袁賽杰 胡澤斐 叢玉華 謝玲 周怡誠

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院計算機學(xué)院 江蘇省南京市 210023）

1 引言

隨著老齡化問題的日益嚴重，一系列養(yǎng)老問題也引起了人們的關(guān)注：家庭支持資源不足、老年人的生活和醫(yī)療護理不足、護理的設(shè)施不足、老齡人的情感需求也在不斷增加，面對這些難點，如何提高老齡人的生活質(zhì)量就顯得愈加重要了。為此中共中央強調(diào)要以家庭為基礎(chǔ)建立多層次的護理服務(wù)系統(tǒng)，積極開展老齡化行動，推動養(yǎng)老的多樣化。“家庭養(yǎng)老”和“社區(qū)養(yǎng)老”等實施表明，社區(qū)養(yǎng)老將是未來的主要趨勢。混合型養(yǎng)老社區(qū)可以幫助老年人護理機構(gòu)和社區(qū)大大提高管理效率[1]?；旌橡B(yǎng)老社區(qū)中老年人生活系統(tǒng)的概念和技術(shù)的介入將使未來的養(yǎng)老模式更加人性化。養(yǎng)老社區(qū)將來可以使用智能設(shè)備實時監(jiān)控老年人的生活和健康狀況，并做到信息同步，家庭成員可以遠程了解老年人的信息狀況，家庭成員也可以通過云平臺發(fā)布需求，服務(wù)公司可以根據(jù)需求為老年人提供現(xiàn)場服務(wù)[2]。本文將設(shè)計智能終端系統(tǒng)即為養(yǎng)老社區(qū)綜合服務(wù)系統(tǒng)的智能終端部分。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 功能分析

智能終端系統(tǒng)要求能夠在老年人的日常生活中起到陪護和與老年人相關(guān)狀態(tài)的監(jiān)測功能，因此系統(tǒng)應(yīng)包含兩個子系統(tǒng)：助老終端系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)功能如圖1 所示。

圖1：助老終端功能結(jié)構(gòu)圖

圖2：智能終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3：助老終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

助老終端系統(tǒng)負責(zé)老年人的居家娛樂和簡單護理，娛樂部分可滿足老年人精神方面需求，通過在助老終端上設(shè)計人機交互模塊來實現(xiàn)，具體功能包括：語音對話、語音播報、語音控制。護理部分功能是滿足老年人行動不便等狀況，提供相應(yīng)的基礎(chǔ)護理，通過在助老終端上設(shè)計運動控制模塊來實現(xiàn)，具體功能包括：控制助老終端的移動、避障。

數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)負責(zé)監(jiān)測老年人的居住室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)和老年人身體健康狀態(tài)以及采集室外定位數(shù)據(jù)。室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測部分負責(zé)實時反饋室內(nèi)危險數(shù)據(jù)，主要解決老人獨自在家時是否有危險而老年人不能及時感知問題，為此設(shè)計室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測控制器負責(zé)采集室內(nèi)溫度、濕度、煙霧、火焰數(shù)據(jù)。身體健康狀態(tài)監(jiān)測部分負責(zé)實時反饋老年人生命體征，保障生命健康安全，主要監(jiān)測體溫、血壓、心率數(shù)據(jù)。另外，為便于了解老年人動向，還需要提供實時定位功能。監(jiān)測所得數(shù)據(jù)將實時上傳云端供社區(qū)管理服務(wù)人員、老年人及家屬處理及查看。一旦有緊急情況，系統(tǒng)多方警報，產(chǎn)生聯(lián)動，保護老年人的生命安全。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上節(jié)中對智能終端系統(tǒng)的功能分析，為滿足系統(tǒng)需求。將系統(tǒng)平臺布局如下：體征監(jiān)測和實時定位，需要由老年人隨身攜帶設(shè)備實現(xiàn)，因此需設(shè)計一款智能手環(huán)。只要攜帶手環(huán)，老年人的體征信息和定位信息便可實時采集實時上傳云端。助老終端系統(tǒng)針對居家設(shè)計，因此采用智能機器人形式。智能機器人需要承載：運動控制、人機交互、室內(nèi)監(jiān)測三個功能。平臺的具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3 助老終端系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

助老終端系統(tǒng)硬件平臺按照人機交互系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)的功能劃分，可圍繞主控器為核心，人機交互系統(tǒng)共分為語音識別模塊、語音合成模塊和MP3 模塊。運動控制系統(tǒng)分為：傳感器模塊和電機模塊。人機交互系統(tǒng)主控器采用Arduino 控制器，主控芯片為ATmega328P， 用IIC 總線分別與語音識別模塊，語音合成模塊，MP3 模塊三個模塊相連。運動控制系統(tǒng)，采用同一主控器，傳感器模塊通過IO 與主控器相連，通過L298N 電機驅(qū)動模塊與直流電機對接。硬件構(gòu)成如圖3 所示。

