基于智能語音健康養老系統的研究與設計

賀婧，苗中文，王魏帆，郭明海，姜雪，何愛華

（蚌埠學院，安徽蚌埠 233000)

0 引言

目前，我國人口老齡化問題日益加重。第七次人口普查數據顯示，我國60歲及以上人口為2.6億人，占總人口數量的18.70%，65 歲及以上人口為1.9 億人，占總人口數量的13.5%[1]。隨著人口老齡化的加劇發展，老年人日常照護、生存權利、健康服務、生命安全保障等需求也不斷增長。同時，隨著社會生產方式的改變，慰藉空巢老年人的數量也在日益上升。老年亟需相當一部分在生活和精神方面需要得到關心、幫助和慰藉，他們的身心健康問題顯得愈發重要，急須更完善的保障。現如今市場上已經存在了很多智能醫療養老產品，但它們多數存在實時監測不到位、配套App功能單一、數據精確度較低和數據無法實時共享等功能短板，市場上暫時也沒有真正完善的針對老年人身心健康的App[2]。

本系統基于以智慧化養老為發展趨勢的社會背景，利用“互聯網+”與養老服務不斷融合發展，以互聯網為技術核心為老年人提供智慧養老服務，滿足老年人生活質量要求。

1 系統設計與實現

1.1 硬件部分

本系統以STM32F103系列單片機為核心處理器，通過對數據的計算處理、操控通信模塊進行信息傳輸等過程，實現各個傳感器的控制及精確的定位服務。系統通過心率血氧傳感器、溫度傳感器對老年人的生命體征進行監測，通過加速度傳感器監測老年人是否摔跤等。硬件監測部分將監測到的數據處理后通過4G通信模塊實時穩定上傳到云端，手環的軟件部分通過與云服務器建立連接將數據下載至阿里云平臺，并實時傳輸到移動設備端及Web網頁端。該過程能夠及時發現老年人健康安全問題，保障老年人的健康。充分體現了物聯網系統的三層結構：感知層、網絡層、應用層。

1.1.1 系統所實現的功能

1)監測老年人的體溫、心率、血氧三項生命體征信息。

2)監測老年人是否摔倒。

3)獲取老年人的位置信息。

4)將所有監測到的信息上傳到云端，并實現實時在線查看所有信息。

5)實現報警功能，其中分為系統的自動報警和使用者的主動報警。

6)數據記錄與統計，保存一段時間的生命體征信息數據并直觀展示。

系統手環設計總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統手環設計總體框架圖

1.1.2 關鍵技術

1)硬件端代碼編寫

此系統硬件端代碼使用C 語言在Keil uvision5中進行編寫及運行，不同傳感器的驅動方式大不相同，本系統通過對I2C總線的操控，對芯片中斷的判斷、定時器和看門狗的使用、串口DMA 特殊處理等操作確保各傳感器有條不紊地工作，防止數據混亂。

2)體溫模塊

監測體溫需要精準度高，變化靈敏的傳感器采集數據。因系統設計需要設備在37攝氏度上下一定范圍內數據非常準確，所以本系統選擇高靈敏、監測簡單、體積小巧的DS18B20，其阻抗與溫度有著相對應的關系，系統識別出阻抗的大小之后，將其轉換為電平信號，再通過A/D 轉換，由STM32核心處理器計算出所測體溫的大小[3]。此傳感器只需要一個控制線就可以操作并讀取數據，功耗極低，以上特點保證了系統的低功耗，高性能。

3)心率血氧模塊

本系統使用MAX301集成式心率血氧傳感器，模塊集成度高，方便使用。傳感器上的光源會發出光，光線被待測物體反射至光敏元件后，經過STM32核心處理器計算后可得到精準的脈搏信號。同時人體血液在攜帶不同程度氧氣的情況下對紅綠光的吸收率不同，MAX301 通過再監測自身發出光線的吸收率來獲取數據。MAX301經過長期的優化已經實現了小體積內的高度集成，這使得它在擁有高性能的同時具有低功耗的特性。

