基于樹(shù)莓派的智能老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王燕飛 魯宋航 陳曉雪 郭永麗 張連花

【摘要】隨著我國(guó)老齡化的加劇，老年人越來(lái)越多，在遇到跌倒或疾病時(shí)，如果不對(duì)他們進(jìn)行及時(shí)搶救，就可能會(huì)導(dǎo)致病情惡化，而且現(xiàn)在很多人對(duì)一些急救知識(shí)掌握不夠完全，不能及時(shí)對(duì)老人發(fā)生的意外進(jìn)行處理。在此背景下，針對(duì)老年人發(fā)生意外的情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款基于樹(shù)莓派（B+型）的智能老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，家人能在老人發(fā)生意外時(shí)，接收到提醒并查看老人當(dāng)前的定位，第一時(shí)間前往進(jìn)行救護(hù)。同時(shí)家人能接收到一些相關(guān)的急救知識(shí)，避免在救護(hù)老人的過(guò)程中造成一些不必要的傷亡事故，將傷害降低到最低程度，而且這個(gè)系統(tǒng)也可以讓老人一鍵式聯(lián)系家人。

【關(guān)鍵詞】智能老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng);樹(shù)莓派;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN929 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.03.13

隨著我國(guó)老齡化的加劇，老年人越來(lái)越多，當(dāng)老人遇到突發(fā)情況時(shí)，能夠及時(shí)的通知并發(fā)送一些急救知識(shí)給他們的家人是很必要的。而我們所設(shè)計(jì)的這款智能老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的作用就是在老人發(fā)生意外時(shí)，系統(tǒng)聲光報(bào)警10s，并在第一時(shí)間通知家人前往進(jìn)行救護(hù)，同時(shí)給家人發(fā)送一些相關(guān)的急救知識(shí)與技能，在救助老人時(shí)避免二次傷害。這個(gè)系統(tǒng)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在緊急情況時(shí)老人可主動(dòng)一鍵式聯(lián)系家人。

我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。硬件部分以樹(shù)莓派（B+型）為主要控制芯片，通過(guò)計(jì)步自動(dòng)檢測(cè)，心率傳感器，4Air530模塊等硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)老人的心率監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)定位，利用GSM模塊把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上并通過(guò)云服務(wù)器ECS發(fā)送到手機(jī)微信小程序上。即小程序上進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、顯示服務(wù)端的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，讓家人能隨時(shí)了解老人的身體狀況以及所在位置。

1. 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的智能老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)、云服務(wù)器ECS、手機(jī)微信小程序三部分構(gòu)成。硬件系統(tǒng)由以樹(shù)莓派B+型為主要的控制芯片，嵌入心率傳感器、4Air530模塊等硬件設(shè)備。樹(shù)莓派作為硬件系統(tǒng)的主控芯片，由GSM模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上，GSM主要是在移動(dòng)用戶和遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接。云服務(wù)器ECS作為本系統(tǒng)的中轉(zhuǎn)站與硬件系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)信息，并對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理，當(dāng)用戶在客戶端進(jìn)行請(qǐng)求時(shí)將相關(guān)信息發(fā)送給用戶，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)回傳檢測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)客戶端中有控制請(qǐng)求信息時(shí)，對(duì)控制信息進(jìn)行處理。微信小程序中包含登錄界面、控制界面等，老人身體各方面信息的顯示及位置顯示均在控制界面中實(shí)現(xiàn)。

2. 系統(tǒng)硬件組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成

系統(tǒng)的硬件包括樹(shù)莓派、MAX30102模塊、GSM模塊、4Air530模塊等，因此分別對(duì)系統(tǒng)主控芯片和各硬件模塊進(jìn)行選型。

2.1.1 樹(shù)莓派B+型

在本次設(shè)計(jì)中需要樹(shù)莓派驅(qū)動(dòng)各模塊正常工作，且需要串口以便數(shù)據(jù)有效通信。樹(shù)莓派早期有A和B兩種型號(hào)，樹(shù)莓派A型內(nèi)置256MB內(nèi)存，帶一個(gè)USB端口，不帶有線網(wǎng)接口。樹(shù)莓派B型內(nèi)置512MB內(nèi)存，帶兩個(gè)USB端口，帶100M有線網(wǎng)接口。2014年，樹(shù)莓派分別推出了B+和A+兩個(gè)型號(hào)，樹(shù)莓派B+與B相比，雖然依然采用BCM2835處理器以及和上一代樹(shù)莓派相同的系統(tǒng)軟件，內(nèi)存也依然是512MB，但是，卻擁有更多的GPIO針腳（共有40針，老版本是26針），并用Micro SD插口替換了老的SD插口，擁有更低的功耗。在音頻方面，也采用了專用的低噪音電源。綜合考慮，本系統(tǒng)采用樹(shù)莓派B+型作為主控芯片，就能很好的滿足各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)需求。

3. MAX30102模塊

MAX30102是一個(gè)集成的脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)儀生物傳感器的模塊。它集成了一個(gè)紅光LED和一個(gè)紅外光LED、光電檢測(cè)器、光器件，以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路。MAX30102采用一個(gè)1.8V電源和一個(gè)獨(dú)立的3.3V用于內(nèi)部LED的電源，主要應(yīng)用于可穿戴設(shè)備來(lái)進(jìn)行心率和血氧采集檢測(cè)，可佩戴于手指、耳垂和手腕等處。標(biāo)準(zhǔn)的I2C兼容的通信接口可以將采集到的數(shù)值傳輸給Arduino、KL25Z等單片機(jī)進(jìn)行心率和血氧計(jì)算。此外，該芯片還可通過(guò)軟件關(guān)斷模塊，待機(jī)電流接近為零，實(shí)現(xiàn)電源始終維持供電狀態(tài)。所以，MAX30102能以最大的準(zhǔn)確性監(jiān)測(cè)老人的心率和血氧信息。老人的運(yùn)動(dòng)量越大，心跳就越快，顯示出的數(shù)據(jù)值就越大。