3.2 人機交互

3.2.1 硬件搭建

（1）主控器。采用Arduino 公司的 UNO 板作為主控制器，主控板如圖4 所示。核心芯片為ATmega328P，為高性能低功耗AVR 8 位微控制器，閃存容量32KB、EEPROM 存儲器容量1KB，時鐘頻率20MHz，接口類型IIC, SPI, USART。

（2）語音識別模塊。模塊使用LD3320 芯片，是基于非特定人語音識別技術(shù)的語音識別/聲控芯片。內(nèi)部預(yù)留了高性能的數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，在安靜的環(huán)境下，可識別語音的最大距離為3 米左右，提供觸發(fā)識別和循環(huán)識別兩種模式。模塊也采用IIC 通信，波特率為9600bps。模塊實物如圖5 所示。

（3）語音合成模塊。語音合成模塊，用于實現(xiàn)語音播報和語音對話功能，模塊內(nèi)部集成自帶音效，語速和語調(diào)可調(diào)，可實現(xiàn)中英文混讀。模塊通過IIC 與Arduino 實現(xiàn)通訊，串口波特率為9600bps。接口為：模塊SDA 引腳接到開發(fā)板A4 口，SCL 引腳接到開發(fā)板A5 口，VS 和GND 分別與開發(fā)板的VCC 和GND 相連。模塊實物如圖6 所示。

（4）MP3 模塊。該模塊實現(xiàn)終端上音樂和戲曲等音頻的播放。模塊支持MP3、WAV 等格式的音頻文件。使用時先將歌曲導(dǎo)入至TF 卡。模塊接線方式與語音合成模塊及語音識別模塊相同。用IIC與Arduino 通信，串口波特率9600bps，額定工作電壓為5V，模塊實物如圖7 所示。

3.2.2 軟件設(shè)計

采用Arduino IDE 開發(fā)環(huán)境，其軟件主要由setup()函數(shù)，loop()函數(shù)及自定義函數(shù)構(gòu)成。其中自定義函數(shù)包括語音控制模塊、語音播報模塊、MP3 模塊的初始化函數(shù)及其功能函數(shù)以及串口數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)。圖8 為該系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)主流程圖。

3.3 運動控制

3.3.1 硬件搭建

3.3.1.1 傳感器模塊

（1）紅外傳感器模塊。紅外傳感器模塊由一對紅外線發(fā)射與接收管、電位器及比較器電路等構(gòu)成，實物圖如圖9 所示。模塊與主控器其接口為：系統(tǒng)使用兩個紅外傳感器，而OUT 口為數(shù)字輸出接口，所以這兩個傳感器OUT 口與主控板的引腳連接情況。OUT1-PIN13，OUT2-PIN12。

（2）超聲波傳感器模塊。HC-SR04 超聲波測距模塊測距精度較高，且相對穩(wěn)定。額定工作電壓為5V，電流為15mA，頻率為40Hz，最遠射程為4m，最近檢測距離為2cm。實物圖如圖10 所示。模塊與主控板的接口對應(yīng)為：TRIG—PIN8，ECHO—PIN9。

（3）碰撞傳感器模塊。碰撞傳感器為基于滾輪式輕觸數(shù)字開關(guān)，模塊通過按壓滾輪觸點來控制開關(guān)的導(dǎo)通或斷開產(chǎn)生開關(guān)量，將開關(guān)狀態(tài)通過IO 引腳輸出，模塊實物圖如圖11 所示。

3.3.1.2 電機模塊

L298N 模塊是電機驅(qū)動模塊。可外接控制兩個直流電機，需要12V 的驅(qū)動電壓。模塊實物如圖12 所示。模塊有4 個IO 口，2個對應(yīng)A 馬達輸出口，另外兩個對應(yīng)B 馬達輸出口。對應(yīng)電機狀態(tài)分別為：停止、制動、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動。模塊與主控板的接口連接為：12V 輸入-電池盒電源線正級，GND-電池盒電源線負極/開發(fā)板GND，馬達A 輸出-左電機，馬達B 輸出-右電機，IO1-PIN7，IO2 -PIN6，IO3-PIN5，IO4-PIN4。

3.3.2 軟件設(shè)計

運動控制部分采用Arduino IDE 開發(fā)，除setup 函數(shù)與loop 函數(shù)，自定義函數(shù)主要包括電機前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)函數(shù)及紅外避障函數(shù)、超聲波距離、碰撞傳感器檢測函數(shù)。主流程的軟件流程圖如圖13 所示。

4 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)分為三個模塊，室內(nèi)監(jiān)測、體征監(jiān)測和實時定位。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖14 所示。

