基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的老人環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究*

柳亞輸 李永波 杜振龍

泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院 江蘇 泰州 225300

引言

“2019年底，我國65周歲及以上人口已達(dá)17603萬人（約1.76億）”[1]。伴隨著醫(yī)療技術(shù)進(jìn)步和交通系統(tǒng)的日漸完善，我國逐漸邁入老齡化社會，越來越多的老年人選擇居家養(yǎng)老。目前由于獨(dú)生子女家庭占比較大，加之社會節(jié)奏加快、工作壓力加大、很多居家老人絕大多數(shù)時間處于獨(dú)居狀態(tài)；這導(dǎo)致了他們獨(dú)居時的環(huán)境無法實(shí)時反饋給子女和醫(yī)護(hù)機(jī)構(gòu)，無法保證老人獨(dú)居時的健康和安全。正是基于這個原因，我們設(shè)計基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的老人環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以監(jiān)測老人獨(dú)居時的環(huán)境，從而保證老人的健康。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

此次設(shè)計采用Arduino控制板，Arduino是一款開源的硬件開發(fā)控制板，2005年在意大利面世[2]，利用傳感器采集影響?yīng)毦永先私】档臏囟取穸?、光照、空氣中顆粒物濃度和心率等參數(shù)。Arduino 單片機(jī)的主要功能就是連接不同類型的傳感器來獲取外界環(huán)境的信息，然后根據(jù)獲取的信息向執(zhí)行元件發(fā)出相應(yīng)的指令，達(dá)到改變外部環(huán)境的目的[3]。

通過無線通信模塊將實(shí)時的環(huán)境參數(shù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時可以利用物聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)現(xiàn)參數(shù)的存儲和分析利用，建立老人的專門的健康數(shù)據(jù)庫，有利于疾病的預(yù)防和健康狀態(tài)的動態(tài)實(shí)時監(jiān)測。采用功能模塊設(shè)計，對于后續(xù)的維修和檢測提供了極大的便利。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)核心元件選型

2.1 Arduino控制板

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[4]，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)[5]，選擇Arduino的UNO板可以直接使用，簡化了本系統(tǒng)的設(shè)計。

2.2 溫度/濕度傳感器

對于老年人而言，其居住的環(huán)境大多數(shù)住在較低的樓層，很多老人是居住在一樓甚至平房里。他們的居住空間相對較小，樓層低，很多網(wǎng)線，電源線接口都在他們居住的范圍

內(nèi)，因此對溫度/濕度傳感器的抗干擾能力要求較高；根據(jù)以上要求選擇DHT11溫濕度傳感器模塊（如圖2所示）。該傳感器占用面積非常小，精度達(dá)到0.2，采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，抗干擾性能強(qiáng)，常用于家庭溫度控制、工業(yè)測溫等方面，適合于小空間進(jìn)行數(shù)字溫度檢測。該傳感器的濕度測量范圍，20%～90%RH（0～50℃溫度補(bǔ)償），溫度測量方位是0～50℃，響應(yīng)時間＜5s。

圖2 DHT11溫濕度傳感器

圖3 GY302光照傳感器

2.3 光照傳感器和顆粒物傳感器

采用關(guān)照傳感器監(jiān)測獨(dú)居老人的居住環(huán)境，從而根據(jù)其居住環(huán)境的光線變化提醒老人起床和睡眠。要求該傳感器接近人眼視覺靈敏度，從而更容易觀察，精度要求高，對環(huán)境光源變化敏感，綜合以上要求選擇GY302光照傳感器，其光照度范圍：0-65535勒克斯，采用數(shù)字輸出，省略復(fù)雜的計算，接近于視覺靈敏度的分光特性，對于常見家具環(huán)境的光亮度進(jìn)行1勒克斯的高精度測定。

