基于Arduino的老人環境監測系統研究

柳亞輸，李衛民，姜雯筠，關鳴九

（泰州職業技術學院機電學院，江蘇泰州，225300）

0 引言

第七次全國人口普查數據顯示，我國60歲及以上老年人口已達2.64億，占總人口的18.7%，老齡化程度進一步加深，老年人對醫養結合的健康養老服務需求日益增加[1]。預計到2040年，65歲及以上老年人口占總人口的比例將超過20%[2]。由于我國的文化習俗和城市化等方面的影響，越來越多的老人選擇了居家養老。現在大多數家庭都是獨生子女，越來越多的老人選擇獨居，這就使得老人居家養老的健康和安全問題變的日益突出。基于此本文采用Arduino控制板，融合多傳感器和物聯網技術，設計一種老人居家的遠程健康智能監控系統，當出現異常情況時可以遠程報警，對老人進行救助。

1 設計方案

本系統主要有主控板Arduino，由溫濕度傳感器、燃氣傳感器和顆粒物傳感器構成的環境檢測模塊；由心率脈搏傳感器構成生理檢測模塊；語音識別模塊、物聯網串口模塊ESP8266和物聯網平臺構成（如圖1所示）。本系統可以檢測溫度、濕度、燃氣濃度和空氣中有害顆粒物的濃度四種環境參數，心率和脈搏兩種生理參數；通過樂為物聯網平臺將檢測結果實時顯示在手機、平板和觸摸屏等終端上，當超過設定的安全值物聯網平臺就會發送短信到親人手機實現報警的作用。

圖1 系統框架圖

2 系統硬件設計

控制板Arduino是一款開源硬件平臺,核心設備是Atmega328的微控制器[3],具有32KBFlash、1KBEEPROM、14路數據I/O口(其中6路可作為PWM輸出)和6路模擬輸入口,內部封裝了多種常用開發庫以及多種常用傳感器測量的庫函數[4-7],選擇Arduino的UNO板可以直接使用，簡化了本系統的設計。

溫濕度傳感器采用DHT20溫濕度傳感器，該傳感器具有功耗低、精度和穩定性都很高、抗干擾能力強，廣泛應用于消費電子、智能空調、氣象等方面，其溫度測量誤差為±0.5℃，濕度測量誤差為±3%RH完全可以滿足本設計的要求。

燃氣傳感器采用MQ2煙霧氣敏傳感器,可用于家庭和工廠的泄漏氣體檢測，可以檢測液化氣體、甲烷、丙烷、丁烷和煙霧等氣體。這種傳感器的檢測濃度范圍300-10000ppm（可燃氣體），可以滿足本設計的要求。

顆粒物傳感器采用精訊暢通PM2.5/PM10顆粒物檢測器，該傳感器有兩種工作方式，主動上報模式和問詢模式；測量范圍0-999微克/米3，分辨率為1微克/米3，最小檢出粒子直徑為0.3微米，響應時間小于1.5秒，工作溫度在-10—60℃；完全滿足本設計的要求。

語音識別傳感器采用亞博智能語音識別模塊，基于LD3320芯片實現漢語語音識別；采用語音喚醒詞+命令詞的方式讓終端設備執行相應的命令；有3種識別模式：循環檢測模式、口令觸發模式和按鍵觸發模式，有帶有掉電保存功能；識別率達到96%，可以滿足本設計的要求。

心率脈搏傳感器采用PulseSensor傳感器，這款傳感器通過arduino控制板的串口上的上位機的processing軟件可以實時顯示出心跳和脈搏的數據；工作原理是通過綠光Led燈將信號傳導到光感受器，經由濾波電路和放大電路，最終將光信號轉換為電路的模擬信號輸出。這款傳感器的分辨率為bpm，放大倍數為330倍，滿足了本設計的需要。

3 系統軟件設計

3.1 環境檢測程序設計

啟動系統后，進行環境檢測，檢測室內的溫度、濕度、燃氣濃度和顆粒物濃度將檢測結果（結果顯示在用戶手機app和Led屏上）與事先設定的預警值比較，當超過警戒值時候就通過物聯網平臺發送微信、短信和郵件給用戶的手機進行報警。

3.2 生理檢測程序設計

啟動系統后，進行生理檢測，檢測室內的溫度、濕度、燃氣濃度和顆粒物濃度將檢測結果（結果顯示在用戶手機app和Led屏上）與事先設定的預警值比較，當超過警戒值時候就通過物聯網平臺發送微信、短信和郵件給用戶的手機進行報警。

3.3 語音控制程序設計

啟動系統后，當輸入語音指令時，就按照指令要求播報相應的環境、生理數據；還可以利用語音控制關閉、報警和重置整個系統；語音控制模塊大大增強了系統的交互性，方便老人操控。

3.4 樂為物聯網平臺設計

樂為物聯網是一個免費的云端管理系統，它能夠實現數據存儲、顯示、分析、報警和分享燈功能。首先在該平臺注冊一個賬號，然后添加傳感器和控制器，設置相應的參數，設置完成后，物聯網平臺上就會實時出現傳感器的數據；設置一個目標值，當傳感器數值超過目標值時，平臺就會通過微信、短信和郵件向用戶報警，提醒用戶及時處理。如圖2所示是物聯網平臺上實時顯示的室內顆粒物傳感器檢測檢測出來的PM2.5數據，可以清楚看到從實時，最近1小時，一直到最近一個月的數據。

圖2 物聯網實時顆粒物濃度圖

系統的軟件采用Arduino IDE進行開發環境設計，程序設計調試完成之后下載到Arduino種進行運行。系統程序采用c語言進行編寫，同時調用IDE中的一些函數實現各個模塊的作用。程序的主要有主程序、初始化程序、環境檢測程序、生理檢測程序、語音控制程序燈共同構成，其流程圖如3所示。

圖3 軟件系統流程圖

4 功能性分析

本系統的一個顯著特點是運用多種傳感器、語音控制和物聯網平臺構成一個有機的整體從而在居住環境和生理指標兩個主要的方面，實現了對居家老人的全面檢測；增加了語音控制功能，可以方便實現人機交互，使得系統更加友好；通過物聯網平臺，將設備、手機、平板和電腦有機聯通起來構建一張網，實現了信息實時的共享和報警。

經過反復試驗證明，基于arduino的老人環境監測系統運行穩定，反饋信息及時。使用溫濕度傳感器、燃氣傳感器、顆粒物傳感器、心率脈搏傳感器、語音控制模塊和物聯網模塊，構建一套智能老人居家養老環境監測系統。該系統具有自動監測環境和生理參數，可以語音控制，通過物聯網平臺實現報警和實時更新數據的功能。該系統適用于居家養老的老人，尤其適合于獨自居家的老人，具有很大的使用價值和市場應用前景。