養(yǎng)老機構(gòu)智能監(jiān)測系統(tǒng)的設計

尤成熙 楊葉梅

(福建師范大學協(xié)和學院 福建 福州：350117)

老齡化是世界面臨的一個重要問題，《“十三五”國家老齡事業(yè)發(fā)展和養(yǎng)老體系建設規(guī)劃》指出，到2020年中國60歲以上的老年人口接近2.55億。中國家庭的“4+2+2”模式，使得中青年人無法照顧到老人的生活，因此近些年各種養(yǎng)老機構(gòu)也不斷建立，滿足了社會的部分需求[1]。但是養(yǎng)老機構(gòu)的環(huán)境及設施也是參差不齊，一部分養(yǎng)老機構(gòu)的環(huán)境情況還比較差，一部分養(yǎng)老機構(gòu)的工作人員比較少，對老人不可能照顧得很細致。有養(yǎng)老機構(gòu)的老人因為一時疾病突發(fā)或者半夜出現(xiàn)身體異常，沒有得到及時的治療。結(jié)合信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能養(yǎng)老機構(gòu)可以更好保障老人的身心健康。本文設計了一種養(yǎng)老機構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)會監(jiān)測養(yǎng)老機構(gòu)的房間安全，時刻關(guān)注老年人生命特征的變化，發(fā)現(xiàn)老人生命特征出現(xiàn)異常時會及時啟動報警設備，使其能得到及時地治療，同時也監(jiān)測老人房間環(huán)境的情況，防止意外事件發(fā)生。

1 概述

系統(tǒng)將房間的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)通過下位機傳送給主控板，而采集生命特征所需的傳感器集成在便捷式可穿可脫的設備上，方便老人佩戴，監(jiān)測老人的體溫、脈搏和呼吸的情況?？刂破餍酒琒TM32F103Z完成各個傳感器的采集，通過ESP8266wifi模塊的WebScoke鏈接發(fā)送數(shù)據(jù)至電腦服務器進行分析和監(jiān)測[2-3]。養(yǎng)老機構(gòu)的管理員可以通過Web端查詢各個老人的生命特征和所住房間的環(huán)境數(shù)據(jù)，后臺編程采用JAVA完成，通過socket完成和硬件的網(wǎng)絡連接，方便數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)對每個房間老人的生命特征數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)異常，會啟動對應房間的報警呼叫。同時，老人佩戴的設備上都具有一鍵呼叫功能，老人在感覺不舒服的時候按下此按鍵會啟動呼叫功能。本系統(tǒng)上下位機采用藍牙技術(shù)進行一定距離的數(shù)據(jù)傳輸，使用AT指令控制ESP8266 WIFI模塊完成后臺數(shù)據(jù)傳輸，穩(wěn)定的TCP/IP協(xié)議保障數(shù)據(jù)的準確性。后期所有設置的養(yǎng)老機構(gòu)點將數(shù)據(jù)傳送至總中心，為全省機構(gòu)的管控奠定基礎。圖1是養(yǎng)老機構(gòu)智能監(jiān)測系統(tǒng)的整體設計圖。

圖1 養(yǎng)老機構(gòu)智能監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2 硬件設計

2.1 控制器選擇

下位機采用的是STC單片機，負責老人房間環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。主控器選擇的是具有32位ARM Cortex-M32內(nèi)核的STM32F103Z的嵌入式單片機，其工作功耗低，處理速度快。

2.2 生命特征傳感器選擇

心率脈搏測量采用的是光電反射式的PulseSensor脈搏傳感器，傳輸?shù)氖悄M信號，傳送給STM32轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號就可以得到心率數(shù)值[4-5]。

體溫測量采用的是接觸式人體感應溫度貼片WD3703，是一款全數(shù)字的體溫傳感器，準確度和精確度都比較高，分辨率為13位，數(shù)據(jù)的輸出接口具有抗干擾濾波特性，電路連接簡單。

呼吸測量采用的是HKH-11B呼吸波傳感器，主要是采集于人體呼吸產(chǎn)生的腹部壓力起伏信號[6-7]，將信號放大、濾波等電路處理后輸出，輸出的是模擬信號，需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸。

2.3 環(huán)境檢測傳感器選擇

溫濕度檢測采用的是SHT11傳感器，電路簡單，數(shù)據(jù)傳輸共40bit。煙霧檢測采用的是MQ-2傳感器。空氣質(zhì)量檢測采用的是KQM2801A傳感器，輸出單位0.0～30.0ppm的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。

