物聯(lián)網(wǎng)和超聲波傳感技術(shù)相融合的獨(dú)居老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研究

曹 晉，田宏偉，朱珊珊

（蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215300）

引言

2000-2018 年，老年人口占比從10.2%上升到17.9%，提升幅度是世界平均水平的2 倍多。而子女因?yàn)楣ぷ鞯纫蛩嘏c老人分隔兩地，更沒(méi)有條件和時(shí)間給予老人正常的看護(hù)。老人獨(dú)居常態(tài)化，頻發(fā)的“孤獨(dú)死”悲劇并不鮮見(jiàn)，養(yǎng)老問(wèn)題關(guān)乎民生，刻不容緩。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，傳統(tǒng)養(yǎng)老模式得到了全面轉(zhuǎn)型。目前，針對(duì)獨(dú)居老人問(wèn)題提出的解決方法大致可以分為三類：跌倒監(jiān)測(cè)[1-3]；生命體征數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，如血壓、心率、睡眠時(shí)間和質(zhì)量等[4-5]；環(huán)境監(jiān)測(cè), 如廚房中的一氧化碳?xì)怏w、溫濕度、火焰指數(shù)等[6]。尤其是針對(duì)老人跌倒的研究越來(lái)越受到學(xué)者的偏愛(ài)。米曉萍等人提出了一種物聯(lián)網(wǎng)框架下的人工智能獨(dú)居老年人自動(dòng)看護(hù)方法[1]，針對(duì)獨(dú)居老人行為存在的較大突發(fā)性和隨機(jī)性問(wèn)題，對(duì)攝像頭捕捉到的圖片引入混沌粒子群算法，對(duì)摔倒行為尋優(yōu)識(shí)別，降低誤識(shí)別率。黃一明等人設(shè)計(jì)了一款基于語(yǔ)音交互與人體姿態(tài)識(shí)別技術(shù)的智能陪護(hù)系統(tǒng)[2]，一方面，利用語(yǔ)音交互，獲取新聞、天氣、音樂(lè)等信息，另一方面，利用混合高斯背景模型對(duì)采集到的視頻圖像中的目標(biāo)提取，判斷老人是否摔倒。石棟等人集成MEMS 傳感器，引入支持向量機(jī)算法，將空間的加速度或角速度變化集合為矢量值從而判斷老人是否跌倒[3]。

多數(shù)跌倒檢測(cè)都需要借助攝像頭，而浴室是不適合安裝攝像頭但卻跌倒頻發(fā)的場(chǎng)所，攝像頭等畫面捕捉設(shè)備的存在，使老人生活毫無(wú)隱私。出于隱私性和安全性的考慮，提出一種物聯(lián)網(wǎng)和超聲波傳感技術(shù)相融合的獨(dú)居老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

監(jiān)護(hù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，該系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、控制層和應(yīng)用層。感知層主要通過(guò)超聲波流量傳感器監(jiān)測(cè)獨(dú)居老人用水?dāng)?shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層中的TCP/IP 通信協(xié)議傳輸至控制層，控制層中的NLECloud 平臺(tái)作為整個(gè)系統(tǒng)的大腦，對(duì)感知層的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與存儲(chǔ)，分析計(jì)算的結(jié)果將會(huì)通過(guò)應(yīng)用層的監(jiān)控預(yù)警模塊發(fā)送給監(jiān)護(hù)人，若發(fā)生異常，便會(huì)立即通知警衛(wèi)處和老人親屬。

圖1 獨(dú)居老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集裝置、打卡/求救裝置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置和數(shù)據(jù)接收終端組成。系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 獨(dú)居老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)原理

2.1 超聲波流量計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于MSP430F5438 單片機(jī)和TDC-GP22 高精度時(shí)間測(cè)量芯片的超聲波流量計(jì)，結(jié)合nFR24L01 射頻芯片進(jìn)行無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)水量的采集、處理、傳輸與顯示。超聲波流量計(jì)硬件設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖3。主控單元MSP430 采用SPI 方式與TDC-GP22進(jìn)行通訊，通過(guò)按鍵中斷控制TDC-GP22 產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，采用時(shí)差法計(jì)算流量，實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與顯示，最終的測(cè)量結(jié)果通過(guò)nFR24L01 無(wú)線射頻模塊發(fā)送至上位機(jī)。

圖3 超聲波流量計(jì)硬件設(shè)計(jì)框圖

2.2 nFR24L01 無(wú)線收發(fā)模塊

數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸電路的核心元器件是nFR24L01 射頻芯片，該芯片是一款具有極低功耗模式的無(wú)線收發(fā)器芯片，其外圍元器件極少，大大降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。普遍應(yīng)用于無(wú)線門禁、工業(yè)傳感器、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中[7]。nFR24L01 無(wú)線收發(fā)模塊與主控單元通過(guò)SPI 進(jìn)行雙向通信，nFR24L01 引腳與功能說(shuō)明如下：

