基于樹莓派的獨居老人健康監(jiān)護系統(tǒng)

屈碩 邱力軍 張秦偉

摘要：近幾年，隨著我國經(jīng)濟社會發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人口老齡化的趨勢日益增長明顯。第四次中國城鄉(xiāng)老年人生活狀況抽樣調(diào)查顯示，我國“空巢老人”人數(shù)已突破1億。老齡化、少子化、經(jīng)濟發(fā)展帶來的工作流動，讓老人們獨居成了普遍狀態(tài)。獨居老人是特殊的老年群體，他們?nèi)鄙儆H人的陪伴，一旦發(fā)生意外很容易出現(xiàn)救助不及時的情況。鑒于上述原因，獨居老人的平安居家養(yǎng)老問題已經(jīng)成為社會需要解決的問題之一。文章提出了一種基于樹莓派軟件平臺來監(jiān)護老人健康的系統(tǒng)，實現(xiàn)了對獨居老人遠程實時的健康監(jiān)護。系統(tǒng)通過接收傳感器節(jié)點采集到老人的血壓信息、血氧信息和體表溫度信息，通過對數(shù)據(jù)的解析給出老人健康質(zhì)量報告。如果發(fā)生老人摔倒等突發(fā)事件，系統(tǒng)會自動發(fā)送設(shè)置好的短信和郵件通知其緊急聯(lián)系人。

關(guān)鍵詞：獨居老人；樹莓派；健康監(jiān)護

中圖分類號：TP274 ?文獻標志碼：A

0 引言

隨著人口增長放緩與人口老齡化的進程加快，我國老年人口比例越來越大，尤其是大城市的老齡化趨勢越來越明顯［1］。伴隨著第一批獨生子女的父母逐漸步入老年，獨生子女也已進入中年。他們面臨著4個老人的贍養(yǎng)與1個孩子的撫養(yǎng)，家庭負擔越來越重［2］。在如今快節(jié)奏的生活方式下，子女或其他家人的生活習慣、作息時間跟老人之間有很大不同，這也使得更多的老年人成為獨居老人［3］，面臨著居家養(yǎng)老的許多生活不便或者困難，甚至是安全風險隱患。為化解獨居老人的居家養(yǎng)老安全風險，更好地滿足基本養(yǎng)老服務(wù)需求，使用智能系統(tǒng)實現(xiàn)對獨居老人的實時動態(tài)健康監(jiān)測顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體框架

該系統(tǒng)選用樹莓派4代B作為開發(fā)主板。樹莓派4B是一種基于ARM的微型便攜電腦主板，可搭載Linux系統(tǒng)，并且在處理器速度上與樹莓派2/3B相比有明顯提升。除了具備計算機的基本功能外，該主板還配備GPIO接口。通過GPIO接口可以外接體溫傳感器、心率血氧傳感器以及藥品壓力傳感器等外圍設(shè)備，采集老人體溫、心率、血壓、藥品重量等數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)存儲在SQLite數(shù)據(jù)庫中［4］。為了實時監(jiān)測老人的居家情況，該系統(tǒng)使用外接攝像頭將目標檢測視頻傳輸至Web服務(wù)器，用戶可以利用手機、電腦、平板等設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接到Web服務(wù)器上進行查看。該樹莓派4代B平臺集Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、控制系統(tǒng)于一體，形成B/S工作模式，靈活小巧便于用戶遠程監(jiān)控。系統(tǒng)總體框架流程如圖1所示。

1.2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)是通過通信技術(shù)將控制設(shè)備、體溫傳感器、心率血壓傳感器、紅外感應(yīng)傳感器、壓力傳感器、攝像頭舵機臺等連接在一起，具有以下多種功能作用。

1.2.1 樹莓派控制模塊

選取樹莓派4B作為本次系統(tǒng)控制器，使用SD卡作為“硬盤”具有移動便攜性。樹莓派通過自身GPIO引腳連接各項傳感器，能夠有效地將各項傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，并且將數(shù)據(jù)上傳到Web服務(wù)器，使監(jiān)護人能夠?qū)崟r關(guān)注老人的各項體征指標。本次設(shè)計采用Linux操作系統(tǒng)，搭載OPENCV環(huán)境完成目標檢測功能，實時傳輸目標監(jiān)控到監(jiān)護人移動終端和OneNET平臺。

