基于Arduino的老人環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究

柳亞輸，李衛(wèi)民，姜雯筠，關(guān)鳴九

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電學(xué)院，江蘇泰州，225300）

0 引言

第七次全國人口普查數(shù)據(jù)顯示，我國60歲及以上老年人口已達2.64億，占總?cè)丝诘?8.7%，老齡化程度進一步加深，老年人對醫(yī)養(yǎng)結(jié)合的健康養(yǎng)老服務(wù)需求日益增加[1]。預(yù)計到2040年，65歲及以上老年人口占總?cè)丝诘谋壤龑⒊^20%[2]。由于我國的文化習(xí)俗和城市化等方面的影響，越來越多的老人選擇了居家養(yǎng)老?，F(xiàn)在大多數(shù)家庭都是獨生子女，越來越多的老人選擇獨居，這就使得老人居家養(yǎng)老的健康和安全問題變的日益突出。基于此本文采用Arduino控制板，融合多傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計一種老人居家的遠(yuǎn)程健康智能監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時可以遠(yuǎn)程報警，對老人進行救助。

1 設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要有主控板Arduino，由溫濕度傳感器、燃?xì)鈧鞲衅骱皖w粒物傳感器構(gòu)成的環(huán)境檢測模塊；由心率脈搏傳感器構(gòu)成生理檢測模塊；語音識別模塊、物聯(lián)網(wǎng)串口模塊ESP8266和物聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)成（如圖1所示）。本系統(tǒng)可以檢測溫度、濕度、燃?xì)鉂舛群涂諝庵杏泻︻w粒物的濃度四種環(huán)境參數(shù)，心率和脈搏兩種生理參數(shù)；通過樂為物聯(lián)網(wǎng)平臺將檢測結(jié)果實時顯示在手機、平板和觸摸屏等終端上，當(dāng)超過設(shè)定的安全值物聯(lián)網(wǎng)平臺就會發(fā)送短信到親人手機實現(xiàn)報警的作用。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制板Arduino是一款開源硬件平臺,核心設(shè)備是Atmega328的微控制器[3],具有32KBFlash、1KBEEPROM、14路數(shù)據(jù)I/O口(其中6路可作為PWM輸出)和6路模擬輸入口,內(nèi)部封裝了多種常用開發(fā)庫以及多種常用傳感器測量的庫函數(shù)[4-7],選擇Arduino的UNO板可以直接使用，簡化了本系統(tǒng)的設(shè)計。

溫濕度傳感器采用DHT20溫濕度傳感器，該傳感器具有功耗低、精度和穩(wěn)定性都很高、抗干擾能力強，廣泛應(yīng)用于消費電子、智能空調(diào)、氣象等方面，其溫度測量誤差為±0.5℃，濕度測量誤差為±3%RH完全可以滿足本設(shè)計的要求。

燃?xì)鈧鞲衅鞑捎肕Q2煙霧氣敏傳感器,可用于家庭和工廠的泄漏氣體檢測，可以檢測液化氣體、甲烷、丙烷、丁烷和煙霧等氣體。這種傳感器的檢測濃度范圍300-10000ppm（可燃?xì)怏w），可以滿足本設(shè)計的要求。

顆粒物傳感器采用精訊暢通PM2.5/PM10顆粒物檢測器，該傳感器有兩種工作方式，主動上報模式和問詢模式；測量范圍0-999微克/米3，分辨率為1微克/米3，最小檢出粒子直徑為0.3微米，響應(yīng)時間小于1.5秒，工作溫度在-10—60℃；完全滿足本設(shè)計的要求。

語音識別傳感器采用亞博智能語音識別模塊，基于LD3320芯片實現(xiàn)漢語語音識別；采用語音喚醒詞+命令詞的方式讓終端設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的命令；有3種識別模式：循環(huán)檢測模式、口令觸發(fā)模式和按鍵觸發(fā)模式，有帶有掉電保存功能；識別率達到96%，可以滿足本設(shè)計的要求。

