李政林 關(guān)磊

摘要：中國(guó)正面臨人口結(jié)構(gòu)老年化的局面，對(duì)于這一現(xiàn)象，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能養(yǎng)老系統(tǒng)。該系統(tǒng)以養(yǎng)老手環(huán)為載體，GSM通信為核心，搭配終端App以及社區(qū)服務(wù)平臺(tái)，組成一套完善的智能養(yǎng)老系統(tǒng)。養(yǎng)老手環(huán)主要包括跌倒檢測(cè)、心率監(jiān)測(cè)、體溫監(jiān)測(cè)、GPS定位等。老人摔倒或心率異常，手環(huán)則自動(dòng)撥打求救電話并發(fā)送求救信息給子女和社區(qū)。子女和社區(qū)也可在用戶終端App和服務(wù)平臺(tái)上隨時(shí)查看老人的情況。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智能養(yǎng)老;跌倒檢測(cè);心率監(jiān)測(cè);養(yǎng)老手環(huán)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）09-0141-03

伴隨青壯年勞力外出流動(dòng)，農(nóng)村出現(xiàn)空巢社會(huì)與空巢家庭，家庭養(yǎng)老演變?yōu)樽粤︷B(yǎng)老[1]，農(nóng)村老年人變成了空巢老人[2]。隨著健康醫(yī)療與便攜式智能穿戴設(shè)備地快速發(fā)展，空巢老人的生活狀態(tài)和身體狀態(tài)能通過(guò)這些媒介被子女和社區(qū)工作者知曉，因此能實(shí)時(shí)掌握老人的情況并及時(shí)迅速的作出反應(yīng)。由于老人對(duì)智能操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與接受能力較弱，本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)[3]的智能養(yǎng)老系統(tǒng)是以GSM通信技術(shù)為依托，簡(jiǎn)化手環(huán)的操作界面與步驟，通過(guò)GPRS無(wú)線上傳數(shù)據(jù)，在子女客戶終端和社區(qū)服務(wù)平臺(tái)終端顯示，子女和社區(qū)可全程監(jiān)護(hù)老人的生活狀態(tài)。如果系統(tǒng)GPS定位[4]檢測(cè)到老人已經(jīng)走出系統(tǒng)設(shè)置的電子圍欄則判定老人有走失風(fēng)險(xiǎn)，手環(huán)會(huì)啟動(dòng)防走失模式并自動(dòng)發(fā)送求助短信和定位信息。

1 整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包含老人端的智能手環(huán)應(yīng)用、子女端的App應(yīng)用、社區(qū)端的服務(wù)平臺(tái)三部分。采用嵌入式硬件設(shè)計(jì)手環(huán)通過(guò)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，App端和社區(qū)服務(wù)端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理。系統(tǒng)如果檢測(cè)到老人摔倒或心率異常以及主動(dòng)求助等信息，則自動(dòng)發(fā)送求助短信和定位信息并撥打報(bào)警電話。

手環(huán)還內(nèi)置了NFC標(biāo)簽[5]，如果老人走失，周圍的群眾可通過(guò)具有NFC功能的手機(jī)對(duì)手環(huán)進(jìn)行識(shí)別，以便了解老人的基本情況以及子女聯(lián)系方式等，及時(shí)聯(lián)系相關(guān)人員，盡快找到老人所在位置，保護(hù)老人的安全。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中智能手環(huán)主要包括以下模塊，心率監(jiān)測(cè)[6-7]模塊、體溫監(jiān)測(cè)模塊、跌倒檢測(cè)[8]模塊、ARM v7處理器模塊、報(bào)警模塊。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1 主控模塊

該手環(huán)主控模塊采用MTK的MT2503嵌入式處理器，2503是基于ARMv7的物聯(lián)網(wǎng)芯片平臺(tái)，支持高精度全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）和2G基帶，且GPS定位精準(zhǔn)度高。芯片片內(nèi)帶有通用IO口、UART接口、SPI接口、I2C接口、USB接口等。

2.2 心率監(jiān)測(cè)