2.4 WIFI模塊

無線通信采用的是ESP8266 WIFI模塊，此模塊支持Station/SoftAP/SoftAP+Station模式，可以在2s內(nèi)喚醒、連接并傳遞數(shù)據(jù)包。該模塊在每個養(yǎng)老機構(gòu)點都有，后期可以擴展為全省分布式管理。

2.5 藍牙通信

主、從機之間的通信是采用藍牙模塊HC-05來實現(xiàn)，通訊接口采用串口和單片機連接，通信范圍10m內(nèi)，空中傳輸?shù)乃俾蕿?Mbp/s，數(shù)據(jù)傳輸格式“8位數(shù)據(jù)位+1位停止位”，無奇偶校驗位。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 下位機程序設計

STC12c5a60s2單片機主要采集和處理溫濕度數(shù)據(jù)、空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)、煙霧數(shù)據(jù)，通過藍牙模塊將數(shù)據(jù)傳送給主控板STM32。藍牙模塊與單片機通過串口P3.0(RXD)，P3.1(TXD)端口對接，將采集到的數(shù)據(jù)打包一起發(fā)送到主控板STM32的藍牙上。下位機的程序流程圖如圖2。

圖2 下位機的流程圖

3.2 STM32控制端程序設計

STM32控制端主要完成老年人生命特征的數(shù)據(jù)采集，再將與藍牙相連接的串口2接收到的下位機的數(shù)據(jù)一起打包，通過WIFI模塊傳送給PC端。STM32通過串口2與WIFI模塊使用AT指令進行通信，通過AT指令連接服務端并發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。STM32控制端程序流程如圖3。

圖3 STM32控制端程序流程圖

3.3 服務端設計

PC端界面的設計采用HTML5編程完成，后臺采用JAVA編程完成數(shù)據(jù)的獲取,通信方式采用TCP協(xié)議，Socket同步短接方式，與下位機通信的過程為創(chuàng)建服務端Socket(在JAVA中為ServerSocket類來實現(xiàn))，然后與端口進行綁定(bind)，對端口進行監(jiān)聽(listen)，調(diào)用accept阻塞，等待下位機客戶端的連接，這時如果有一個客戶端來連接對應服務端端口，如果連接成功，這時客戶端與服務端的連接就建立了，客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，服務端接收請求并處理請求并將數(shù)據(jù)展示到界面上，然后把回應數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，客戶端讀取數(shù)據(jù)是否接收處理成功，最后關(guān)閉連接，完成一次交互。后端處理程序的流程圖如圖4。

圖4 后端處理程序的流程圖

4 測試和運行

(1)WEB主界面

養(yǎng)老機構(gòu)的管理員可以登錄系統(tǒng)，隨時查看所有的數(shù)據(jù)信息。進入系統(tǒng)會顯示房間的入住人員和房號，點擊“進入房間”可以查看該房間的環(huán)境情況和入住老人的生命特征。可操作的主界面圖如圖5所示。

圖5 養(yǎng)老機構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)主界面

(2)傳感器數(shù)據(jù)

管理員點擊A1房間，可以看到王XX所在房間的環(huán)境情況，包括房間的溫度、濕度、煙霧情況和空氣質(zhì)量情況。還可以監(jiān)測該房間所住的王XX的生命特征數(shù)據(jù)，包括呼吸、脈搏、體溫的信息。采集的值顯示在界面上，同時被系統(tǒng)監(jiān)測。屬于正常范圍內(nèi)的數(shù)值時，則對應的數(shù)據(jù)端顯示綠色框，異常情況顯示紅色框。一個房間的數(shù)據(jù)信息界面如圖6所示。

圖6 各類傳感器的數(shù)據(jù)界面

(3)異常告警

當房間的環(huán)境數(shù)據(jù)或者是住戶的生命特征數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的時候，則系統(tǒng)會自動報警，界面提示，并啟動語音報警。如圖7界面，B4房間的住戶的脈搏產(chǎn)生異常后，會提示管理員，進行及時的救助。

圖7 異常情況的告警界面

5 結(jié)語

本文設計了一種養(yǎng)老機構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)會監(jiān)測房間中老人生命體征的變化，發(fā)現(xiàn)異常會啟動報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)設計適用于各類養(yǎng)老機構(gòu)或者社區(qū)養(yǎng)老服務中心，改善機構(gòu)中老人們的生活環(huán)境，減少意外的發(fā)生，增加老年人晚年的幸福指標。尤其是在寒冬、夜晚，可以時刻監(jiān)控老年人的生命特征數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)異常情況。系統(tǒng)經(jīng)過測試，達到了初步預期的目標，但是在數(shù)據(jù)采集的精確性上和軟件操作方面還需要進一步驗證和改進。