心率脈搏傳感器采用PulseSensor傳感器，這款傳感器通過arduino控制板的串口上的上位機的processing軟件可以實時顯示出心跳和脈搏的數(shù)據(jù)；工作原理是通過綠光Led燈將信號傳導(dǎo)到光感受器，經(jīng)由濾波電路和放大電路，最終將光信號轉(zhuǎn)換為電路的模擬信號輸出。這款傳感器的分辨率為bpm，放大倍數(shù)為330倍，滿足了本設(shè)計的需要。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 環(huán)境檢測程序設(shè)計

啟動系統(tǒng)后，進行環(huán)境檢測，檢測室內(nèi)的溫度、濕度、燃?xì)鉂舛群皖w粒物濃度將檢測結(jié)果（結(jié)果顯示在用戶手機app和Led屏上）與事先設(shè)定的預(yù)警值比較，當(dāng)超過警戒值時候就通過物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送微信、短信和郵件給用戶的手機進行報警。

3.2 生理檢測程序設(shè)計

啟動系統(tǒng)后，進行生理檢測，檢測室內(nèi)的溫度、濕度、燃?xì)鉂舛群皖w粒物濃度將檢測結(jié)果（結(jié)果顯示在用戶手機app和Led屏上）與事先設(shè)定的預(yù)警值比較，當(dāng)超過警戒值時候就通過物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送微信、短信和郵件給用戶的手機進行報警。

3.3 語音控制程序設(shè)計

啟動系統(tǒng)后，當(dāng)輸入語音指令時，就按照指令要求播報相應(yīng)的環(huán)境、生理數(shù)據(jù)；還可以利用語音控制關(guān)閉、報警和重置整個系統(tǒng)；語音控制模塊大大增強了系統(tǒng)的交互性，方便老人操控。

3.4 樂為物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計

樂為物聯(lián)網(wǎng)是一個免費的云端管理系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、顯示、分析、報警和分享燈功能。首先在該平臺注冊一個賬號，然后添加傳感器和控制器，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，設(shè)置完成后，物聯(lián)網(wǎng)平臺上就會實時出現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)；設(shè)置一個目標(biāo)值，當(dāng)傳感器數(shù)值超過目標(biāo)值時，平臺就會通過微信、短信和郵件向用戶報警，提醒用戶及時處理。如圖2所示是物聯(lián)網(wǎng)平臺上實時顯示的室內(nèi)顆粒物傳感器檢測檢測出來的PM2.5數(shù)據(jù)，可以清楚看到從實時，最近1小時，一直到最近一個月的數(shù)據(jù)。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)實時顆粒物濃度圖

系統(tǒng)的軟件采用Arduino IDE進行開發(fā)環(huán)境設(shè)計，程序設(shè)計調(diào)試完成之后下載到Arduino種進行運行。系統(tǒng)程序采用c語言進行編寫，同時調(diào)用IDE中的一些函數(shù)實現(xiàn)各個模塊的作用。程序的主要有主程序、初始化程序、環(huán)境檢測程序、生理檢測程序、語音控制程序燈共同構(gòu)成，其流程圖如3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)流程圖

4 功能性分析

本系統(tǒng)的一個顯著特點是運用多種傳感器、語音控制和物聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)成一個有機的整體從而在居住環(huán)境和生理指標(biāo)兩個主要的方面，實現(xiàn)了對居家老人的全面檢測；增加了語音控制功能，可以方便實現(xiàn)人機交互，使得系統(tǒng)更加友好；通過物聯(lián)網(wǎng)平臺，將設(shè)備、手機、平板和電腦有機聯(lián)通起來構(gòu)建一張網(wǎng)，實現(xiàn)了信息實時的共享和報警。

經(jīng)過反復(fù)試驗證明，基于arduino的老人環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，反饋信息及時。使用溫濕度傳感器、燃?xì)鈧鞲衅?、顆粒物傳感器、心率脈搏傳感器、語音控制模塊和物聯(lián)網(wǎng)模塊，構(gòu)建一套智能老人居家養(yǎng)老環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有自動監(jiān)測環(huán)境和生理參數(shù)，可以語音控制，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)報警和實時更新數(shù)據(jù)的功能。該系統(tǒng)適用于居家養(yǎng)老的老人，尤其適合于獨自居家的老人，具有很大的使用價值和市場應(yīng)用前景。