心率監(jiān)測(cè)選用的是光電反射式心率傳感器[9]PAH80 11ET，該芯片功耗低性能高，封裝集成2個(gè)綠光LED和一個(gè)紅外LED。它帶有2個(gè)通信接口，即支持高達(dá)1Mbit/s的I2C接口和高達(dá)10Mbit/s的四線SPI接口。當(dāng)檢測(cè)到手環(huán)佩戴者的心率出現(xiàn)異常時(shí)，手環(huán)會(huì)發(fā)送求救信息給子女和社區(qū)，社區(qū)會(huì)及時(shí)查看處理，以防止意外發(fā)生。

2.3 體溫監(jiān)測(cè)

體溫監(jiān)測(cè)選用臨床級(jí)溫度傳感器MAX30205，其可高精度測(cè)量溫度，提供過(guò)熱報(bào)警/中斷/關(guān)斷輸出，通過(guò)I2C兼容2線串行接口進(jìn)行通信。通過(guò)疫情大家都意識(shí)到體溫監(jiān)測(cè)的重要性，養(yǎng)老手環(huán)加入了體溫監(jiān)測(cè)模塊能極大地方便老人在生活中隨時(shí)掌握自己的身體狀態(tài)。當(dāng)手環(huán)檢測(cè)到老人的體溫超過(guò)常規(guī)值時(shí)將信息發(fā)送到子女的App上，讓子女掌握老人的身體情況。

2.4 跌倒檢測(cè)

跌倒檢測(cè)選擇三軸加速度傳感器ADXL345[10]，它可以測(cè)量?jī)A斜感應(yīng)應(yīng)用中的靜態(tài)重力加速度，以及由于運(yùn)動(dòng)或沖擊而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)加速度。其高分辨率（3.9mg/LSB）可以測(cè)量小于1.0°的傾斜度變化，測(cè)量精度高。支持SPI（3線或4線）或I2C接口。手環(huán)應(yīng)用加速度傳感器主要用來(lái)檢測(cè)老人是否摔倒、摔倒后一段時(shí)間內(nèi)是否站起來(lái)的情況。摔倒后及時(shí)發(fā)送求救信息給子女和社區(qū)，并輪撥子女電話，子女能快速響應(yīng)。

2.5 報(bào)警系統(tǒng)

手環(huán)設(shè)置的報(bào)警系統(tǒng)由OLED屏、扁平式馬達(dá)、喇叭組成。當(dāng)手環(huán)檢測(cè)到老人摔倒未爬起或心率出現(xiàn)異常，則啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，屏幕上顯示老人緊急求助信息、馬達(dá)震動(dòng)、發(fā)出警報(bào)聲。同時(shí)通過(guò)GPRS發(fā)送定位信息和報(bào)警信息給社區(qū)服務(wù)平臺(tái)及子女App終端，并自動(dòng)撥打求救電話。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

MT2503開(kāi)發(fā)平臺(tái)用C語(yǔ)言進(jìn)行編譯，通過(guò)傳感器采集手環(huán)佩戴者的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并上傳到服務(wù)器。手環(huán)不直接與終端App和社區(qū)服務(wù)平臺(tái)通信，而是通過(guò)中間服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳下發(fā)。每一臺(tái)移動(dòng)通信設(shè)備包括手環(huán)都具有唯一地IMEI識(shí)別號(hào)，因此服務(wù)器能通過(guò)這唯一的識(shí)別號(hào)與手環(huán)和終端進(jìn)行通信連接，且不會(huì)出錯(cuò)。

系統(tǒng)軟件開(kāi)機(jī)后，首先進(jìn)行程序初始化;查詢GSM和GPRS網(wǎng)絡(luò)是否注冊(cè)成功，成功后即可建立手環(huán)與服務(wù)器的連接;進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和信息處理，從服務(wù)器上讀取時(shí)間并設(shè)置心跳參數(shù)，獲取傳感器測(cè)量數(shù)據(jù);發(fā)送心跳包、心率數(shù)據(jù)、位置信息等數(shù)據(jù)給服務(wù)器;終端設(shè)備從服務(wù)器端獲取手環(huán)數(shù)據(jù)，更新終端交互界面。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

4 手機(jī)終端App設(shè)計(jì)