4.2 室內(nèi)監(jiān)測

4.2.1 煙霧傳感器模塊

采用MQ2 煙霧傳感器模塊，該模塊包含一個比較輸出和模擬輸出，此處采用比較輸出作為開關(guān)量用于煙霧報警。與主控板接口設(shè)計為：數(shù)據(jù)線與主控板PA1 相連。實物如圖15 所示。

4.2.2 溫濕度傳感器模塊

圖4：主控器核心板

圖6：語音合成模塊

圖7：MP3 模塊

圖8：人機交互系統(tǒng)流程圖

用于測量室內(nèi)的溫濕度，響應(yīng)時間較快、可靠性較高、穩(wěn)定性較強。模塊有三個引腳：VCC、DATA 以及GND。與主控板的接口設(shè)計為： VCC 連接主控板VOUT2 區(qū)域中的5V 位置，GND也連接在該區(qū)域內(nèi)的GND 部分，傳感器DATA 引腳連接主控板的PA5 相連，進行AD 轉(zhuǎn)換。實物如圖16 所示。

圖11：碰撞傳感器實物圖

圖12：L298N 電機驅(qū)動模塊

圖13：運動控制系統(tǒng)流程圖

4.2.3 火焰?zhèn)鞲衅髂K

火焰?zhèn)鞲衅鱇Y-026 專門用于檢查火源，利用紅外對火焰非常敏感的特性，將火焰的亮度轉(zhuǎn)換為高低電平信號。火焰?zhèn)鞲衅鱇Y-026 與主控板的接口設(shè)計為：傳感器 VCC 和GND 引腳連接到主控板VOUT2 區(qū)域?qū)?yīng)的VCC 跟GND。AO 與主控板的PA6 相連，PA6 為AD 口將模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量并輸出。實物如圖17所示。

圖14：數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖15：MQ2 模塊

圖16：DHT11 模塊

圖17：火焰?zhèn)鞲衅髂K

圖18：血壓模塊

圖19：心率血氧模塊

圖20：體溫監(jiān)測模塊

圖21：定位模塊

4.3 體征監(jiān)測

4.3.1 血壓檢測模塊

血壓監(jiān)測模塊測量準確度達到歐姆龍血壓計標準，由袖套、血壓計模塊、氣泵、電磁閥、泄氣閥、導(dǎo)氣管組成。核心部分為MPS3117 壓力傳感器，通過IIC 總線與主控板進行數(shù)據(jù)傳輸。實物如圖18 所示。

4.3.2 心率血氧模塊

實現(xiàn)本部分功能的模塊為MAX30102 模塊，該模塊由脈搏血氧儀以及心率監(jiān)測儀兩部分組成。將手指或手腕貼近LED 處，便可采集到心率和血氧數(shù)據(jù)。待機模式電流幾乎為零，安全可靠。實物圖如圖19 所示。

圖22：主函數(shù)流程圖

圖23：終端系統(tǒng)實物圖

圖24：室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)展示

4.3.3 體溫檢測模塊

MAX30205 溫度傳感器能夠精確測量溫度，采用高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，提供關(guān)機輸出、報警、中斷等功能。該模塊有三個地址選擇行，總共有32 個可用地址。采用IIC 總線形式與主控板連接。實物如圖20 所示。

4.4 定位模塊

采用ATK1218-BD 模塊為GPS 北斗雙模定位模塊，核心芯片是S1213。模塊定位精度可以達到2.5mCEP，通過串口與主控板連接，串口波特率115200bps。實物如圖21 所示。

4.5 程序設(shè)計

圖22 是數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的主流程圖。首先采集各傳感器數(shù)據(jù)以及GPS 的位置信息，并進行顯示。通過判斷是否超出閾值，決定是否警報。

5 測試與總結(jié)

5.1 助老終端系統(tǒng)測試

終端系統(tǒng)整體完成后如圖23 所示。

人機交互系統(tǒng)：設(shè)計語音測試用例測試后。安靜環(huán)境下準確率可達96%。

運動系統(tǒng)功能：終端常規(guī)動作，前行、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。順利實現(xiàn)；傳感器工作狀態(tài)正常，避障部分采用PWM 調(diào)速進行避障調(diào)整可順利繞開障礙物。

5.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)測試

監(jiān)測系統(tǒng)實物如圖24 所示。

根據(jù)傳感器指示燈和所采集數(shù)據(jù)，室內(nèi)環(huán)境和體征監(jiān)測已經(jīng)定位部分功能完成。

5.3 測試總結(jié)

測試結(jié)果顯示，智能終端系統(tǒng)各基本功能已實現(xiàn)，后續(xù)可擴展睡眠監(jiān)測等相關(guān)功能，并進而對系統(tǒng)進行細節(jié)處理，使系統(tǒng)更完善更人性化。