徐啟明，楊偉新

（西北民族大學(xué)，甘肅 蘭州 730030）

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的人口老齡化問(wèn)題日益嚴(yán)重。根據(jù)國(guó)老齡委員會(huì)辦公室的數(shù)據(jù)顯示，在未來(lái)一段時(shí)間里，中國(guó)每年都會(huì)增加1 000萬(wàn)左右的老年人，預(yù)計(jì)至21世紀(jì)中葉，老年人口比例將占全國(guó)人口的1/3左右。

1 獨(dú)居老人家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)功能

該獨(dú)居老人家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以測(cè)量家庭環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、甲烷濃度等，還可以測(cè)量脈搏、心率、血壓、體溫等人體參數(shù)，并在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示，火災(zāi)報(bào)警器、門(mén)窗報(bào)警器等的狀態(tài)也可以在上位機(jī)顯示出來(lái)。如果環(huán)境數(shù)據(jù)異常（如超標(biāo)），老人身體參數(shù)異常（如出現(xiàn)心臟病、高血壓、低血糖、發(fā)高燒等癥狀），或者報(bào)警器有動(dòng)作，則單片機(jī)通過(guò)SIM800模塊給用戶手機(jī)發(fā)手機(jī)短信，及時(shí)通知異常情況，以便用戶及時(shí)處理[1]。

樹(shù)莓派可以通過(guò)連接WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或者通過(guò)TCP/IP協(xié)議有線傳輸，建立攝像頭與樹(shù)莓派間的通信，連接于同一網(wǎng)段（路由器）的計(jì)算機(jī)就可以登錄網(wǎng)站或者客戶端查看實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻。對(duì)于子女來(lái)說(shuō)，就可以24 h全天候地遠(yuǎn)程查看獨(dú)居老人的生活狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

（1）溫濕度傳感器。SHT30傳感器是一種新型的溫濕度測(cè)量傳感器，成本低廉，性能可靠，額定工作電壓為5 V，采用IIC協(xié)議采集信號(hào)，體積小，成本低，測(cè)量精度高。SHT30溫濕度傳感器4線接線，封裝形式多種多樣[2]。

（2）甲烷濃度傳感器。是一種特定的氣敏元件，當(dāng)暴露在甲烷氣體的環(huán)境中時(shí)，其電導(dǎo)率隨甲烷濃度的變化而變化。該傳感器使用16位的AD轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，轉(zhuǎn)換精度、靈敏度都較高。

（3）火焰?zhèn)鞲衅??？梢詸z測(cè)火源，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)情況并報(bào)警。當(dāng)改變火焰?zhèn)鞲衅鞯碾娐纷柚禃r(shí)，傳感器對(duì)火焰的靈敏度也會(huì)發(fā)生變化。在電路中有專門(mén)的閾值電路，當(dāng)傳感器檢測(cè)值超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，輸出電路接通，輸出高電平；當(dāng)傳感器檢測(cè)值低于設(shè)定閾值時(shí)，輸出電路截?cái)?，輸出低電平。通過(guò)輸出電平的高低，就可以判斷是否有火災(zāi)的發(fā)生。

（4）門(mén)窗薄膜壓力傳感器。它是一種輕而薄、測(cè)量精度高的電阻式壓力傳感器。將施加在膜區(qū)上的壓力轉(zhuǎn)換成阻值的變化，從而獲得壓力信息。壓力越大，阻力越小，被允許應(yīng)用于高達(dá)10 kg的場(chǎng)合，可用于檢測(cè)門(mén)、窗的薄膜壓力以及仿生機(jī)器人的地面感知。

（5）心率脈搏傳感器。脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)生物傳感器共同組成心率脈搏傳感器，采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C兼容通信接口，具有兩個(gè)電源：低壓電源和內(nèi)部單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)5 V電源?？梢赃M(jìn)行心率和血氧的采集，戴在手指、耳垂和手腕上，通過(guò)軟件控制模塊的開(kāi)關(guān)，在休眠模式下電流為零，但電源保持隨時(shí)供電的狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

（6）血壓測(cè)量傳感器。使用電容式血壓傳感器，利用氣壓轉(zhuǎn)換為電壓值實(shí)現(xiàn)測(cè)量。通過(guò)鼓風(fēng)電機(jī)控制充氣袋，電磁閥門(mén)控制放氣。采用可充氣綁帶測(cè)量手臂血壓，從充氣到放氣完成高壓和低壓以及脈搏周跳的測(cè)量。采用6 V電源供電，安全、可靠，使用方便[3]。

2.2 短信通信模塊

短信通信模塊采用了工業(yè)級(jí)GSM/GPRS模塊，性能高，可以撥打電話、發(fā)送短信，擁有通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸功能，支持透明傳輸模式和域名解析，并有雙音多頻解碼識(shí)別對(duì)方密鑰，電路設(shè)計(jì)上采用開(kāi)關(guān)電源，用戶識(shí)別卡采用目前主流的微卡座，結(jié)構(gòu)緊湊，小巧耐用。

