混合型養老社區綜合服務平臺之智能終端系統的設計

袁賽杰 胡澤斐 叢玉華 謝玲 周怡誠

（南京理工大學紫金學院計算機學院 江蘇省南京市 210023）

1 引言

隨著老齡化問題的日益嚴重，一系列養老問題也引起了人們的關注：家庭支持資源不足、老年人的生活和醫療護理不足、護理的設施不足、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量就顯得愈加重要了。為此中共中央強調要以家庭為基礎建立多層次的護理服務系統，積極開展老齡化行動，推動養老的多樣化。“家庭養老”和“社區養老”等實施表明，社區養老將是未來的主要趨勢。混合型養老社區可以幫助老年人護理機構和社區大大提高管理效率[1]。混合養老社區中老年人生活系統的概念和技術的介入將使未來的養老模式更加人性化。養老社區將來可以使用智能設備實時監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布需求，服務公司可以根據需求為老年人提供現場服務[2]。本文將設計智能終端系統即為養老社區綜合服務系統的智能終端部分。

2 系統總體方案

2.1 功能分析

智能終端系統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狀態的監測功能，因此系統應包含兩個子系統：助老終端系統和數據監測系統。系統功能如圖1 所示。

圖1：助老終端功能結構圖

圖2：智能終端系統結構圖

圖3：助老終端系統結構圖

助老終端系統負責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計人機交互模塊來實現，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，提供相應的基礎護理，通過在助老終端上設計運動控制模塊來實現，具體功能包括：控制助老終端的移動、避障。

數據監測系統負責監測老年人的居住室內環境狀態和老年人身體健康狀態以及采集室外定位數據。室內環境狀態監測部分負責實時反饋室內危險數據，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，為此設計室內環境監測控制器負責采集室內溫度、濕度、煙霧、火焰數據。身體健康狀態監測部分負責實時反饋老年人生命體征，保障生命健康安全，主要監測體溫、血壓、心率數據。另外，為便于了解老年人動向，還需要提供實時定位功能。監測所得數據將實時上傳云端供社區管理服務人員、老年人及家屬處理及查看。一旦有緊急情況，系統多方警報，產生聯動，保護老年人的生命安全。

2.2 結構設計

根據上節中對智能終端系統的功能分析，為滿足系統需求。將系統平臺布局如下：體征監測和實時定位，需要由老年人隨身攜帶設備實現，因此需設計一款智能手環。只要攜帶手環，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。助老終端系統針對居家設計，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、室內監測三個功能。平臺的具體結構如圖2 所示。

3 助老終端系統

3.1 系統結構

助老終端系統硬件平臺按照人機交互系統和運動控制系統的功能劃分，可圍繞主控器為核心，人機交互系統共分為語音識別模塊、語音合成模塊和MP3 模塊。運動控制系統分為：傳感器模塊和電機模塊。人機交互系統主控器采用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，采用同一主控器，傳感器模塊通過IO 與主控器相連，通過L298N 電機驅動模塊與直流電機對接。硬件構成如圖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的語音識別/聲控芯片。內部預留了高性能的數模和模數轉換接口，在安靜的環境下，可識別語音的最大距離為3 米左右，提供觸發識別和循環識別兩種模式。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，用于實現語音播報和語音對話功能，模塊內部集成自帶音效，語速和語調可調，可實現中英文混讀。模塊通過IIC 與Arduino 實現通訊，串口波特率為9600bps。接口為：模塊SDA 引腳接到開發板A4 口，SCL 引腳接到開發板A5 口，VS 和GND 分別與開發板的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 軟件設計

采用Arduino IDE 開發環境，其軟件主要由setup()函數，loop()函數及自定義函數構成。其中自定義函數包括語音控制模塊、語音播報模塊、MP3 模塊的初始化函數及其功能函數以及串口數據發送函數。圖8 為該系統軟件結構主流程圖。

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射與接收管、電位器及比較器電路等構成，實物圖如圖9 所示。模塊與主控器其接口為：系統使用兩個紅外傳感器，而OUT 口為數字輸出接口，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字開關，模塊通過按壓滾輪觸點來控制開關的導通或斷開產生開關量，將開關狀態通過IO 引腳輸出，模塊實物圖如圖11 所示。

3.3.1.2 電機模塊

L298N 模塊是電機驅動模塊。可外接控制兩個直流電機，需要12V 的驅動電壓。模塊實物如圖12 所示。模塊有4 個IO 口，2個對應A 馬達輸出口，另外兩個對應B 馬達輸出口。對應電機狀態分別為：停止、制動、正轉、反轉、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 軟件設計

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

4 數據監測系統

4.1 系統結構

該系統分為三個模塊，室內監測、體征監測和實時定位。系統結構如圖14 所示。

4.2 室內監測

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量用于煙霧報警。與主控板接口設計為：數據線與主控板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：人機交互系統流程圖

用于測量室內的溫濕度，響應時間較快、可靠性較高、穩定性較強。模塊有三個引腳：VCC、DATA 以及GND。與主控板的接口設計為： VCC 連接主控板VOUT2 區域中的5V 位置，GND也連接在該區域內的GND 部分，傳感器DATA 引腳連接主控板的PA5 相連，進行AD 轉換。實物如圖16 所示。

圖11：碰撞傳感器實物圖

圖12：L298N 電機驅動模塊

圖13：運動控制系統流程圖

4.2.3 火焰傳感器模塊

火焰傳感器KY-026 專門用于檢查火源，利用紅外對火焰非常敏感的特性，將火焰的亮度轉換為高低電平信號。火焰傳感器KY-026 與主控板的接口設計為：傳感器 VCC 和GND 引腳連接到主控板VOUT2 區域對應的VCC 跟GND。AO 與主控板的PA6 相連，PA6 為AD 口將模擬量轉換成相應的數字量并輸出。實物如圖17所示。

圖14：數據監測系統結構圖

圖15：MQ2 模塊

圖16：DHT11 模塊

圖17：火焰傳感器模塊

圖18：血壓模塊

圖19：心率血氧模塊

圖20：體溫監測模塊

圖21：定位模塊

4.3 體征監測

4.3.1 血壓檢測模塊

血壓監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據傳輸。實物如圖18 所示。

4.3.2 心率血氧模塊

實現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據。待機模式電流幾乎為零，安全可靠。實物圖如圖19 所示。

圖22：主函數流程圖

圖23：終端系統實物圖

圖24：室內環境監測系統展示

4.3.3 體溫檢測模塊

MAX30205 溫度傳感器能夠精確測量溫度，采用高分辨率模數轉換器，提供關機輸出、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 程序設計

圖22 是數據監測系統的主流程圖。首先采集各傳感器數據以及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

5.1 助老終端系統測試

終端系統整體完成后如圖23 所示。

人機交互系統：設計語音測試用例測試后。安靜環境下準確率可達96%。

運動系統功能：終端常規動作，前行、后退、左轉、右轉。順利實現；傳感器工作狀態正常，避障部分采用PWM 調速進行避障調整可順利繞開障礙物。

5.2 數據監測系統測試

監測系統實物如圖24 所示。

根據傳感器指示燈和所采集數據，室內環境和體征監測已經定位部分功能完成。

5.3 測試總結

測試結果顯示，智能終端系統各基本功能已實現，后續可擴展睡眠監測等相關功能，并進而對系統進行細節處理，使系統更完善更人性化。