2.4 顆粒物傳感器和心率傳感器

大氣污染物種類繁多，目前我國環(huán)境保護(hù)部門監(jiān)測大氣污染物時采用PM10這個指標(biāo)。其定義是監(jiān)測環(huán)境空氣中塵?；蝻h塵的空氣，當(dāng)量直徑為10μm的塵?；蝻h塵在環(huán)境空氣中的濃度。目前天氣霧霾的最主要原因是PM2.5，也是影響人體健康的主要原因之一，其濃度越高，導(dǎo)致的呼吸疾病和心血管病的發(fā)病率也越高。對于獨(dú)居老人而言，這兩項疾病也是他們健康的最主要威脅，因此必須對獨(dú)居老人居住環(huán)境的PM2.5進(jìn)行檢測。綜合考慮后，選擇ZH03B型PM2.5顆粒物傳感器，它是一個小型化激光粉塵傳感器模組，具有良好的一致性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，體積小，便于集成應(yīng)用，檢測范圍是0.3-10微米，響應(yīng)時間是1秒。

圖4 ZH03B顆粒物傳感器

圖5 MDL0025脈搏傳感器

直接精確測量人體的心率目前是無法實(shí)現(xiàn)的，脈搏和心率是正向相關(guān)的，目前普遍通過測量脈搏來間接測試心跳速率。本文選擇的5MDL0025脈搏傳感器，該傳感器可以戴在手指或者耳垂上，通過開源的App程序，實(shí)時顯示出人體的心率。

2.5 顯示模塊和報警模塊

顯示屏模塊，因為顯示的內(nèi)容不多，所以選擇1.3寸的顯示屏模塊，4針支持I2C接口，顯示白光或者藍(lán)光，外形尺寸35.4*31.7*2.7mm，工作溫度-30～70℃。

報警模塊，采用Risym無源蜂鳴器模塊，低電平觸發(fā)，尺寸32*13mm，設(shè)置有固定螺栓孔，方便安裝。

3 程序設(shè)計及運(yùn)行效果

本套裝置接通電源后，arduino控制芯片進(jìn)行初始化設(shè)置，隨后各種傳感器初始化設(shè)置，該過程大約持續(xù)10秒左右，隨后顯示屏顯示當(dāng)前信息，然后通過按鍵設(shè)置溫度、濕度、PM2.5濃度和心率的報警值，如圖6所示。隨后整個系統(tǒng)開始工作，各個傳感器收集環(huán)境和人體的參數(shù)值，同時通過無線模塊將信息發(fā)給手機(jī)和云平臺，云平臺會實(shí)時記錄各個參數(shù)，形成一個關(guān)于老人身體健康和居住環(huán)境的健康和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。一旦某項參數(shù)超出設(shè)定值，就會觸發(fā)蜂鳴器報警，同時通過手機(jī)app和云平臺會將報警信息發(fā)送給子女、醫(yī)護(hù)人員、社區(qū)工作人員及急救中心尋求幫助和救護(hù)。

圖6 溫濕度結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計、組裝調(diào)試后，對系統(tǒng)的功能進(jìn)行了測試，通過實(shí)驗可以看到顯示的溫度、濕度、PM2.5濃度和心率的監(jiān)測結(jié)果，實(shí)現(xiàn)檢測表明該系統(tǒng)的響應(yīng)時間在10秒以內(nèi)，完全能夠滿足獨(dú)居老人日常環(huán)境監(jiān)測和緊急情況下的自動救助需求。

4 結(jié)束語

本文以居家老人的環(huán)境為研究對象，通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺、手機(jī)App和溫、濕度、顆粒物等多種傳感器共同構(gòu)成一個監(jiān)測獨(dú)居老人居住環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測參數(shù)實(shí)時傳送到云平臺和手機(jī)，能夠有效監(jiān)測老人的居住環(huán)境；一旦出現(xiàn)緊急情況可以通過手機(jī)App和云平臺，向相關(guān)的社區(qū)和醫(yī)護(hù)機(jī)構(gòu)及其子女，發(fā)送求助信息，從而確保老人的健康。