4)加速度模塊

為實現摔倒監測本系統使用了ADXL345 三軸加速度傳感器，其加速度變換會改變內部電壓電阻以及電容的變化情況。其監測到的信號直接以數字形式傳輸到STM32核心處理器，不需要使用A/D模塊進行轉換。使用者在行走時，身體會有上下起伏，微控制可讀取該傳感器的三組模擬量，通過算法分析處理數據，將數據合成為運動信息[4]。ADXL345 數字式傳感器具有精度高、穩定、反應快等優點，故此傳感器被各個領域廣泛使用，非常適合智能手環這樣的穿戴移動設備。

5)定位模塊

為實現穩定的定位，本系統選取可以接收GPS和北斗導航衛星信號的模塊，此模塊通過串口與核心處理器建立通信。此外本系統使用高性能天線，保證定位模塊可以穩定工作。

6)顯示模塊

智能手環的系統必不可少的是顯示信息，此系統中使用TFT 屏幕進行基礎信息顯示，其屏幕由STM32F103核心處理器直接驅動，各個傳感器監測到的基礎生命體征數據、地理位置、是否摔倒等信息可以快速展示在屏幕上。

7)報警功能

手環表盤內部設置震動裝置，由于手環自帶的GPS 芯片，可以實現定位功能，這樣就可以在老年人遭遇意外的撞擊或者摔倒時，通過體征監測系統的監測和定位系統的定位功能，確定老年人所處的位置，并且第一時間向子女的移動設備發送警報。當老年人需要緊急聯系家人時，也可以長時間按住三秒手環電源鍵，第一時間對子女的移動設備發出信號。當監測到智能手環上有按鍵動作時，監測所述按鍵動作，判斷所述按鍵動作是否屬于長時間按住操作，若是，則令智能手環及子女的移動設備進入警報狀態且實時獲得老年人的狀態信息；若否，則令智能手環繼續執行正常工作模式。監測報警系統可以對老年人摔倒進行識別，當發現異常情況時，以最快的方式進行警報，聯系親友。

1.2 軟件部分

1.2.1 App系統功能

本系統App 主要包括5大功能模塊，分別為注冊登錄、暖心推薦、孝心互動、健康記錄、安全維護等。暖心推薦模塊包括推送文章、科普視頻等。孝心互動模塊包括語音聊天、以兒女聲音制成的語音包等。健康記錄模塊包括實時心率、體溫、血氧數據顯示等。安全維護模塊包括實時定位、報警系統等。本系統總體功能如圖2所示。

圖2 系統App總體功能圖

1)注冊登錄

軟件打開后，未注冊用戶先進行注冊登錄。然后通過GSM 和GPRS 網絡檢查是否注冊成功,成功后即可建立手環與App 的連接[5]。已注冊用戶直接用賬號密碼登錄。

2)暖心推薦

首頁每天推送不同的文章及視頻，不僅會根據老年人的興趣愛好確定推送內容，如戲曲、小品等。還會每天推送不同的科普常識內容，既有日常生活中可以用到的生活小妙招，又有人們容易忽略的健康小常識，營造一個綠色健康的App運營環境。

3)孝心互動

在App 聊天時，老年人可以發送語音消息，與子女進行實時互動，解決有些老年人不會使用智能手機但想和子女聊天的困境。該系統可以錄制兒女聲音語音包，作為日常生活提醒信息，如提醒老年人按時吃藥、鍛煉等，方便老年人使用。

4)健康記錄

系統通過手環的核心處理器設備實時監測老年人生命體征及安全情況，進一步把監測到的數據傳到云端，再實時從云端把數據取出通過App頁面及Web頁面顯示。系統實時將記錄到的心率、血氧、體溫三項重要指標與預設的正常值進行對比判斷，若數值情況異常，則會在子女移動終端和Web 頁面同時發出警報。

5)安全維護

該系統具有實時定位功能及報警系統。報警模式分為兩種，一種是摔倒監測，即在監測到老年人摔倒時，在相關頁面發出醒目警報。另一種是一鍵報警，即在老年人不舒服或遇到危險時，主動按下相應按鈕，使各界面實時顯示報警信號。另外，在危機解除后，可通過一鍵復位功能將警報解除。

