基于云平臺的居家老人安全信息采集系統(tǒng)

王夢真，余亞東

（紹興文理學(xué)院數(shù)理信息學(xué)院，浙江紹興，312000）

0 引言

在新時代的大背景下，我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展穩(wěn)定，也使我國迅速進(jìn)入老齡化社會，有關(guān)研究表明，早在2000年我國已經(jīng)步入人口老齡化時期，截至2017年，全國60歲以上老人多達(dá)2.4億，占總?cè)丝诒戎馗哌_(dá)17.3%，預(yù)計(jì)在2050年我國將成為人口老齡化最為嚴(yán)重的國家之一[1]。

老年人由于行動遲緩、記憶力減退、反應(yīng)能力下降等因素，導(dǎo)致老人獨(dú)居時身體出現(xiàn)問題或發(fā)生意外時無人發(fā)現(xiàn)，會對老人產(chǎn)生不可控的傷害。隨著我國人口老齡化進(jìn)程的加速，保障“空巢老人”的健康安全逐漸被社會重視。

我國科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展創(chuàng)新，云計(jì)算與大數(shù)據(jù)資源逐漸占領(lǐng)了人們的視野，信息數(shù)據(jù)的有效利用、交換和共享功能被充分利用，“智能化”、“自動化”的生活方式漸漸成為主流，“智慧養(yǎng)老”的概念也開始被大眾接受。于是，緊急呼叫機(jī)、老年人專用手環(huán)等系列產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生[2]。

但經(jīng)了解發(fā)現(xiàn)目前市面上存在的相關(guān)產(chǎn)品大多存在功能單一、誤差率較高、數(shù)據(jù)無法上傳客戶端等不足。因此本文提出一種基于云平臺的居家老人安全信息采集系統(tǒng)，以阿里云平臺作為中介，可穿戴式傳感器作為檢測設(shè)備，當(dāng)檢測到如脈搏跳動次數(shù)過高、煙霧濃度突然升高等異常數(shù)據(jù)時，傳感器會將該數(shù)據(jù)通過阿里云發(fā)送至老人親屬的接收設(shè)備（如手機(jī)、電腦等），實(shí)現(xiàn)對老人健康安全的實(shí)時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集端、主控制端、平臺中轉(zhuǎn)站和客戶接收端四部分構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集端根據(jù)功能又可分為脈搏檢測模塊、加速度檢測模塊和煙霧濃度檢測模塊，是一套可應(yīng)用于緊急救助服務(wù)的智能健康安全監(jiān)測系統(tǒng)，總體設(shè)計(jì)如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)采集端以STC89C51單片機(jī)為核心，利用紅外反射式傳感器、三軸加速度傳感器、MQ-2型煙霧傳感器實(shí)時檢測老人的脈搏數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)（即是否發(fā)生摔倒情況）和煙霧濃度數(shù)據(jù)，將檢測數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，將閾值范圍外的數(shù)據(jù)定義為異常數(shù)據(jù)，通過WIFI模塊實(shí)現(xiàn)與主控制端的交互，異常數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站上傳至阿里云平臺，云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，對于取得授權(quán)的用戶可以通過個人設(shè)備接收到來自云平臺的消息，從而實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)與用戶之間的信息交互。

圖1 總體設(shè)計(jì)示意圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件方面主控制板和數(shù)據(jù)采集端組成。其中，數(shù)據(jù)采集端包括脈搏檢測模塊、加速度檢測模塊和煙霧濃度檢測模塊。

2.1.1 主控制端

主控制板由STM32與有方n720作為核心，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交互。使用EMW3080作為WIFI模塊，經(jīng)串口發(fā)送的AT指令對模塊進(jìn)行控制。交互過程如圖2所示，主控制板通過WIFI模塊實(shí)現(xiàn)采集終端與主控制板的交互，通過有方n720無線通信模塊實(shí)現(xiàn)主控制板與云平臺間的交互。使各傳感器檢測的數(shù)據(jù)（脈搏跳動次數(shù)、加速度大小、煙霧濃度大小）通過WIFI模塊傳輸至STM32，與設(shè)定閾值進(jìn)行對比，將異常數(shù)據(jù)通過有方n720模塊傳輸至云平臺，使其能準(zhǔn)確及時地傳輸至接收終端。同時該芯片具有高穩(wěn)定性，可使本產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)7*24小時無人值守。

圖2 主控制端原理圖

2.1.2 數(shù)據(jù)采集端

不同類型的健康安全指標(biāo)，本產(chǎn)品分別選用不同的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測。

