基于物聯網的智能養老系統

李政林 關磊

摘要：中國正面臨人口結構老年化的局面，對于這一現象，本文提出了一種基于物聯網的智能養老系統。該系統以養老手環為載體，GSM通信為核心，搭配終端App以及社區服務平臺，組成一套完善的智能養老系統。養老手環主要包括跌倒檢測、心率監測、體溫監測、GPS定位等。老人摔倒或心率異常，手環則自動撥打求救電話并發送求救信息給子女和社區。子女和社區也可在用戶終端App和服務平臺上隨時查看老人的情況。

關鍵詞：物聯網;智能養老;跌倒檢測;心率監測;養老手環

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）09-0141-03

伴隨青壯年勞力外出流動，農村出現空巢社會與空巢家庭，家庭養老演變為自力養老[1]，農村老年人變成了空巢老人[2]。隨著健康醫療與便攜式智能穿戴設備地快速發展，空巢老人的生活狀態和身體狀態能通過這些媒介被子女和社區工作者知曉，因此能實時掌握老人的情況并及時迅速的作出反應。由于老人對智能操作系統的學習與接受能力較弱，本文提出的基于物聯網[3]的智能養老系統是以GSM通信技術為依托，簡化手環的操作界面與步驟，通過GPRS無線上傳數據，在子女客戶終端和社區服務平臺終端顯示，子女和社區可全程監護老人的生活狀態。如果系統GPS定位[4]檢測到老人已經走出系統設置的電子圍欄則判定老人有走失風險，手環會啟動防走失模式并自動發送求助短信和定位信息。

1 整體設計方案

系統結構如圖1所示，它包含老人端的智能手環應用、子女端的App應用、社區端的服務平臺三部分。采用嵌入式硬件設計手環通過服務器進行數據實時上傳，App端和社區服務端對數據進行接收和處理。系統如果檢測到老人摔倒或心率異常以及主動求助等信息，則自動發送求助短信和定位信息并撥打報警電話。

手環還內置了NFC標簽[5]，如果老人走失，周圍的群眾可通過具有NFC功能的手機對手環進行識別，以便了解老人的基本情況以及子女聯系方式等，及時聯系相關人員，盡快找到老人所在位置，保護老人的安全。

2 系統硬件設計

本系統中智能手環主要包括以下模塊，心率監測[6-7]模塊、體溫監測模塊、跌倒檢測[8]模塊、ARM v7處理器模塊、報警模塊。系統的硬件設計如圖2所示。

2.1 主控模塊

該手環主控模塊采用MTK的MT2503嵌入式處理器，2503是基于ARMv7的物聯網芯片平臺，支持高精度全球衛星導航系統（GNSS）和2G基帶，且GPS定位精準度高。芯片片內帶有通用IO口、UART接口、SPI接口、I2C接口、USB接口等。

2.2 心率監測

心率監測選用的是光電反射式心率傳感器[9]PAH80 11ET，該芯片功耗低性能高，封裝集成2個綠光LED和一個紅外LED。它帶有2個通信接口，即支持高達1Mbit/s的I2C接口和高達10Mbit/s的四線SPI接口。當檢測到手環佩戴者的心率出現異常時，手環會發送求救信息給子女和社區，社區會及時查看處理，以防止意外發生。

2.3 體溫監測

體溫監測選用臨床級溫度傳感器MAX30205，其可高精度測量溫度，提供過熱報警/中斷/關斷輸出，通過I2C兼容2線串行接口進行通信。通過疫情大家都意識到體溫監測的重要性，養老手環加入了體溫監測模塊能極大地方便老人在生活中隨時掌握自己的身體狀態。當手環檢測到老人的體溫超過常規值時將信息發送到子女的App上，讓子女掌握老人的身體情況。

2.4 跌倒檢測

跌倒檢測選擇三軸加速度傳感器ADXL345[10]，它可以測量傾斜感應應用中的靜態重力加速度，以及由于運動或沖擊而產生的動態加速度。其高分辨率（3.9mg/LSB）可以測量小于1.0°的傾斜度變化，測量精度高。支持SPI（3線或4線）或I2C接口。手環應用加速度傳感器主要用來檢測老人是否摔倒、摔倒后一段時間內是否站起來的情況。摔倒后及時發送求救信息給子女和社區，并輪撥子女電話，子女能快速響應。

2.5 報警系統

手環設置的報警系統由OLED屏、扁平式馬達、喇叭組成。當手環檢測到老人摔倒未爬起或心率出現異常，則啟動報警系統，屏幕上顯示老人緊急求助信息、馬達震動、發出警報聲。同時通過GPRS發送定位信息和報警信息給社區服務平臺及子女App終端，并自動撥打求救電話。

3 系統軟件設計

MT2503開發平臺用C語言進行編譯，通過傳感器采集手環佩戴者的各項數據，并上傳到服務器。手環不直接與終端App和社區服務平臺通信，而是通過中間服務器進行數據的上傳下發。每一臺移動通信設備包括手環都具有唯一地IMEI識別號，因此服務器能通過這唯一的識別號與手環和終端進行通信連接，且不會出錯。

