秦 芹,李 超,田海巖,史凱峰

(保定學(xué)院,河北 保定 071000)

0 引言

20世紀(jì)90年代以來,中國(guó)人口的老齡化進(jìn)程加快,65歲及以上人群占全國(guó)總?cè)丝诘谋壤鹉晟仙?預(yù)計(jì)到2040年,65歲及以上老年人口占總?cè)丝诘谋壤龑⒊^20%。老年人口高齡化趨勢(shì)日益明顯,性別間的死亡差異,老齡女性成為老年人口中的絕大多數(shù)。隨著我國(guó)老年人口數(shù)量和比重的持續(xù)上升,養(yǎng)老問題日益突出,對(duì)于經(jīng)常無人陪護(hù)的老人,除了生活上遇到的各種問題,長(zhǎng)期不與人交流會(huì)促使老人的心靈孤單,造成各種心理問題,對(duì)健康影響頗深。本文研究的陪伴機(jī)器人能夠有效解決老年人的生活問題,功能包括:各采集模塊隨時(shí)檢測(cè)老人身體狀況,視頻監(jiān)控隨時(shí)了解老人生活情況,語音模塊可以隨時(shí)和老人聊天互動(dòng),短信自動(dòng)發(fā)送功能能提醒家屬關(guān)注老人的日常吃藥以及智能電話報(bào)警等。

1 系統(tǒng)原理及方法

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

系統(tǒng)采用Arduino MEGA2560為主控芯片,機(jī)器人內(nèi)置手腕心率脈搏傳感器、靈敏性光敏電阻、紅外測(cè)溫傳感器等硬件采集設(shè)備,通過有線傳輸將采集的參數(shù)傳到屏幕,通過WiFi模塊傳輸至家人手機(jī)端。其中,智能藥箱系統(tǒng),通過檢測(cè)藥盒透明度反映藥品取出情況,將判斷結(jié)果傳至手機(jī),幫助家人監(jiān)督老人按時(shí)吃藥;機(jī)器人通過串口屏幕顯示,使用者通過觸控屏幕更改參數(shù),方便家人根據(jù)老人情況更改設(shè)置,整體設(shè)計(jì)更加人性化[1]。

系統(tǒng)采集端的工作原理為傳感器采集數(shù)據(jù)輸出到顯示屏和手機(jī)端,一旦身體檢測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異樣,通過手機(jī)端提示家屬帶老人做進(jìn)一步的檢查。智能藥箱保證藥物的活性,及時(shí)提醒老人吃藥并將相關(guān)情況傳到手機(jī)端,隨時(shí)關(guān)注老人身體健康狀況。

1.2 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

(1)智能恒溫藥箱。定時(shí)提醒吃藥功能是利用光敏檢測(cè)模塊將檢測(cè)到的老人吃藥情況反映到手機(jī)端,根據(jù)設(shè)定時(shí)間,超時(shí)檢測(cè)不到光敏變化即打電話通知家人。

(2)自動(dòng)跟隨。底層電機(jī)驅(qū)動(dòng)由Arduino主板控制,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨與自主避障功能,時(shí)刻陪伴老人。

(3)屏幕顯示。自主觸屏播放視頻,豐富老人的精神世界;檢測(cè)老人的心率體溫并顯示在串口屏上,便于查看。

(4)監(jiān)控。由攝像頭記錄設(shè)備所在范圍的實(shí)時(shí)狀況,并傳輸?shù)娇刂贫恕?/p>

(5)語音控制照明。由語音采集模塊、語音前級(jí)處理模塊、語音訓(xùn)練模塊、語音識(shí)別模塊、語音提示模塊和輸出控制模塊等組成。

1.3 系統(tǒng)創(chuàng)新特點(diǎn)

(1)突破了傳統(tǒng)陪護(hù)機(jī)器人功能的單一,最小成本下實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互,只需一臺(tái)機(jī)器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)陪護(hù)。

(2)相比于人工看護(hù),機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主跟隨、24小時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)向家屬報(bào)警以及語音控制等各種功能,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎,操作方便,老年人也可以直接操作,富有人性化。

(3)智能恒溫藥箱設(shè)計(jì)新穎,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,將藥品保存融入智能陪護(hù)機(jī)器人,既適用于老人又適用于身體殘疾或慢性病患者,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)陪護(hù)與陪伴。

(4)采用觸碰式心率體溫測(cè)試傳感器,易于操作,適用于老人,大屏顯示的同時(shí)與OneNET云端服務(wù)平臺(tái)相連,既能儲(chǔ)存圖像、心率、溫度信息,又能進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,自動(dòng)形成有關(guān)身體指標(biāo)圖表,進(jìn)而能更清晰地了解老人身體情況。

(5)連接家庭網(wǎng)絡(luò),隨心播放音視頻。播放設(shè)備獨(dú)立供電,即使不能運(yùn)動(dòng)也依然可以播放視頻,設(shè)計(jì)更加人性化。

