基于人工智能的居家老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉映群，黃嘉源，李泳智，何梓嶸，楊佳穎

1.廣東開(kāi)放大學(xué)（廣東理工職業(yè)學(xué)院），廣東廣州 510091

2.廣州理工學(xué)院，廣東廣州 510540

3.廣州城市理工學(xué)院，廣東廣州 510800

4.廣東技術(shù)師范大學(xué)，廣東廣州 524094

5.湛江科技學(xué)院，廣東湛江 524094

0 引言

人口老齡化作為“百年未有之大變局”在人口年齡結(jié)構(gòu)上的具體表現(xiàn)，目前已成為中國(guó)等大多數(shù)國(guó)家的基本國(guó)情。《國(guó)家積極應(yīng)對(duì)人口老齡化中長(zhǎng)期規(guī)劃》明確提出“強(qiáng)化應(yīng)對(duì)人口老齡化的科技創(chuàng)新能力”與“把技術(shù)創(chuàng)新作為積極應(yīng)對(duì)人口老齡化的第一動(dòng)力和戰(zhàn)略支撐”；黨的“十九大”報(bào)告提出“智慧養(yǎng)老”概念，這些都為物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等帶來(lái)了發(fā)展的契機(jī)[1]。根據(jù)聯(lián)合國(guó)對(duì)老齡社會(huì)的定義標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)在2021 年就已經(jīng)正式跨入老齡社會(huì)，必然會(huì)加劇監(jiān)護(hù)人對(duì)老人監(jiān)護(hù)不到位，缺乏對(duì)老人身體情況的掌握與老人情感需求不滿足等多方面的問(wèn)題，在農(nóng)村，實(shí)際居住人口老齡化程度可能進(jìn)一步加深，而老人在獨(dú)居生活當(dāng)中受到身體機(jī)能老化帶來(lái)的行動(dòng)不便、記憶力衰退等影響，容易存在忘記吃藥、摔倒、體征數(shù)據(jù)異常等方面的問(wèn)題。

現(xiàn)有的居家養(yǎng)老監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，如燕麗紅[2]提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能居家養(yǎng)老看護(hù)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)老人居家狀況監(jiān)控和報(bào)警功能，但缺乏對(duì)老人防摔倒的功能；李昌奇等人[3]提出的基于Android 和WiFi 的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)STM32 主控連接所有傳感器模塊，影響到傳感器的檢測(cè)準(zhǔn)確性與系統(tǒng)的效率，并同樣缺乏老人防摔倒功能。目前，防摔倒的方法有基于視覺(jué)的非接觸式設(shè)備與基于傳感器的接觸式設(shè)備，非接觸式如張曉華[4]提出的基于Jetson TX2 的老人跌倒監(jiān)護(hù)與王鵬等人[5]提出的基于FPGA 的視頻監(jiān)控摔倒檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，都能夠無(wú)佩戴式監(jiān)測(cè)跌倒異常，但存在當(dāng)攝像頭受到光照、角度與遮擋物等多因素影響準(zhǔn)確率的問(wèn)題；接觸式如羅文志等人[6]提出的基于LoRa 的老人跌倒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)與蔣亞飛等人[7]提出的基于Arduino的智能摔倒監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)傳感器檢測(cè)，較好規(guī)避復(fù)雜視覺(jué)環(huán)境誤判老人摔倒的風(fēng)險(xiǎn)，但存在設(shè)備可能需要頻繁充電而老人經(jīng)常忘記的問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出監(jiān)護(hù)機(jī)器人與智能手表的設(shè)計(jì)，兩種方式結(jié)合更為全面地監(jiān)測(cè)老人狀態(tài)，降低誤判可能性，并開(kāi)發(fā)移動(dòng)端App，實(shí)時(shí)控制機(jī)器人與獲取手表檢測(cè)數(shù)據(jù)等，使系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，解決獨(dú)居老人的生活保障問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成主要包括移動(dòng)端App、智能手表和機(jī)器人主體部分。在此系統(tǒng)中，移動(dòng)端App 擁有語(yǔ)音控制、體征數(shù)據(jù)、場(chǎng)景控制、遠(yuǎn)程視頻、報(bào)警信息提示與實(shí)時(shí)跟蹤等對(duì)機(jī)器人實(shí)時(shí)控制的功能；機(jī)器人主體則負(fù)責(zé)執(zhí)行由App 下達(dá)的指令；智能手表通過(guò)搭載各類傳感器進(jìn)行對(duì)老人體征數(shù)據(jù)的采集，并將采集到的體征數(shù)據(jù)傳輸至App。通過(guò)此系統(tǒng)，能夠達(dá)到對(duì)老人體征數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、對(duì)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制協(xié)助監(jiān)護(hù)的功能，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)居家老人監(jiān)護(hù)智能化、安全化的目的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖如圖1 所示。