系統軟件開機后，首先進行程序初始化;查詢GSM和GPRS網絡是否注冊成功，成功后即可建立手環與服務器的連接;進行數據的傳輸和信息處理，從服務器上讀取時間并設置心跳參數，獲取傳感器測量數據;發送心跳包、心率數據、位置信息等數據給服務器;終端設備從服務器端獲取手環數據，更新終端交互界面。系統軟件流程如圖3所示。

4 手機終端App設計

考慮到老年人對智能手機的使用程度較低，擁有人數較少，手機終端App不能滿足手環佩戴者的使用，主要是為老人的監護人、子女設計使用。App綁定手環后可以查看到手環佩戴者的詳細定位、心率、體溫等數據，及時掌握老人的身體情況和位置。遇到突發情況時，手環會向服務器發出報警消息，服務器會傳輸數據到對應的App上，App及時反饋以便子女能快速作出反應。老人也可以通過手環發送語音消息在子女的App聊天群內，讓老人的消息可同時被多個子女看見，解決有些老人不會使用智能手機但想和子女群聊的困境。

5 社區服務平臺設計與測試

社區服務平臺可以與多臺養老手環綁定，通過中間服務器進行數據的傳輸，平臺可以查看每位老人的手環數據，掌握他們的基本情況，減少社區養老服務工作者的工作壓力。當老年人遇到突發情況或走失時，社區能快速地定位老人，第一時間給老人提供醫療服務和援助。社區服務電話與每個手環進行綁定，手環上有一個按鍵按下直接撥打社區服務電話，縮小老人與社區工作者之間的距離，讓老人的問題及時得到解決。

智能養老系統能對老年人的日常行為作精準的監測。當手環佩戴者正常行走、運動時，系統不報警;當手環佩戴者跌倒、心率異常時，系統迅速發出緊急求助信息并上報定位。為測驗系統監測的準確性，選取5位男性模擬老人運動狀態進行四組實驗，實驗都是模擬正常生活作息狀態，包括走路，跑步，坐下等運動。實驗一：做負重運動，監控心率數據;實驗二：運動過程中監控體溫數據;實驗三：正常運動時突然跌倒可以起立，監控跌倒判斷;實驗四：正常運動時突然跌倒不能起立，監控跌倒判斷。五人進行同樣的實驗，每組實驗進行20次。實驗結果如表1所示，該系統能夠較準確地測量人體在正常生活運動中的心率、體溫，以及能正確的判斷人體的運動狀態。但由于生病發燒、心率異常是特殊情況，本次實驗并沒有進行驗證。總而言之，本系統能正確識別人體運動狀態，檢測人體各項身體指標，準確發出報警求助信息，實現了預設的系統功能。

6 結語

人口老齡化是我國發展過程中不可避免的一個現象，空巢老人的增多也加大了家庭和政府對于養老服務的難度。本文利用智能可穿戴設備與養老服務相結合，提出的智能養老系統是順應時代的潮流，也是社會需求的產物。子女不在身邊照顧時，社區也可以承擔起守護老人安全的責任，在老人出現意外時及時救助，避免悲劇的發生。目前本系統養老手環設計已經完成，后期將繼續進行App和社區服務平臺的設計，實現智能養老。

參考文獻

[1] 陸益龍.后鄉土中國的自力養老及其限度：皖東T村經驗引發的思考[J].南京農業大學學報（社會科學版），2017，17（1）：11-19+144.

[2] 何穎，黃艷，王騰，等.社區獨居老人智能監控系統的手環設計[J].數字技術與應用，2019，37（10）：163-164+166.

[3] 肖虹.物聯網技術在空巢老人健康服務中的應用監測平臺的設計[J].工業設計，2016（1）：92-93.

[4] 劉勃，王明偉，常立博.老年人運動狀態監測和跌倒報警系統[J].計算機與現代化，2020（5）：101-105.

[5] Assa Abloy AB;Patent Issued for Method，System And Device For Generating，Storing，Using，And Validating NFC Tags And Data （USPTO 10，652，233）[J].Journal of Engineering，2020（03）：212-215.

[6] Marin，N.Goga and A.Doncescu，”[WiP]Sentiment Analysis Electronic Healthcare System Based on Heart Rate Monitoring Smart Bracelet，”2018 IEEE 11th Conference on Service-Oriented Computing and Applications （SOCA），Paris，2018：99-104.

[7] Ningning Xiao，Wei Yu，Xu Han. Wearable heart rate monitoring intelligent sports bracelet based on Internet of things[J].Measurement，2020（01）：164-168.

[8] 劉樹棟.基于多傳感器融合的摔倒監測研究與設計[D].重慶：重慶理工大學，2016.

[9] 張文超.基于社區老人的智能手環設計[J].中國設備工程，2018（4）：120-122.

[10] 蔡心源，梁守志，張聲嵐，等.老人智能監測系統的研究與設計[J].大眾科技，2017，19（8）：17-23+47.