孫杰 馬雪健 龍明翔

摘要：由于當(dāng)前市面上的獨(dú)居老人智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)存在功能單一和智能化不足的缺陷，因此，文章設(shè)計(jì)了一種集遠(yuǎn)程監(jiān)控、跌倒檢測、定位、報(bào)警、血壓監(jiān)測等多功能于一體的智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以樹莓派為基礎(chǔ)，結(jié)合人工智能云平臺的算法，能夠?qū)Κ?dú)居老人和殘疾人進(jìn)行有效的監(jiān)測和互動(dòng)。利用面部表情和動(dòng)作識別算法，可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)老人疾病、跌倒等危險(xiǎn)情況，并進(jìn)行報(bào)警和求助。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有成本低廉、功能齊全、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，是一種適合于獨(dú)居老人的智能監(jiān)控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：獨(dú)居老人；智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)；樹莓派；智能云平臺

中圖法分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

１ 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shè)備。同時(shí)，智能監(jiān)護(hù)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(dú)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(xiǎn)。若能及時(shí)發(fā)現(xiàn)獨(dú)居老人是否遇到危險(xiǎn)，則就能避免不堪設(shè)想的后果。因此，許多家庭聘請了專業(yè)的監(jiān)護(hù)人員，但也會帶來較大的經(jīng)濟(jì)壓力，于是獨(dú)居老人智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)也就應(yīng)運(yùn)而生。目前，智能監(jiān)護(hù)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(diǎn)，但也存在功能單一、智能化不足等問題，從而導(dǎo)致市場普及率不高。

樹莓派是一種基于ＡＲＭ 的微型卡片式計(jì)算機(jī)，其由于優(yōu)秀的擴(kuò)展性和易于開發(fā)的特性，逐漸被應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)與智能監(jiān)護(hù)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(biāo)準(zhǔn)化［９］ 的基礎(chǔ)上，結(jié)合人工智能云平臺技術(shù)［１０］ ，設(shè)計(jì)了一種多功能且更人性化的智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集監(jiān)控、報(bào)警、定位、監(jiān)測等功能于一體，便于對獨(dú)居老人進(jìn)行智能監(jiān)護(hù)管理，從而提高獨(dú)居老人的生活質(zhì)量。

２ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

系統(tǒng)的主要目標(biāo)是針對獨(dú)居老人或無行動(dòng)能力的人在無監(jiān)護(hù)人看管的情況下，在遇到危險(xiǎn)后能第一時(shí)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(dāng)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(hù)人。該智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)還能監(jiān)測溫度、血壓等數(shù)據(jù)來判斷老人是否處于危險(xiǎn)之中?！蔼?dú)居老人智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)”在基于傳統(tǒng)的單片機(jī)智能監(jiān)護(hù)的基礎(chǔ)上結(jié)合云平臺技術(shù)，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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

３．１ 電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)電路設(shè)計(jì)圖如圖２ 所示。

３．２ 硬件設(shè)計(jì)

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(yīng)用尚未普及，相關(guān)文獻(xiàn)內(nèi)容也較少，其監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)部分實(shí)現(xiàn)方式都是通過開源的ＭＪＰＧ?ｓｔｒｅａｍｅｒ 實(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸與控制。

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

３．２．２ 監(jiān)測模塊

三軸加速度傳感器負(fù)責(zé)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(dòng)，并利用適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散和過濾系統(tǒng)加以收集。三軸運(yùn)動(dòng)加速度感應(yīng)器能夠?qū)崿F(xiàn)雙軸運(yùn)動(dòng)的正負(fù)９０°以及雙軸運(yùn)動(dòng)０～３６０°的傾角，并且通過校正后期準(zhǔn)確度要優(yōu)于傳統(tǒng)雙軸運(yùn)動(dòng)加速度感應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(yīng)器能精確測量平均體溫并給出超溫警告／ 暫停／ 關(guān)斷輸入輸出數(shù)據(jù)信息，還利用高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ＡＤＣ）將平均體溫檢測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)值形狀，單次和關(guān)斷模式都可以降低耗電量。

同時(shí)，通過Ｉ２Ｃ 的兼容２ 路串行接口實(shí)現(xiàn)通信，具有高精度和低電壓操作有助于幫助設(shè)計(jì)人員滿足出錯(cuò)和電力預(yù)算。單次和關(guān)斷模式有助于降低用電量，６００ μＡ（典型值）工作供電電流，數(shù)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(jìn)入成本、為用戶選擇應(yīng)用等優(yōu)勢，表現(xiàn)為可伸縮、集中管理、負(fù)載均衡、增加資金利用率等特點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可將硬件設(shè)備檢測的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街悄茉破脚_（阿里云、華為云）之上，通過網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議發(fā)送到用戶終端，可使監(jiān)護(hù)人實(shí)時(shí)查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。

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(bào)警模塊、云平臺、手機(jī)終端以及人體溫度監(jiān)測等模塊，與各項(xiàng)通信串口協(xié)議相結(jié)合，以完成系統(tǒng)總體工作，其大致的運(yùn)行流程如圖３ 所示。

４ 系統(tǒng)測試

４．１ 硬件測試

通電前進(jìn)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(gè)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(jìn)行硬件測試，通電后觀察電路有無異常情況，再進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)調(diào)試，最后進(jìn)行總體系統(tǒng)運(yùn)行測試，查看系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。

４．２ 軟件測試

終端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送，用戶可自主登錄云平臺實(shí)時(shí)監(jiān)測或操控并分析各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行模塊化測試，分別對監(jiān)控、監(jiān)測、識別、報(bào)警模塊的數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性、傳輸數(shù)據(jù)的速度、傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性進(jìn)行測試，保證數(shù)據(jù)的丟包率在誤差允許范圍內(nèi)，速度能達(dá)到要求且能長時(shí)期運(yùn)行。其次進(jìn)行系統(tǒng)的集成測試，確定函數(shù)的輸入輸出接口，寫完函數(shù)后，模擬輸入變量判斷輸出內(nèi)容是否是預(yù)期功能。判斷函數(shù)的地址是否正確，內(nèi)存有無越界，是否是野指針，輸入?yún)?shù)是否合法，輸出參數(shù)或返回值是否正常。

５ 結(jié)束語

研發(fā)獨(dú)居老人智能監(jiān)護(hù)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(shù)來監(jiān)護(hù)獨(dú)自在家的老人。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心功能包括監(jiān)護(hù)功能、危險(xiǎn)報(bào)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(shù)在遇到危險(xiǎn)（如在家中跌倒）時(shí)不能及時(shí)報(bào)警，從而錯(cuò)過最佳搶救時(shí)機(jī)。目前，此系統(tǒng)經(jīng)過持續(xù)地研發(fā)與測試，能夠穩(wěn)定運(yùn)行并應(yīng)用在實(shí)際生活中，這將極大地降低監(jiān)護(hù)人的監(jiān)護(hù)壓力。在后續(xù)過程中，將會結(jié)合實(shí)際出現(xiàn)的問題對此系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化更新，旨在為老年群體的健康問題作出更大貢獻(xiàn)。

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作者簡介：孫杰（２０００—），本科，研究方向：信息技術(shù)。