1.1 機(jī)器人主體設(shè)計(jì)

機(jī)器人主體由攝像頭、底層硬件控制板與移動(dòng)輪組成，采用樹(shù)莓派4B 作為核心控制，燒錄樹(shù)莓派官方支持的Raspberry Pi OS 作為操作系統(tǒng)，并使用Python編程語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Python 是一種面向?qū)ο蟮拈_(kāi)源跨平臺(tái)設(shè)計(jì)語(yǔ)言，擁有各區(qū)域的代碼，如單元監(jiān)測(cè)、圖像處理和操作系統(tǒng)接口等，可以通過(guò)調(diào)用這些代碼進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以此來(lái)減少代碼冗長(zhǎng)和縮短開(kāi)發(fā)周期，還能將其他語(yǔ)言如C/C++等編寫(xiě)的模塊代碼很輕松地整合到一起，便于開(kāi)發(fā)[8-9]。

攝像頭：基于樹(shù)莓派系統(tǒng)來(lái)搭配攝像頭作為“眼睛”，搭載的二自由度攝像頭可通過(guò)攝像頭俯仰視180°、轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)環(huán)視180°實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行多方位的監(jiān)視，通過(guò)調(diào)用OpenCV（輕量級(jí)視覺(jué)的開(kāi)放源代碼的API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口））函數(shù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行視覺(jué)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)識(shí)別、跟蹤和測(cè)量等功能的開(kāi)發(fā)。

底層硬件控制板：將電機(jī)、陀螺儀與電池等外設(shè)與STM32 單片機(jī)連接控制，再將所有硬件配置全部封裝在底板中，最后通過(guò)串口通信使樹(shù)莓派4B 連接到STM32 單片機(jī)。至此，完成機(jī)器人主體的設(shè)計(jì)和通信連接。

1.2 智能手表設(shè)計(jì)

對(duì)于老人佩戴的手表來(lái)說(shuō)，智能手表的操作簡(jiǎn)單性和續(xù)航時(shí)間是比較重要的，而STC8A8K64SA12芯片的低功耗能夠極大提高手表的續(xù)航能力，4 個(gè)高速串口波特率時(shí)鐘源最快可為FOSC/4。此外，I2C（Inter-Integrated Circuit，集成電路總線）通信協(xié)議可支持主機(jī)模式和從機(jī)模式。通過(guò)STC8A8K64SA12 芯片搭配其他外設(shè)、模塊，可以滿足設(shè)計(jì)需求。佩戴智能手表監(jiān)測(cè)設(shè)備可以測(cè)量多種體征，如心率、血氧與體溫等，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)跌倒行為監(jiān)測(cè)[10]。