1.2.2 體溫檢測模塊

體溫檢測模塊使用紅外測溫，主要應(yīng)用于紅外測溫儀、測溫門系統(tǒng)、人臉識別一體機等。通過體溫檢測器內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)，在探測部位轉(zhuǎn)化為電信號，將該信號轉(zhuǎn)化為溫度數(shù)據(jù)返回到樹莓派數(shù)據(jù)庫。紅外測溫器具有高精度、響應(yīng)快的特點，對于獨居老人體溫的檢測會更加準確快捷。

1.2.3 心率血壓檢測模塊

心率血壓檢測模塊用來檢測獨居老人每日健康狀況，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?。當老人心率血壓出現(xiàn)突發(fā)性異常時，會迅速發(fā)送短信提醒監(jiān)護人。模塊可分為兩部分。一部分為模擬信號采集電路，檢測模塊通過RED和IR燈發(fā)出特定固有波長光，并且采集反射光，經(jīng)過光電二極管將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，最終經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。另一部分為數(shù)字處理電路，將A/D轉(zhuǎn)換出來的原始數(shù)據(jù)進行濾波處理后放置于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，樹莓派通過IIC接口讀寫芯片內(nèi)部寄存器并讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

1.2.4 紅外感應(yīng)模塊

紅外感應(yīng)模塊用于每日語音播報，提醒老人在固定時間服藥，便于老人感應(yīng)驅(qū)動舵機自動取藥的操作。紅外感應(yīng)傳感器通過熱釋電原理進行工作，當感應(yīng)到老人取藥時，藥盒自動打開，取走藥品后藥盒自動關(guān)閉。

1.2.5 壓力傳感檢測模塊

藥盒下方置有薄膜壓力傳感器，藥盒中的藥品余量不足時，設(shè)定藥品壓力閾值通過壓力檢測出藥物量多少，并向監(jiān)護人發(fā)送“藥量不足，請補充”的短信提示。壓力傳感器主要工作原理是通過閾值設(shè)定在起始階段，當壓力突破一定壓力閾值之后，導(dǎo)通電阻有一個限定范圍，設(shè)定閾值之前FSR相當于一個開關(guān)。當超過設(shè)定閾值時，F(xiàn)SR的電阻與壓力之間就呈現(xiàn)一種連續(xù)變化的關(guān)系。

1.2.6 舵機云臺模塊

樹莓派4B含有攝像頭內(nèi)置驅(qū)動，只需外接一個攝像頭和舵機云臺的搭建，進行配置組裝與樹莓派驅(qū)動處相連即可。攝像頭云臺監(jiān)控含有目標檢測和YOLOv5使用，需要進行模型訓(xùn)練，首先通過對實時視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，接著引入領(lǐng)域信息，將其輸入YOLOv5網(wǎng)絡(luò)進行對老人發(fā)生突發(fā)事件的實時監(jiān)控檢測。

1.3 軟件設(shè)計

此系統(tǒng)采用Linux作為樹莓派的操作系統(tǒng)。在官網(wǎng)上鏡像下載Linux系統(tǒng)包，可以迅速搭建Linux系統(tǒng)。本次設(shè)計采用的VNC工具是VNC viewer。只需在VNC viewer的登錄界面輸入樹莓派的IP地址，輸入樹莓派的用戶名和密碼，便可遠程訪問樹莓派界面進行通信。

本設(shè)計主要完成體征監(jiān)測、提醒服藥、目標檢測和監(jiān)控功能，因此在設(shè)計時依照功能需求對系統(tǒng)程序進行模塊化設(shè)計。體征檢測和提醒服藥程序設(shè)計流程如圖2所示。

具體工作如下：當每日設(shè)定服藥時間到達時，語音播報提醒老人按時服藥。若在此時通過傳感器信息測得老人的生理參數(shù)包括體溫、心率、血氧等發(fā)生異常，將迅速通過信息提醒監(jiān)護人老人身體狀況。若此時藥品重量小于閾值，則通過信息提醒監(jiān)護人須及時補充藥品。該系統(tǒng)在此環(huán)節(jié)中還設(shè)置了一鍵求救功能，若老人發(fā)生緊急意外或突然跌倒無法起身，但具備自主意識時，使用者可以通過一鍵求救功能，將“我需要幫助”信息發(fā)送至監(jiān)護人移動端。目標檢測功能程序如圖3所示。

樹莓派聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)后可以將每日檢測到的老人體溫、心率、血氧等數(shù)據(jù)上傳至OneNET云端，監(jiān)護人可隨時通過手機移動端進行查看。移動端通過訪問樹莓派實時目標監(jiān)控畫面進行實時監(jiān)控。云端服務(wù)器流程如圖4所示。