考慮到老年人對(duì)智能手機(jī)的使用程度較低，擁有人數(shù)較少，手機(jī)終端App不能滿足手環(huán)佩戴者的使用，主要是為老人的監(jiān)護(hù)人、子女設(shè)計(jì)使用。App綁定手環(huán)后可以查看到手環(huán)佩戴者的詳細(xì)定位、心率、體溫等數(shù)據(jù)，及時(shí)掌握老人的身體情況和位置。遇到突發(fā)情況時(shí)，手環(huán)會(huì)向服務(wù)器發(fā)出報(bào)警消息，服務(wù)器會(huì)傳輸數(shù)據(jù)到對(duì)應(yīng)的App上，App及時(shí)反饋以便子女能快速作出反應(yīng)。老人也可以通過(guò)手環(huán)發(fā)送語(yǔ)音消息在子女的App聊天群內(nèi)，讓老人的消息可同時(shí)被多個(gè)子女看見(jiàn)，解決有些老人不會(huì)使用智能手機(jī)但想和子女群聊的困境。

5 社區(qū)服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)與測(cè)試

社區(qū)服務(wù)平臺(tái)可以與多臺(tái)養(yǎng)老手環(huán)綁定，通過(guò)中間服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，平臺(tái)可以查看每位老人的手環(huán)數(shù)據(jù)，掌握他們的基本情況，減少社區(qū)養(yǎng)老服務(wù)工作者的工作壓力。當(dāng)老年人遇到突發(fā)情況或走失時(shí)，社區(qū)能快速地定位老人，第一時(shí)間給老人提供醫(yī)療服務(wù)和援助。社區(qū)服務(wù)電話與每個(gè)手環(huán)進(jìn)行綁定，手環(huán)上有一個(gè)按鍵按下直接撥打社區(qū)服務(wù)電話，縮小老人與社區(qū)工作者之間的距離，讓老人的問(wèn)題及時(shí)得到解決。

智能養(yǎng)老系統(tǒng)能對(duì)老年人的日常行為作精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)。當(dāng)手環(huán)佩戴者正常行走、運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)不報(bào)警;當(dāng)手環(huán)佩戴者跌倒、心率異常時(shí)，系統(tǒng)迅速發(fā)出緊急求助信息并上報(bào)定位。為測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，選取5位男性模擬老人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行四組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)都是模擬正常生活作息狀態(tài)，包括走路，跑步，坐下等運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)一：做負(fù)重運(yùn)動(dòng)，監(jiān)控心率數(shù)據(jù);實(shí)驗(yàn)二：運(yùn)動(dòng)過(guò)程中監(jiān)控體溫?cái)?shù)據(jù);實(shí)驗(yàn)三：正常運(yùn)動(dòng)時(shí)突然跌倒可以起立，監(jiān)控跌倒判斷;實(shí)驗(yàn)四：正常運(yùn)動(dòng)時(shí)突然跌倒不能起立，監(jiān)控跌倒判斷。五人進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行20次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，該系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地測(cè)量人體在正常生活運(yùn)動(dòng)中的心率、體溫，以及能正確的判斷人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但由于生病發(fā)燒、心率異常是特殊情況，本次實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有進(jìn)行驗(yàn)證?？偠灾?，本系統(tǒng)能正確識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，檢測(cè)人體各項(xiàng)身體指標(biāo)，準(zhǔn)確發(fā)出報(bào)警求助信息，實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)的系統(tǒng)功能。

6 結(jié)語(yǔ)

人口老齡化是我國(guó)發(fā)展過(guò)程中不可避免的一個(gè)現(xiàn)象，空巢老人的增多也加大了家庭和政府對(duì)于養(yǎng)老服務(wù)的難度。本文利用智能可穿戴設(shè)備與養(yǎng)老服務(wù)相結(jié)合，提出的智能養(yǎng)老系統(tǒng)是順應(yīng)時(shí)代的潮流，也是社會(huì)需求的產(chǎn)物。子女不在身邊照顧時(shí)，社區(qū)也可以承擔(dān)起守護(hù)老人安全的責(zé)任，在老人出現(xiàn)意外時(shí)及時(shí)救助，避免悲劇的發(fā)生。目前本系統(tǒng)養(yǎng)老手環(huán)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，后期將繼續(xù)進(jìn)行App和社區(qū)服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)智能養(yǎng)老。

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