因此，智能手表的設(shè)計(jì)方案為：硬件核心采用STC8A8K64SA12 芯片，使用串口連接藍(lán)牙模塊、NBIoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）模塊，通過(guò)I2C 通信協(xié)議將實(shí)時(shí)時(shí)鐘PCF8563、血氧心率傳感器MAX30102模塊和陀螺儀等模塊與主控芯片通信。手表上搭載的體征數(shù)據(jù)傳感器和動(dòng)作姿態(tài)（屏幕雙擊、抬腕喚醒）采集數(shù)據(jù)后，在室內(nèi)模式可通過(guò)藍(lán)牙通信向機(jī)器人發(fā)送數(shù)據(jù)，在室外模式則通過(guò)NB-IoT 模塊將數(shù)據(jù)直接發(fā)送到云端服務(wù)器。手表硬件設(shè)計(jì)如圖2 所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人主體硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人主體通過(guò)搭載電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、攝像頭模塊、聲紋識(shí)別模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、WiFi 模塊與藍(lán)牙模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、語(yǔ)音控制與對(duì)話、遠(yuǎn)程視頻與實(shí)時(shí)跟蹤等功能。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：采用FD6288芯片和搭建三線橋設(shè)計(jì)的STM32電機(jī)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展板，支持4 路編碼器直流電機(jī)，板載兩路5 V 電源，最大電流5 A，具有豐富的板載資源和擴(kuò)展接口，非常適合和樹(shù)莓派這樣的ROS 主控組成ROS機(jī)器人。

攝像頭電路：OV2640 是一款CMOS 類型的數(shù)字圖像傳感器，具有高靈敏度、低電壓與小體積等優(yōu)點(diǎn)，支持色度飽和度、色相、伽馬、銳度等設(shè)置，支持圖片壓縮，支持輸出JPEG 和RGB565 等格式的圖像數(shù)據(jù)。其中，SIO_C 與SIO_D 通信協(xié)議跟I2C 十分相似，且OV2640 的SCCB 特性與I2C 無(wú)差別，可以與STM32很好地兼容。采用OV2640 數(shù)字圖像傳感器與STM32結(jié)合，設(shè)計(jì)一個(gè)圖像采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)視頻捕捉、圖像識(shí)別、對(duì)象跟蹤等功能。因此，該攝像頭十分適合應(yīng)用于嵌入式設(shè)備中[11-13]。

聲紋識(shí)別電路：采用Wolfson 推出的WM8978 全功能音頻處理器[14-15]，其具有高級(jí)的片上數(shù)字信號(hào)處理功能，包含一個(gè)5 路均衡功能，同時(shí)在ADC 的線路上提供數(shù)字濾波功能，每個(gè)輸出都有一個(gè)單獨(dú)的音量控制 PGA，一個(gè)輸出推動(dòng)或電平轉(zhuǎn)換位，一個(gè)消聲使能，能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)8 Ω 的BTL 揚(yáng)聲器，還提供許多麥克風(fēng)配置，如包含差分和單端輸入等，能夠很好地接收語(yǔ)音指令。

語(yǔ)音播報(bào)模塊：YF017 是一款用于聲音提示、聲音識(shí)別等功能的語(yǔ)音芯片，能夠直接驅(qū)動(dòng)喇叭，無(wú)需再通過(guò)音頻放大電路，外圍只用一個(gè)0.1 μF 電容就可以穩(wěn)定工作，而且還能夠通過(guò)外部按鍵或串口進(jìn)行控制，連接簡(jiǎn)便，方便地實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音提示、語(yǔ)音識(shí)別等功能，被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備[16]。使用機(jī)器人主控的樹(shù)莓派驅(qū)動(dòng)，通過(guò)配合聲紋識(shí)別電路進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)陪伴老人聊天的功能。

WiFi 模塊：ESP-01S 是基于ESP8266 芯片的低成本、超低功耗的UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）-WiFi 模塊，其采用32 bit/80 MHz 精簡(jiǎn)指令處理器，具有完備的傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）棧，可通過(guò)AT（Attention）指令快捷地進(jìn)行TCP/IP 連接[17]。該模塊可以通過(guò)WiFi 或局域網(wǎng)與其他設(shè)備通信，確保不在老人身邊時(shí)可以實(shí)時(shí)通信得到數(shù)據(jù)反饋，在面對(duì)無(wú)網(wǎng)絡(luò)的情況下也能做出相對(duì)的調(diào)整。