對于脈搏檢測，采用紅外反射式傳感器，如圖3（a）所示，ST188作為檢測元件，以STC89C51單片機(jī)作為控制器，將佩戴者的脈搏信息轉(zhuǎn)化成方波信號，方波信號傳入并觸發(fā)單片機(jī)進(jìn)入外部中斷函數(shù)，實(shí)時采集并記錄心率脈搏信息[3]。

對于摔倒檢測，由于老人在正常行走時加速度較小，而出現(xiàn)摔倒等情況時加速度會突然增大（尤其是z軸加速度），因而使用加速度的數(shù)據(jù)反映老人運(yùn)動狀態(tài)。采用壓電式三軸加速度傳感器，如圖3(b)所示，利用壓電效應(yīng)，當(dāng)老人走動的振動頻率遠(yuǎn)小于傳感器的固有頻率時，傳感器輸出的電壓與此時的作用力成正比，從而檢測出此時老人運(yùn)動的加速度。我們設(shè)定一個加速度向量幅值SVM用于衡量運(yùn)動快慢，其定義式如下[4]：

式中，ax、ay、az分別為x、y、z軸的加速度數(shù)據(jù)。

對于居家用火安全，使用煙霧濃度反映環(huán)境狀況。以STC89C51單片機(jī)為核心，使用MQ-2型煙霧傳感器，如圖3(c)所示，采集煙霧濃度信息，當(dāng)傳感器與煙霧接觸時，傳感器材料的晶粒間界處的勢壘會因煙霧濃度的變化而變化，從而引起材料表面導(dǎo)電率的變化[5]。

圖 3 元件簡圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

以上三個模塊組成感知層采集數(shù)據(jù)，主控制端作為處理層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)比較，再通過阿里云與設(shè)備端的交互實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[6-7]。

創(chuàng)建產(chǎn)品：我們在平臺云端創(chuàng)建脈搏傳感器、加速度傳感器和煙霧傳感器三個產(chǎn)品，得到ProductKey，如圖4所示。然后創(chuàng)建每個產(chǎn)品的對應(yīng)設(shè)備，得到DeviceName，此時設(shè)備狀態(tài)為未激活。

圖4 阿里云產(chǎn)品示意圖

配置阿里云：第一步，將設(shè)備端與云平臺端進(jìn)行MQTT CONNECT連接，服務(wù)器接收由客戶端發(fā)起CONNECT請求，再其根據(jù)連接參數(shù)、Client ID、Username、Password等數(shù)據(jù)對客戶端進(jìn)行驗(yàn)證，并將結(jié)果通過CONNACK發(fā)回客戶端。第二步，新建服務(wù)流，在設(shè)備收發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇我們創(chuàng)建的設(shè)備，選擇上報類型為事件上報，數(shù)據(jù)來源為設(shè)備觸發(fā)，設(shè)備上報的事件類型可選擇煙霧報警與煙霧濃度讀數(shù)等，最后調(diào)試設(shè)備部署服務(wù)，啟動設(shè)備[8]。

我們在對應(yīng)的物理設(shè)備上運(yùn)行一次三元組，上線后設(shè)備狀態(tài)由未激活轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰€狀態(tài)，即可開始收發(fā)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

現(xiàn)場測試時我們將設(shè)備置于手腕間，將閾值設(shè)定為：脈搏頻率60～100次/分鐘，加速度2.2米/秒，煙霧濃度5%obs/米（即在經(jīng)過單位長度后，光被煙霧顆粒遮蔽程度的百分比），使用7個組進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)，最終測試結(jié)果如圖所示。其中，a表示一切正常、b表示脈搏異常、c表示有摔倒情況發(fā)生、d表示有火災(zāi)情況發(fā)生?！瘫硎窘邮盏较鄳?yīng)的報警消息及數(shù)據(jù)，×表示沒有接收到，×√表示與理論結(jié)果不符。

表1 測試結(jié)果（部分）

4 結(jié)語

為了解決當(dāng)下居家老人的安全問題，本文設(shè)計(jì)了基于云平臺居家老人安全采集系統(tǒng)，系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集端、主控制端、平臺中轉(zhuǎn)站和客戶接收端，可實(shí)現(xiàn)脈搏跳動次數(shù)、運(yùn)動加速度和室內(nèi)煙霧濃度的檢測。利用阿里云平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與用戶之間的信息交互，滿足了人們的生活需要。根據(jù)實(shí)際情況對產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍時，設(shè)備能夠接收到求救提示信號和實(shí)時數(shù)據(jù)，說明該設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的實(shí)用價值，可實(shí)際推廣應(yīng)用。