樹(shù)莓派（B+）總體工作流程圖

因此，通過(guò)MAX30102模塊監(jiān)測(cè)心率和血氧信息，能讓家人更好的了解老人的心率變動(dòng)。心率測(cè)量設(shè)置的周期是每10分鐘測(cè)量一次，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)心率偏低或者偏高時(shí)會(huì)有預(yù)警通知，當(dāng)老人發(fā)生摔倒時(shí)也會(huì)有SOS緊急聯(lián)絡(luò)功能，時(shí)刻監(jiān)控老人的安全。

3.1 3GSM模塊

GSM模塊，是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲(chǔ)器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、GSM射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊。GSM模塊具有發(fā)送SMS短信，語(yǔ)音通話，GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，基于GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的所有基本功能使用ARM或者單片機(jī)通過(guò)RS232串口與GSM模塊通信，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令來(lái)控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線通信功能，例如：發(fā)送短信，撥打電話，GPRS撥號(hào)上網(wǎng)等。因此，本次設(shè)計(jì)中，我們采用GSM模塊連接服務(wù)器端和客戶端，一旦老人發(fā)生意外，不僅在他們的家人那里會(huì)及時(shí)收到緊急通知，而且老人們還可以自己一鍵式報(bào)警。

3.2 Air530模塊

Air530模塊是一款高性能、高集成度的多模衛(wèi)星定位導(dǎo)航模塊。體積小、功耗低，可用于車載導(dǎo)航、智能穿戴、無(wú)人機(jī)等GNSS定位的應(yīng)用中。而且提供了和其他模塊廠商兼容的軟、硬件接口，大幅減少了用戶的開(kāi)發(fā)周期。模塊支持 GPS/Beidou/GLONASS/Galileo/QZSS/SBAS。采用了射頻基帶一體化設(shè)計(jì)，集成了 DC/DC、LDO、LNA、射頻前端、基帶處理、32位RISCCPU、RAM、FLASH存儲(chǔ)、RTC和電源管理等功能。提供超高的性能，即使在弱信號(hào)的地方，也能快速、準(zhǔn)確的定位。

3.3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)系統(tǒng)的各硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)也是十分重要的。本次設(shè)計(jì)的智能老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)以樹(shù)莓派B+型為主要的控制芯片，嵌入傳感器MAX30102、Air530模塊等硬件設(shè)備，GSM模塊把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送到手機(jī)微信小程序上通過(guò)可顯示屏顯示心率、位置這些檢測(cè)數(shù)據(jù)，最后如果有意外情況發(fā)生，裝置發(fā)生報(bào)警。

本系統(tǒng)能定位老人的位置，會(huì)將位置信息和相關(guān)的急救知識(shí)在老人發(fā)生意外時(shí)顯示到顯示屏上和發(fā)送到家人的手機(jī)上，能做到防止老人走丟，并在老人發(fā)生意外情況時(shí)進(jìn)行報(bào)警、在家人救護(hù)老人時(shí)防止發(fā)生二次傷害。

系統(tǒng)硬件連接實(shí)物圖

4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)、ECS云服務(wù)器的設(shè)計(jì)以及客戶端界面的設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目借助當(dāng)下最火熱的微信小程序進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，減少了很多不必要的設(shè)計(jì)。首先利用各傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一由GSM模塊發(fā)送到ECS云服務(wù)器。在客戶端，我們主要借助微信小程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和對(duì)老人的監(jiān)控。小程序中主要包括心率監(jiān)測(cè)、定位、語(yǔ)音通話和接收消息推送等功能?？蓪?shí)時(shí)接收由服務(wù)端反饋過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并顯示在顯示屏上。樹(shù)莓派將信息通過(guò)串口發(fā)送給GSM通信模塊，服務(wù)器端收到控制界面的控制指令時(shí)將數(shù)據(jù)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇缑嬷酗@示，并通過(guò)無(wú)線通信方式控制樹(shù)莓派進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送、處理、存儲(chǔ)、顯示、報(bào)警等系列功能。

5. 系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證

為測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性與有效性，需要分別針對(duì)位置信息的準(zhǔn)確性、緊急狀況下裝置是否報(bào)警、是否能有針對(duì)性發(fā)送救護(hù)知識(shí)、是否可一鍵報(bào)警等問(wèn)題進(jìn)行模擬測(cè)試，由于條件有限，此處不進(jìn)行具體展示。

6. 結(jié)束語(yǔ)

隨著人口老齡化的加劇，老人的安全問(wèn)題逐漸得到重視，如何有效防止不必要傷害的發(fā)生也成為人們廣泛關(guān)注的問(wèn)題。該系統(tǒng)基于樹(shù)莓派（B+型）設(shè)計(jì)制作了一款老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，將各個(gè)模塊采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GSM模塊傳送到服務(wù)器中，服務(wù)器將數(shù)據(jù)發(fā)送并顯示在手機(jī)微信小程序上，用戶通過(guò)顯示屏可以查看老人的具體位置、當(dāng)前身體狀況等。研究及結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用和發(fā)展前景。