2 軟硬件調(diào)試

2.1 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)主要由樹莓派平臺及其外圍模塊（薄膜壓力傳感器、舵機云臺攝像頭）組成。其中，樹莓派為中心控制器，進行網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸和對各外圍模塊采集到信息的處理。各外圍模塊分別進行下述各類信息的收集：體溫傳感器檢測老人實時體溫；心率血壓傳感器檢測老人心率血氧情況；紅外感應(yīng)傳感器用來感應(yīng)藥盒開關(guān)；舵機云臺攝像頭模塊進行實時目標監(jiān)測等。

2.2 功能實測分析

在體溫心率檢測中，溫度區(qū)間設(shè)置為36～37.5 ℃，經(jīng)測試超出設(shè)置溫度區(qū)間時報警信息發(fā)送到手機端。當老人心率血壓超過醫(yī)學(xué)參考范圍，數(shù)據(jù)被傳送到OneNET，并且將信息發(fā)送到監(jiān)護人手機端。語音播報將在規(guī)定的時間段內(nèi)提醒老人進行藥物服藥，若藥盒的壓力傳感器檢測到藥品重量小于設(shè)定閾值，通過手機端提醒監(jiān)護人“藥量不足，請補充”。目標檢測監(jiān)控實現(xiàn)了對老人的動態(tài)監(jiān)測，發(fā)生 ?突發(fā)事件便于及時的處理。提前進行算法模型訓(xùn)練，主要通過先對實時視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，接著引入領(lǐng)域信息，將其輸入YOLOv5網(wǎng)絡(luò)進行對老人發(fā)生突發(fā)事件的實時監(jiān)控檢測。將通過各項功能檢測到的數(shù)據(jù)上傳到OneNET云端并保存，通過電腦、手機端都可查看。

3 結(jié)語

獨居老人健康監(jiān)護系統(tǒng)是提升獨居老人幸福感、增加獨居老人子女安全感的重要途徑，本系統(tǒng)主要將樹莓派結(jié)合傳感器技術(shù)和攝像頭舵機云臺物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用于老人健康監(jiān)護。該系統(tǒng)使用多種傳感器，實現(xiàn)了對老人健康檢測等數(shù)據(jù)的采集，通過壓力傳感器對藥品量進行實時控制，使用攝像頭舵機云臺實現(xiàn)目標檢測實時監(jiān)控，所獲取的數(shù)據(jù)具有良好的實時性與準確性。該系統(tǒng)主要運用了各種數(shù)據(jù)庫和Web服務(wù)器，便于研究人員調(diào)用編寫和測試，并使用OneNET云端以及IFTTT App進行監(jiān)控提示和數(shù)據(jù)的通信，便于監(jiān)護人監(jiān)護。

參考文獻

［1］張朕.智慧醫(yī)養(yǎng)護一體化服務(wù)平臺分析與設(shè)計［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2020.

［2］周真宇.子女支持對城市空巢老人精神健康的影響［D］.重慶：重慶工商大學(xué)，2021.

［3］蔣承鈺.高校社區(qū)高知空巢老人健康保障服務(wù)介入［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2020.

［4］張自豪.基于可穿戴設(shè)備的社區(qū)監(jiān)護系統(tǒng)［D］.南寧：廣西師范大學(xué)，2021.

（編輯 王雪芬）

Health monitoring system for the elderly living alone based on Raspberry Pi

Qu? Shuo， Qiu? Lijun， Zhang? Qinwei

（Xijing University， Xian 710123， China）

Abstract：? In recent years， with the economic and social development of China and the improvement of peoples living standards， the trend of population aging has become increasingly obvious. According to the fourth sample survey on the living conditions of the elderly in Chinas urban and rural areas， the number of “empty nesters” in China has exceeded 100 million. The aging， childlessness and job mobility brought by economic development have made the elderlya common state for the elderly. As the elderly get older， their physical fitness and physiological functions become weaker， and the risk of disease increases significantly. The elderly living alone are a special group of elderly people who lack the company of their relatives and are prone to untimely assistance in case of accidents. In view of the above reasons， the problem of home-based careservices safely for the elderly living alone has become one of the problems that society needs to solve. This thesis proposes a system based on the Raspberry Pi software platform to monitor the health of the elderly， which realizes the remote real-time health monitoring of the elderly living alone. The system receives the blood pressure information， blood oxygen information and body temperature information of the elderly from the sensor nodes， and gives the health quality report of the elderly by analyzing the data. In case of unexpected events such as falls， the system will automatically send set SMS and email to notify their emergency contacts.

Key words： elderly people living alone; Raspberry pi; health monitoring