1.2.2 關鍵技術

1)開發平臺

本系統采用APICloud 平臺進行環境搭建以及產品開發。這種混合型App開發平臺具有前端開發、后端開發、產品系統、要求分析、定制專屬服務等功能[6]。使用HTML5 技術開發Android、iOS 原生應用，降低了很多時間和人工成本，縮減開發過程中繁雜重復性工作[7]。其功能強大，支持硬件加速，原生UI 模塊功能和Html代碼完全融合，跟隨頁面滾動，模塊很多，調用也極其方便。

2)語音聊天設置

本系統語音聊天部分采用了TTS技術，并且借助于科大訊飛提供的語音庫和微軟的Microsoft Speech SDK 5.1 語音開發包作為開發工具[8]。本語音聊天系統可以將外部輸入的語音信息和手環等設備產生的文字信息轉換為標準的漢語。

3)語音包設置

科大訊飛提供了比較成熟的語音技術，其所具有的語音識別、語音合成，語音+等免費服務都非常適合本系統的研究與設計[9]。經過多次實踐與比較，本系統決定使用訊飛語音提供的Software Develop Kit 來進行語音包的設置。

1.3 App與手環連接部分

1.3.1 所完成的功能

STM32F103 核心處理器將處理后的數據通過4G模塊和MQTT 協議與阿里云建立連接，再從云端向移動設施傳輸，在相應Web網頁和App均可看到實時數據情況。

1.3.2 關鍵技術

1)通信模塊

此系統硬件端的最重要任務之一是保證穩定實時的數據通信。因為4G覆蓋廣，且4G傳輸速度高延時低，選取4G通信可以保證通信無死角，通信實時性高。本系統在系統中使用STM32F103 的串口2 和4G模塊進行數據通信，STM32F103核心處理器將處理后的數據通過4G模塊上傳到云端。因為數據傳輸需要實時進行，且遠程數據通信功耗大，在系統設計時需要配合軟件代碼科學工作。當今我國4G 發展已經非常成熟，在越來越多的物聯網應用中使用4G 模塊，模塊聯網只需要插入普通SIM 卡，使用方便。相比NB 模塊，4G 模塊具有信號普及范圍廣、速度快、延時低、穩定性高一系列優點。

2)云服務器

本系統選取阿里云平臺作為服務器。STM32 核心處理器計算處理各路傳感器收集到的數據后，通過4G模塊使用MQTT協議與阿里云建立連接，設備三元組與自己私有云端進行識別并建立準確連接，將硬件端數據代碼與阿里云端進行統一，最終通過字符串重組將硬件端數據轉換為json 格式的數據發送給阿里云，阿里云通過解析json格式數據將不同傳感器數據分離并對號入座，至此完成數據從硬件設備端到云端的傳輸，再通過阿里云傳輸到移動設備終端，阿里云平臺效果展示如圖3所示。

圖3 阿里云平臺頁面展示

3)終端數據顯示

終端數據顯示采用Web和App兩種方案，保證用戶實時查看。顯示界面提供了歷史數據和實時數據，通過統計圖進行直觀顯示。顯示的數據直接從阿里云獲取，網頁和App 亦通過MQTT 協議和阿里云建立連接。網頁端與App端頁面展示如圖4、圖5所示。

圖4 Web 網頁展示

圖5 App頁面展示

2 結論

綜上所述，本系統設計了一款針對呵護老年人身心健康的智慧語音健康養老系統。硬件部分通過各類傳感器對老年人的心率、血氧、體溫等生命體征及安全情況進行實時監測，并將這些數據通過4G 模塊及云服務器同步到移動設備端和Web網頁端，當老年人異常時設置警報。軟件部分則通過APICloud平臺、HTML5 技術、TTS 技術以及Microsoft Speech SDK 5.1語音開發包等開發工具設置了很多拓展性功能，通過互聯網為老年人提供線上養老服務，提升智慧養老水平。相對市場上現有智慧養老類產品而言，該系統的設計使用更便捷、功能更齊全，非常適合運用于老年人長期的身心健康護理，在使用過程中會產生很大的成效。另外，受時間和團隊經驗的限制，研究與設計還有一些不足之處，下一步筆者將完善系統功能、美化系統外觀、提升客戶滿意度等。希望可以通過此系統，促進養老服務高質量發展，提高養老服務的水平，從而有助于保障老年人身心健康。