孫杰 馬雪健 龍明翔

摘要：由于當前市面上的獨居老人智能監(jiān)護系統(tǒng)存在功能單一和智能化不足的缺陷，因此，文章設計了一種集遠程監(jiān)控、跌倒檢測、定位、報警、血壓監(jiān)測等多功能于一體的智能監(jiān)護系統(tǒng)。該系統(tǒng)以樹莓派為基礎，結合人工智能云平臺的算法，能夠對獨居老人和殘疾人進行有效的監(jiān)測和互動。利用面部表情和動作識別算法，可以及時地發(fā)現(xiàn)老人疾病、跌倒等危險情況，并進行報警和求助。實驗證明，該系統(tǒng)具有成本低廉、功能齊全、操作簡便等優(yōu)點，是一種適合于獨居老人的智能監(jiān)控系統(tǒng)。

關鍵詞：獨居老人；智能監(jiān)護系統(tǒng)；樹莓派；智能云平臺

中圖法分類號：TP277 文獻標識碼：A

１ 引言

隨著時代的發(fā)展，物聯(lián)網技術已與人們的生活融為一體，在日常生活中已出現(xiàn)許多與人們的衣食住行相伴而生的智能設備。同時，智能監(jiān)護也在人們的生活中發(fā)揮不可替代的作用。由于子女工作繁重，老人獨居家中的現(xiàn)象日益增多，尤其是患有高危疾病的老人，一次普通的跌倒或疾病發(fā)作都有可能造成生命危險。若能及時發(fā)現(xiàn)獨居老人是否遇到危險，則就能避免不堪設想的后果。因此，許多家庭聘請了專業(yè)的監(jiān)護人員，但也會帶來較大的經濟壓力，于是獨居老人智能監(jiān)護系統(tǒng)也就應運而生。目前，智能監(jiān)護系統(tǒng)主要以Ｃ５１［１～２］ ，Ｓｔｍ３２［３～４］ 及Ｚｉｇｂｅｅ 為主控芯片［５～６］ ，它雖然具有低能耗的特點，但也存在功能單一、智能化不足等問題，從而導致市場普及率不高。

樹莓派是一種基于ＡＲＭ 的微型卡片式計算機，其由于優(yōu)秀的擴展性和易于開發(fā)的特性，逐漸被應用到物聯(lián)網與智能監(jiān)護系統(tǒng)中［７～８］ 。本文在智慧居家養(yǎng)老安全監(jiān)測系統(tǒng)標準化［９］ 的基礎上，結合人工智能云平臺技術［１０］ ，設計了一種多功能且更人性化的智能監(jiān)護系統(tǒng)。該系統(tǒng)集監(jiān)控、報警、定位、監(jiān)測等功能于一體，便于對獨居老人進行智能監(jiān)護管理，從而提高獨居老人的生活質量。

２ 系統(tǒng)結構原理

系統(tǒng)的主要目標是針對獨居老人或無行動能力的人在無監(jiān)護人看管的情況下，在遇到危險后能第一時間被發(fā)現(xiàn)或救助。系統(tǒng)流程如下，首先輸入特定用戶的人臉信息，通過跟蹤監(jiān)測，當老人跌倒后，判斷其是否異常并發(fā)送特定人員的信息及跌倒畫面給監(jiān)護人。該智能監(jiān)護系統(tǒng)還能監(jiān)測溫度、血壓等數據來判斷老人是否處于危險之中。“獨居老人智能監(jiān)護系統(tǒng)”在基于傳統(tǒng)的單片機智能監(jiān)護的基礎上結合云平臺技術，在用戶識別和管理等方面變得更加智能化（如圖１ 所示）。

３ 系統(tǒng)模塊功能設計與實現(xiàn)

３．１ 電路設計

單片機電路設計圖如圖２ 所示。

３．２ 硬件設計

３．２．１ 樹莓派

樹莓派是本系統(tǒng)的核心硬件。目前，基于樹莓派的監(jiān)控應用尚未普及，相關文獻內容也較少，其監(jiān)控視頻數據的網絡部分實現(xiàn)方式都是通過開源的ＭＪＰＧ?ｓｔｒｅａｍｅｒ 實現(xiàn)，且具備安防功能，利用自己搭建的ＡＰＩ 開發(fā)接口系統(tǒng)實現(xiàn)遠程網絡傳輸與控制。

樹莓派部分有２ 個模塊，即Ｓｏｃｋｅｔ 數據接收模塊與步進電機控制系統(tǒng)及其安全防護模塊、Ｈｔｔｐ 信息服務系統(tǒng)及其安全防護模塊。前者主要包括如下功能：樹莓派部分Ｓｏｃｋｅｔ 數據接收與步進電機控制模塊的信息收到端、用戶信息系統(tǒng)管理與安全保護功能、由樹莓派部分Ｓｏｃｋｅｔ 數據接收與步進電機控制模塊的信息收到端訪問功能、由樹莓派Ｈｔｔｐ 信息服務提供的信息的讀取功能、開發(fā)用ＡＰＩ 的信息管理與調配機制，以及安全保護功能、前端系統(tǒng)、系統(tǒng)管理與開發(fā)者管理系統(tǒng)、數據存儲模塊。儲存形式又可分為數據庫儲存和數據庫保存，其中數據庫儲存則主要使用ＭｙＳＱＬ 數據庫。