(6)自動(dòng)充電裝置。當(dāng)機(jī)器人電量不足20%時(shí),自主循跡到充電器位置及時(shí)充電,保證電池的使用壽命,有效延長(zhǎng)機(jī)器人的使用年限。

1.4 系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)

具體工作流程如圖1所示,系統(tǒng)開機(jī),數(shù)據(jù)初始化后屏幕進(jìn)入可輸入狀態(tài);輸入儲(chǔ)存藥品的名稱、數(shù)量、最佳溫度與吃藥時(shí)間并保存;聯(lián)網(wǎng)后綁定手機(jī)號(hào)開始使用;打開檢測(cè)部分,將手放入檢測(cè)口,大屏幕顯示體溫和心率,幾分鐘后手機(jī)接收到信息;語音系統(tǒng)開啟,可進(jìn)行語音交互,說出指令,比如:“開燈”則機(jī)器人眼睛亮起,“播放視頻”則大屏幕視頻開始播放[2-5]。

圖1 裝置的總體流程

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件模塊化功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件各部分聯(lián)系緊密,相互配合,功能明確。核心模塊包括采集模塊、監(jiān)控模塊、觸屏播放、語音交互、光敏檢測(cè)、自主跟隨6個(gè)部分[6]。

(1)采集模塊。由Arduino MEGA2560外接心率傳感器、體溫傳感器、語音傳感器、光敏傳感器、樹莓派視頻等信息采集設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)老人身體參數(shù)、吃藥情況以及家中情況的實(shí)時(shí)采集,在老人發(fā)生危險(xiǎn)時(shí),及時(shí)聯(lián)系家人并報(bào)警。

(2)監(jiān)控模塊。樹莓派自帶攝像頭監(jiān)控家中動(dòng)態(tài),利用WiFi模塊將視頻傳至云端并發(fā)送至家人手機(jī)。

(3)觸屏播放。屏幕采取可觸控主板,手觸摸控制操作,簡(jiǎn)單易懂,適合老人。

(4)語音交互。采用ASR-M09C語音模塊,輸入指令存儲(chǔ)在語音模塊中,實(shí)現(xiàn)智能語音交互,可以聊天、查天氣、提醒吃藥、控制開關(guān)燈等。

(5)光敏檢測(cè)。智能藥箱采用靈敏性光敏電阻模塊對(duì)環(huán)境光線的亮度監(jiān)控老人吃藥情況,當(dāng)環(huán)境亮度達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí),觸發(fā)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)短信模塊將信息傳至家人手機(jī),如果超出預(yù)設(shè)時(shí)間,光敏檢測(cè)不到變化就打電話給家人。

(6)自主跟隨。當(dāng)接收超聲波接到發(fā)送超聲波的數(shù)據(jù)后,接收超聲波上的LED燈快速閃爍,通過串口以50 Hz的頻率發(fā)出距離數(shù)據(jù),決定轉(zhuǎn)彎朝向并實(shí)現(xiàn)自主跟隨。

2.2 硬件性能詳細(xì)設(shè)計(jì)

(1)自主跟隨。采用超聲波接收發(fā)送模塊(如圖2所示),實(shí)現(xiàn)底層的自動(dòng)跟隨。該模塊工作電壓為5 V,工作方式為串口,串口頻率發(fā)送距離數(shù)據(jù)單位為mm,最遠(yuǎn)接收距離大于3 m,最短接收距離小于4 cm。

圖2 發(fā)送接收信號(hào)超聲波模塊

(2)屏幕顯示。采用大彩醫(yī)用級(jí)M系列DC48270M043觸摸(如圖3所示),屏實(shí)現(xiàn)屏幕顯示、觸屏播放和人機(jī)交互。屏幕工作電壓為12 V,采用32位獨(dú)家定制處理器,性能優(yōu)異,內(nèi)部集成SDR顯存、音頻MP3解碼、JPEG圖片解碼等。

圖3 大彩醫(yī)用級(jí)M系列DC48270M043觸摸屏

(3)控制模塊。采用XY-WTH 1溫濕度控制器(如圖4所示),實(shí)現(xiàn)智能藥箱的保溫功能,測(cè)溫范圍-20 ℃~60 ℃,工作電壓6.0 V~ 30 V。當(dāng)檢測(cè)溫度大于等于啟動(dòng)溫度,繼電器導(dǎo)通,紅色指示燈亮,制冷設(shè)備開始工作;當(dāng)檢測(cè)溫度小于啟動(dòng)溫度,繼電器關(guān)閉,紅色指示燈滅,制冷設(shè)備停止工作。

圖4 XY-WTH 1溫濕度控制器

(4)通信模塊。采用GA6-B Mini GPRS短信模塊(如圖5所示),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程打電話和發(fā)短信。該模塊為4頻GSM模塊,工作電壓5 V,內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議,實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋,支持85.6 Kbps的峰值傳輸速率,理論峰值傳輸可達(dá)100 Kbps多。