2.3 串口觸摸屏

串口觸摸屏是一種可觸摸的顯示器，通過(guò)串行命令進(jìn)行控制。將設(shè)備與底層功能封裝后，通過(guò)RS-232串口與用戶的微機(jī)處理器進(jìn)行交互。用戶微機(jī)可以隨時(shí)向設(shè)備發(fā)送命令，通過(guò)串口進(jìn)行各種操作；在頁(yè)面上的組件被觸摸或設(shè)備當(dāng)前進(jìn)入頁(yè)面的任何時(shí)候，通過(guò)串口通知微機(jī)操作員。

2.4 主控模塊

（1）STM32F103單片機(jī)，是ARM公司開(kāi)發(fā)的成本低廉、性能較好、功耗較低的單片機(jī)系統(tǒng)，擁有M3的內(nèi)核。監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)STM32F103單片機(jī)維持的運(yùn)轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)收發(fā)及處理。按照不同客戶的需求，STM32F103單片機(jī)又分為兩種：時(shí)鐘頻率為72 MHz的高性能產(chǎn)品、直接從Flash RAM中執(zhí)行程序的產(chǎn)品。STM32系列產(chǎn)品性價(jià)比高，可操作性好。

（2）樹(shù)莓派，是一臺(tái)微型電腦，操作系統(tǒng)為L(zhǎng)inux，支持很多驅(qū)動(dòng)，不用手寫(xiě)，有集成的驅(qū)動(dòng)API，C，Python等。樹(shù)莓派只有信用卡大小，看其外表“嬌小”，內(nèi)“芯”卻很強(qiáng)大，視頻、音頻等功能通通皆有，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，可以使攝像頭與樹(shù)莓派進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集視頻，在同一網(wǎng)段的用戶可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)或客戶端隨時(shí)查看實(shí)時(shí)視頻。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 獨(dú)居老人家庭環(huán)境參數(shù)采集的設(shè)計(jì)

先通過(guò)各傳感器對(duì)家庭環(huán)境的溫度、濕度、甲烷濃度等進(jìn)行模擬信號(hào)的采集，再通過(guò)STM32單片機(jī)的ADC通道將所采集的數(shù)據(jù)從模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。同時(shí)，對(duì)采集的數(shù)字量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和公式轉(zhuǎn)換，將所得的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)值，不僅可以更直觀地查看數(shù)據(jù)，而且對(duì)軟件設(shè)計(jì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的閾值而言更加便捷。

3.2 報(bào)警器閾值信號(hào)采集的設(shè)計(jì)

各類報(bào)警器通過(guò)與STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采集的數(shù)值正常情況下會(huì)在一定的數(shù)值范圍內(nèi)上下波動(dòng)，但波動(dòng)范圍不大。通過(guò)軟件程序編寫(xiě)，可以將波動(dòng)數(shù)值范圍的最大值定為閾值，如果超過(guò)閾值，說(shuō)明采集的環(huán)境數(shù)據(jù)超過(guò)正常值，存在異常，相應(yīng)報(bào)警器將報(bào)警。

3.3 獨(dú)居老人身體參數(shù)采集的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)倪^(guò)程中，各種人體參數(shù)傳感器通過(guò)串口或者IIC協(xié)議與STM32單片機(jī)進(jìn)行通信，需要遵循相應(yīng)的協(xié)議規(guī)定，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CPU處理、數(shù)值分析和公式計(jì)算，得到線性采集數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)參量，從而獲得人體各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的直觀數(shù)值量。通過(guò)對(duì)人體參數(shù)檢測(cè)所得的數(shù)值進(jìn)行進(jìn)一步的處理，可以判斷老年人的身體健康狀態(tài)。

4 測(cè)試效果

獨(dú)居老人家庭防護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)包括：家庭環(huán)境數(shù)據(jù)采集處理、老人身體參數(shù)指標(biāo)監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控以及安防報(bào)警聯(lián)動(dòng)。通過(guò)嵌入式系統(tǒng)采集家庭環(huán)境數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)了解市內(nèi)的狀況，在各傳感器的安裝區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)，預(yù)防監(jiān)控各種非法入侵、燃?xì)庑孤?、火?zāi)報(bào)警等。同時(shí)，心率脈搏、血壓等傳感器可以對(duì)老人的各項(xiàng)身體指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效的監(jiān)測(cè)，當(dāng)老人身體出現(xiàn)異常情況時(shí)，支持遠(yuǎn)程給用戶手機(jī)發(fā)送短信。通過(guò)單片機(jī)和軟硬件的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警聯(lián)動(dòng)功能，面對(duì)獨(dú)居老人的各種突發(fā)事件，此系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程協(xié)助處理。

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)有很好的發(fā)展前景，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)老年人更高的生活質(zhì)量和水平，尤其是對(duì)獨(dú)居老人等特殊群體，同時(shí)，對(duì)老年人的身體健康保護(hù)和對(duì)各種老年疾病的預(yù)防有極大的成效。該系統(tǒng)可以使用PC、平板或移動(dòng)電話作為終端，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)老年人的遠(yuǎn)程監(jiān)控和保護(hù)報(bào)警，以確保監(jiān)護(hù)人及時(shí)發(fā)覺(jué)異常情況，使獨(dú)居老人在最短時(shí)間內(nèi)得到最有效的幫助和救護(hù)。