2.2 智能手表硬件設(shè)計(jì)

智能手表搭載陀螺儀模塊、血氧心率檢測(cè)傳感器模塊、藍(lán)牙模塊與NB-IoT 等模塊，實(shí)現(xiàn)老人摔倒監(jiān)測(cè)、步數(shù)計(jì)算、定位、血氧心率檢測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

陀螺儀模塊：LSM6DSM 是由3 軸加速度和3 軸陀螺儀組成的6 軸傳感器，采用創(chuàng)新型電源管理技術(shù)，增強(qiáng)型陀螺儀設(shè)計(jì)，具有高效的數(shù)據(jù)批處理能力。同時(shí)集成加速度驅(qū)動(dòng)的步伐政策、步數(shù)計(jì)算，以及傾斜度和大幅度運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。與多個(gè)獨(dú)立傳感器解決方案相比，LSM6DSM 不僅節(jié)省元器件數(shù)目和電路板空間，而且功耗較低。結(jié)合該傳感器的特性，在手表上添加了實(shí)現(xiàn)抬腕中斷、計(jì)步器、解算姿態(tài)獲得傾角等功能。

藍(lán)牙通信模塊：采用Nordic nRF52840 模塊，向下兼容4.2、4.0 協(xié)議，支持串口數(shù)據(jù)透?jìng)鳌＿@是一款低功耗、高性能的片上系統(tǒng)（System on a Chip，SoC），內(nèi)置ARM Cortex-M4 處理器和2.4 GHz 射頻收發(fā)器，支持藍(lán)牙低能耗（Bluetooth Low Energy，BLE）和無(wú)線ANT 協(xié)議技術(shù)，同時(shí)具備多種外設(shè)接口，也是目前業(yè)界最低功耗藍(lán)牙模塊，為手表提供更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。

NB-IoT 模塊：NB-IoT 是一種專門(mén)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的蜂窩技術(shù)，所占用的帶寬很窄，只需約180 kHz，適用于信號(hào)覆蓋范圍大與低功耗的應(yīng)用場(chǎng)景[18]。采用M5310A 芯片，支持多種通信協(xié)議，包括NB-IoT，并且可在多個(gè)頻段（包括L1、L3、L5 等）上運(yùn)行。此外，該芯片還支持多種安全特性，包括數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證和防篡改等，以確保通信的機(jī)密性、完整性和可用性。智能手表通過(guò)搭載該模塊可以實(shí)現(xiàn)定位和上傳體征信息，收集信息到云服務(wù)器。

血氧心率電路：MAX30102 為MAXIM 公司推出的專為可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的血氧飽和度和心率監(jiān)測(cè)傳感器，集光源、接收、濾波和數(shù)字化為一體，采用一個(gè)1.8 V 電源和一個(gè)獨(dú)立的3.3 V 用于內(nèi)部LED 的電源，標(biāo)準(zhǔn)的I2C 兼容的通信接口[19]。智能手表搭載該模塊用來(lái)檢測(cè)老人的血氧心率，并通過(guò)I2C 通信協(xié)議與藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與同步。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器人主體

機(jī)器人主體基于圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)老人實(shí)時(shí)跟蹤、摔倒報(bào)警，與App 通信來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與指令下達(dá)，同時(shí)，根據(jù)老人的信息調(diào)節(jié)機(jī)器人的日程安排，如提醒老人按時(shí)按量吃藥、就寢等。子女可以通過(guò)App 遠(yuǎn)程視頻功能來(lái)調(diào)用機(jī)器人主體的攝像頭模塊與音頻模塊，實(shí)時(shí)與老人對(duì)話，關(guān)注老人動(dòng)態(tài)。機(jī)器人還配備語(yǔ)音助手，能夠接收老人下達(dá)的語(yǔ)音指令并執(zhí)行，如報(bào)告天氣情況、自動(dòng)播放音樂(lè)等基本的語(yǔ)音指令，省去老人不會(huì)操作智能設(shè)備的麻煩。語(yǔ)音聊天功能則能夠與老人進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的互動(dòng)，可根據(jù)老人喜好完善程序的設(shè)計(jì)，使語(yǔ)音聊天內(nèi)容更加豐富。機(jī)器人主體設(shè)計(jì)如圖3 所示。