圖5 1GA6-B Mini GPRS短信模塊

(5)成本和電力消耗。由于裝置廣泛應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域,數(shù)據(jù)采集的地方越多,云端數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)作用越大,因此傳感器的硬件設(shè)計(jì)成本必須低。此外,由于各種傳感器的體積相對(duì)較小,多個(gè)傳感器模塊用于數(shù)據(jù)收集、傳輸和處理,需要的供電部分必須保證各功能模塊的正常持續(xù)工作,因此,需要充電模塊為裝置供電。

(6)信息傳輸模塊。信息傳輸模塊主要分為Nodemcu(8266)WiFi模塊(如圖6所示)和ESP32-CAM攝像頭開發(fā)板(如圖7所示)2部分。WiFi模塊主要負(fù)責(zé)將測(cè)量數(shù)據(jù)、環(huán)境信息傳輸?shù)皆破脚_(tái),用于存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析數(shù)據(jù)信息;攝像頭開發(fā)板主要用于人臉識(shí)別拍照,并將照片或?qū)崟r(shí)視頻快速上傳到云端。

圖6 Nodemcu(8266)WiFi模塊

圖7 ESP32-CAM攝像頭開發(fā)板

(7)上位機(jī)云端。用OneNET云平臺(tái)作為上位機(jī)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析數(shù)據(jù)信息,OneNET是由中國(guó)移動(dòng)打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái),幫助開發(fā)者輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入與連接,快速完成產(chǎn)品開發(fā)部署,為智能硬件、智能家居產(chǎn)品提供完善的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)采用開源電子原型平臺(tái)的軟件開發(fā)環(huán)境,其在一個(gè)平臺(tái)上編譯出的程序能在電子功能模塊中工作。開發(fā)環(huán)境主機(jī)為win10,安裝Arduino IDE開源編譯工具用于編譯在開發(fā)板中執(zhí)行的程序,編譯出的可執(zhí)行程序通過串口線下載到功能模塊中自動(dòng)執(zhí)行。Arduino使用的程序有固定的規(guī)范與流程,每個(gè)程序中只有一個(gè)Setup()和一個(gè)Loop()函數(shù),Setup()函數(shù)中代碼在程序燒錄完畢后只執(zhí)行一次,一般為初始化或全局變量描述等。當(dāng)Setup()函數(shù)中代碼執(zhí)行完畢后將循環(huán)Loop()函數(shù)內(nèi)代碼。

3.2 信息采集功能軟件開發(fā)

心率體溫遵循內(nèi)核模塊化編程思想以模塊方式實(shí)現(xiàn),模塊啟動(dòng)前將程序傳輸?shù)侥K中,由程序驅(qū)動(dòng)模塊自動(dòng)化工作,通過連接云平臺(tái)服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化查看。

應(yīng)用程序檢測(cè)人體溫度時(shí),調(diào)用ESP8266 OneNET程序中Loop()主函數(shù)實(shí)現(xiàn),并在OLED顯示屏上顯示和語音播報(bào),然后運(yùn)行PostData函數(shù)連接WiFi,通過D8Function()函數(shù)將數(shù)據(jù)上傳到OneNET云端,以下是Loop()函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)。

4 系統(tǒng)模塊連接設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Arduino MEGA2560為主控芯片,內(nèi)置MAX30102手腕心率脈搏傳感器、靈敏性光敏電阻、GY-906紅外測(cè)溫傳感器、語音識(shí)別模塊、語音播放模塊、IOT-GA6-B短信模塊、樹莓派4B等硬件采集設(shè)備。設(shè)備部署完成后,當(dāng)超聲波檢測(cè)到老人的行動(dòng)啟動(dòng)自主跟隨與避障,實(shí)時(shí)確保老人安全;檢測(cè)到老人摔倒自動(dòng)打電話到家人手機(jī)端并報(bào)警。語音交互實(shí)時(shí)開啟,滿足老人需求。當(dāng)老人將手放入測(cè)溫口時(shí),通過傳感器采集數(shù)據(jù),經(jīng)云平臺(tái)傳入上位端,與數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)對(duì)比,提示家人注意老人身體健康。

5 結(jié)語

系統(tǒng)選取了保定地區(qū)多家大中型養(yǎng)老院、小區(qū)等場(chǎng)所實(shí)地測(cè)試,相比一般智能陪護(hù)機(jī)器人,產(chǎn)品更加輕便,耗電更小,功能更全面,更安全有效地陪護(hù)老人群體。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展,人們都在努力打造智能家居和智慧生活,產(chǎn)品將會(huì)成為科技發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。未來,人們將更加重視生命健康與生活,尤其是在養(yǎng)老方面。智能物聯(lián)網(wǎng)將以前所未有的速度改變?nèi)藗兊纳?人機(jī)交互將會(huì)成為熱潮,本產(chǎn)品也將不斷改進(jìn),開發(fā)新技術(shù),滿足市場(chǎng)的空缺。