CE——與PWR_UP 和PRIM_RX 兩個(gè)信號(hào)共同組合為不同的高低電平組合，使nRF24L01 分別處于發(fā)射模式、接收模式、待機(jī)模式以及掉電模式。PWR_UP=1，PRIM_RX=0，CE=1 為 發(fā) 送 模 式 ，PWR_UP=1，PRIM_RX=1，CE=1 為接收模式；

CSN——SPI 使能信號(hào)；

SCK——SPI 時(shí)鐘信號(hào)；

MOSI——SPI 數(shù)據(jù)主出從入；

MISO——SPI 數(shù)據(jù)主入從出；

IRQ——中斷標(biāo)志位。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 流量測(cè)量

超聲波流量計(jì)的測(cè)量部分是該設(shè)計(jì)的核心。流量測(cè)量軟件設(shè)計(jì)流程圖見(jiàn)圖4。首先對(duì)硬件進(jìn)行初始化，包括UCS 晶振、顯示設(shè)備LCD、存儲(chǔ)設(shè)備Flash、按鍵和無(wú)線射頻設(shè)備nFR24L01，接著設(shè)置TDC-GP22的寄存器及初始化參數(shù)，在測(cè)試循環(huán)中，需要設(shè)置低功耗模式，判斷按鍵中斷標(biāo)志位，流量數(shù)據(jù)處理，測(cè)試數(shù)據(jù)最終顯示在LCD。

圖4 流量測(cè)量軟件設(shè)計(jì)流程

3.2 nFR24L01 無(wú)線接收/發(fā)送

nFR24L01 無(wú)線模塊分為發(fā)送與接收兩部分。當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先將引腳CE 置為低電平，使nFR24L01 進(jìn)入待機(jī)模式，寫入接收地址和有效地址，當(dāng)PRIM_UP 和CE 引腳為高電平，PRIM_RX為低電平時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，立即進(jìn)入接收模式，若在設(shè)置時(shí)間內(nèi)收到應(yīng)答信號(hào)，則數(shù)據(jù)發(fā)送成功，否則，將再次重發(fā)數(shù)據(jù)，若依然發(fā)送超時(shí)，則進(jìn)入中斷處理。當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先將引腳CE 置為低電平，使nFR24L01 進(jìn)入待機(jī)模式，當(dāng)PRIM_UP、PRIM_RX 和CE 引腳均為高電平時(shí)，接收數(shù)據(jù)，檢測(cè)空中信號(hào)，若接收到有效數(shù)據(jù)包，發(fā)送確認(rèn)信號(hào)，讀出數(shù)據(jù)。上位機(jī)通過(guò)nFR24L01 接收流量計(jì)采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)將傳輸至云端進(jìn)行再次處理。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證超聲波流量計(jì)的精確度，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。重復(fù)性誤差和相對(duì)示值誤差是檢測(cè)流量計(jì)性能的重要指標(biāo)。重復(fù)性誤差表明了測(cè)試值的分散程度，可以表示為[8]

式中：Ei表示流量計(jì)第i 檢定點(diǎn)的相對(duì)示值誤差；n 表示第i 檢定點(diǎn)的檢定次數(shù)；qij表示第i 檢定點(diǎn)第j 次的實(shí)測(cè)流量值；qs表示第i 檢定點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)流量值，最終流量計(jì)的相對(duì)誤差示值誤差取Ei的最大值，即

下面選取管段公稱直徑為20 mm 的管道進(jìn)行測(cè)試，選取的檢測(cè)流量點(diǎn)分別為：0.2 m3/h、0.5 m3/h、1 m3/h，1.25 m3/h 和1.5 m3/h，每個(gè)檢定點(diǎn)測(cè)三組數(shù)據(jù)，計(jì)算重復(fù)性誤差和相對(duì)示值誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同檢定點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果

由表1 可知，該流量計(jì)的示值誤差為±0.283，重復(fù)性誤差最大值為0.193，達(dá)到了1.0級(jí)表的等級(jí)要求。因此，該流量計(jì)可以用于普通管道的流量測(cè)量。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種物聯(lián)網(wǎng)和超聲波傳感技術(shù)相融合的針對(duì)獨(dú)居老人的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)裝置，該系統(tǒng)主要由超聲波流量傳感器、 打卡 / 求救裝置和NLECloud 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)構(gòu)成。通過(guò)對(duì)用水量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)判斷異常用水情況，自動(dòng)發(fā)出異常信號(hào)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估了系統(tǒng)的正確性和有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，監(jiān)護(hù)人可以通過(guò)手機(jī)微信小程序或NLECloud 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)查看被監(jiān)護(hù)人的日常用水量并分析生活規(guī)律，同時(shí)能夠通過(guò)打卡/求救按鈕進(jìn)行詢問(wèn)應(yīng)答。該系統(tǒng)裝置在充分保障了老人隱私的同時(shí)，兼顧了成本低、功耗低、工作穩(wěn)定、無(wú)需任何佩戴設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，從而為獨(dú)居老人的監(jiān)護(hù)提供安全保障。