３．２．２ 監(jiān)測模塊

三軸加速度傳感器負責監(jiān)測形體變化，判斷是否跌倒，主要利用壓阻式、壓電式和電容式原理，所形成的加速率正比于阻值、壓力和容量之間的變動，并利用適當的擴散和過濾系統(tǒng)加以收集。三軸運動加速度感應器能夠實現(xiàn)雙軸運動的正負９０°以及雙軸運動０～３６０°的傾角，并且通過校正后期準確度要優(yōu)于傳統(tǒng)雙軸運動加速度感應器，大于測量角為６０°的情況。

ＭＡＸ３０２０５ 人體溫度傳感器測量體溫，通過網絡通信協(xié)議上傳到智能云平臺再發(fā)送到終端。

ＭＡＸ３０２０５ 的平均體溫感應器能精確測量平均體溫并給出超溫警告／ 暫停／ 關斷輸入輸出數據信息，還利用高分辨率模數轉換器（ＡＤＣ）將平均體溫檢測數據轉化為數值形狀，單次和關斷模式都可以降低耗電量。

同時，通過Ｉ２Ｃ 的兼容２ 路串行接口實現(xiàn)通信，具有高精度和低電壓操作有助于幫助設計人員滿足出錯和電力預算。單次和關斷模式有助于降低用電量，６００ μＡ（典型值）工作供電電流，數字化功能更容易集成到任何系統(tǒng)的特性。

３．２．３ 智能云平臺

現(xiàn)階段的智能云系統(tǒng)已具備用戶無處不在、低進入成本、為用戶選擇應用等優(yōu)勢，表現(xiàn)為可伸縮、集中管理、負載均衡、增加資金利用率等特點。當系統(tǒng)運行時可將硬件設備檢測的數據實時傳輸到智能云平臺（阿里云、華為云）之上，通過網絡通信協(xié)議發(fā)送到用戶終端，可使監(jiān)護人實時查看監(jiān)測數據。

３．３ 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)以樹莓派為核心主板，包含監(jiān)控模塊、報警模塊、云平臺、手機終端以及人體溫度監(jiān)測等模塊，與各項通信串口協(xié)議相結合，以完成系統(tǒng)總體工作，其大致的運行流程如圖３ 所示。

４ 系統(tǒng)測試

４．１ 硬件測試

通電前進行硬件測試，按照電路圖檢查所有的電路，按照電路接線，按照規(guī)定的次序逐個檢測已配置好的電路，用萬用表檢查電源的輸入阻抗，判斷電源是否故障，檢測元器件安裝情況，使用萬用表檢測有極性的元器件連接情況。上電后進行硬件測試，通電后觀察電路有無異常情況，再進行靜動態(tài)調試，最后進行總體系統(tǒng)運行測試，查看系統(tǒng)是否正常運行。

４．２ 軟件測試

終端實現(xiàn)實時數據的傳送，用戶可自主登錄云平臺實時監(jiān)測或操控并分析各個傳感器的數據，首先進行模塊化測試，分別對監(jiān)控、監(jiān)測、識別、報警模塊的數據傳輸的連續(xù)性、傳輸數據的速度、傳輸數據的穩(wěn)定性進行測試，保證數據的丟包率在誤差允許范圍內，速度能達到要求且能長時期運行。其次進行系統(tǒng)的集成測試，確定函數的輸入輸出接口，寫完函數后，模擬輸入變量判斷輸出內容是否是預期功能。判斷函數的地址是否正確，內存有無越界，是否是野指針，輸入參數是否合法，輸出參數或返回值是否正常。

５ 結束語

研發(fā)獨居老人智能監(jiān)護系統(tǒng)的目的在于可以更加方便地利用現(xiàn)代化智能技術來監(jiān)護獨自在家的老人。本系統(tǒng)實現(xiàn)的核心功能包括監(jiān)護功能、危險報警功能，其他功能包括人體溫度監(jiān)測功能和血壓等健康監(jiān)測的功能。如今，大部分老年人都身患疾病，且大多數在遇到危險（如在家中跌倒）時不能及時報警，從而錯過最佳搶救時機。目前，此系統(tǒng)經過持續(xù)地研發(fā)與測試，能夠穩(wěn)定運行并應用在實際生活中，這將極大地降低監(jiān)護人的監(jiān)護壓力。在后續(xù)過程中，將會結合實際出現(xiàn)的問題對此系統(tǒng)進行優(yōu)化更新，旨在為老年群體的健康問題作出更大貢獻。

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作者簡介：孫杰（２０００—），本科，研究方向：信息技術。