	VCC/GND	3.3V/GND	电源
JDY-31	TX/RX	PA10/PA9	USART1
蜂鸣器	I/O	PB0	有源蜂鸣器
按键 1/2/3	I/O	PB1/PB2/PB3	设置/加/减

备注：MAX30102 与 ADXL345 共用 I²C1 总线，依靠地址区分（MAX30102=0x57、ADXL345=0x53），节省 IO。

四、系统软件设计

4.1 主程序流程

系统上电后先完成系统时钟、GPIO、I²C、USART、SysTick 初始化，再依次初始化 MAX30102、ADXL345、DS18B20、OLED 与蓝牙。主循环以 1 s 为周期依次采集温度、心率血氧与加速度值，进行阈值判断与跌倒判定，最后刷新显示与蓝牙发送。整体流程描述为：开始 → 硬件初始化 → 传感器自检 → 主循环（采集→判断→报警→上传→延时）。

4.2 跌倒检测流程

ADXL345 启动后进入 ±16 g 量程，开启 INT1 中断。正常姿态下 X、Y、Z 三轴合成加速度接近 1 g；当出现自由落体（合成加速度 < 0.6 g）后紧跟着剧烈加速度（≥ 2.5 g），且随后倾角 > 60° 持续 2 s 以上，判定为跌倒，触发蜂鸣器与蓝牙报警。

int main(void)
{
    SystemInit();
    OLED_Init();
    USART1_Init(9600);          // JDY-31
    I2C1_Init();                // 100 kHz
    MAX30102_Init();
    ADXL345_Init();
    DS18B20_Init();
    Beep_Init();

    while (1)
    {
        float t = DS18B20_ReadTemp();
        MAX30102_ReadHR_SpO2(&hr, &spo2);
        ADXL345_ReadXYZ(&ax, &ay, &az);
        // 阈值判断
        if (t > TEMP_MAX || hr > HR_MAX || hr < HR_MIN || spo2 < SPO2_MIN)
            Beep_On();
        // 跌倒判定
        if (Fall_Detect(ax, ay, az))
        {
            Beep_On();
            JDY31_SendString("FALL\r\n");
        }
        // 上传 APP
        JDY31_SendFloat("T:", t);
        // OLED 显示
        delay_ms(1000);
    }
}

4.3 心率血氧采集流程

MAX30102 工作在 PPG 模式下，红光/红外交替点亮；驱动读 FIFO 后在算法层做峰值检测得到心率，R 曲线与 IR 曲线比值得到血氧饱和度。流程：初始化 → FIFO 使能 → 红/红外开窗 → 读取 FIFO → 滑动平均 → 心率/血氧解算。

4.4 温度采集流程

DS18B20 使用单总线协议，MCU 发送复位脉冲 → 跳过 ROM（0xCC）→ 启动温度转换（0x44）→ 延时 750 ms → 再次复位 → 读暂存器（0xBE）→ 拼合高低字节 → 转换为 0.1℃。

4.5 蓝牙通信流程

JDY-31 默认波特率 9600，工作在透传模式。主循环每 1 s 把温度、心率血氧与姿态按 "T:%f,HR:%d,SPO2:%d,AX:%d\r\n" 格式拼成字符串，通过 USART1 发送；手机 APP 端通过 BLE 接收即可。

五、系统实现与测试

5.1 硬件焊接与测试

将主控、传感器、蜂鸣器、按键分别焊接在洞洞板上，DS18B20 单独引线到腕带侧；上电后用万用表量 3.3 V 与各传感器电源引脚正常，再用示波器观察 I²C 总线与 USART1 波形，波形稳定无毛刺。

5.2 软件调试

在 Keil MDK 下用 ST-Link 仿真器下载程序，串口打印各传感器初始化返回值与原始数据，修改心率/血氧滑动窗口长度 8→16，确认数据更稳定；调整跌倒阈值与延时参数，避免日常起身误触发。

5.3 功能测试

测试编号	测试步骤	预期	结论
T1	手指贴 MAX30102 静置	心率/血氧稳定显示	通过
T2	DS18B20 接触手腕	温度刷新 1 s/次	通过
T3	抬高/平放 ADXL345	OLED 倾角变化	通过
T4	模拟跌倒（自由落体+侧倒）	蜂鸣器响，APP 报警	通过
T5	蓝牙 APP 接收数据	实时刷新	通过
T6	温度/心率超阈值	蜂鸣器响	通过

六、总结

本文设计的老人健康检测与跌倒监测系统以 STM32F103C8T6 为主控，整合 MAX30102、DS18B20、ADXL345 与 JDY-31，实现了体温、心率血氧与姿态的实时监测和跌倒报警；通过按键本地报警 + 蓝牙 APP 远程提醒的组合，提升了独居老人的安全防护能力。系统结构清晰、成本合理，可作为智慧养老终端的参考设计进一步扩展（如增加 GPS 定位、SIM 短信报警等）。

七、资料内容完整工程资料（原理图、PCB、代码、元件清单）

八、资料获取方式