3.2 智能手表

智能手表使用傳感器檢測(cè)技術(shù)、無(wú)線通信等方式，能夠讀取老人定位、血氧心率與步數(shù)的數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)采集多個(gè)重要生命體征數(shù)據(jù)，并且也配備了防摔倒的功能，防止因機(jī)器人移動(dòng)故障、攝像頭模塊監(jiān)測(cè)異?；驒C(jī)器人不在老人身旁的特殊場(chǎng)景而疏忽了對(duì)老人摔倒的監(jiān)測(cè)。手表會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線傳輸傳送至機(jī)器人，監(jiān)護(hù)人則可通過(guò)移動(dòng)端App 中的體征數(shù)據(jù)功能查詢老人的實(shí)時(shí)體征情況。智能手表軟件設(shè)計(jì)如圖4 所示。

3.3 移動(dòng)端

為了方便監(jiān)護(hù)人對(duì)老人的照料，根據(jù)應(yīng)用需求，開(kāi)發(fā)出了移動(dòng)端App。App 有語(yǔ)音控制、特征數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程視頻以及實(shí)時(shí)跟蹤等對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的功能，配合機(jī)器人與智能手表，能夠?qū)先藢?shí)時(shí)、遠(yuǎn)程地監(jiān)護(hù)，并對(duì)體征數(shù)據(jù)設(shè)定了一個(gè)報(bào)警閾值，當(dāng)采集到的體征數(shù)據(jù)超出設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，App 將給予警示。移動(dòng)端App 如圖5 所示。

4 功能測(cè)試

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，基于應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)機(jī)器人與智能手表較為重要的防摔倒功能進(jìn)行測(cè)試。在對(duì)防摔倒功能測(cè)試中，模擬老人摔倒如圖6 所示。首先，手表會(huì)遠(yuǎn)程發(fā)送信號(hào)至機(jī)器人端，機(jī)器人快速移動(dòng)至老人周圍，在摔倒老人周圍反復(fù)移動(dòng)并發(fā)出警報(bào)，如圖7 所示；然后，將情況通過(guò)App 告知監(jiān)護(hù)端，如圖8 所示；監(jiān)護(hù)人能夠通過(guò)App 遠(yuǎn)程視頻功能控制攝像頭獲取當(dāng)前老人摔倒實(shí)時(shí)場(chǎng)景，如圖9 所示。經(jīng)過(guò)多次模擬應(yīng)用場(chǎng)景測(cè)試，判斷該系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)應(yīng)用需求，提出了針對(duì)老人的居家監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行功能開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了整套系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景應(yīng)用測(cè)試證明，以樹(shù)莓派高性能處理器為核心，結(jié)合攝像頭模塊、音頻處理模塊與無(wú)線通信模塊等設(shè)計(jì)的機(jī)器人主體，配合內(nèi)嵌多種傳感器的智能手表與移動(dòng)端App 構(gòu)成的居家老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，能夠解決現(xiàn)如今隨著獨(dú)居老人群體不斷擴(kuò)大而難以照料的問(wèn)題。該系統(tǒng)比較適用于家庭場(chǎng)景或養(yǎng)老院等室內(nèi)場(chǎng)景，系統(tǒng)樣機(jī)如圖10、11 所示。期待物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工智能能夠在更多領(lǐng)域輔佐人類，代替人類完成更多、更艱難的工作。