基于人工智能的養(yǎng)老安全系統(tǒng)的搭建研究

摘要：隨著人均壽命的提高和老齡化社會的到來，養(yǎng)老問題愈加受到人們的關(guān)注。在老年人日益增多的養(yǎng)老院、家庭中，老年人的安全問題成為人們持續(xù)關(guān)注的重點(diǎn)之一，對此提出了基于人工智能的養(yǎng)老安全系統(tǒng)的搭建方法。以智能手環(huán)為載體實(shí)現(xiàn)對老年人人體信息和環(huán)境信息檢測，采用云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)對采集到的信息進(jìn)行分析和處理，通過上位機(jī)模塊向老人親屬及相關(guān)機(jī)構(gòu)發(fā)出報警，實(shí)現(xiàn)快速救援。

關(guān)鍵詞：人工智能"數(shù)據(jù)采集"安全系統(tǒng)"養(yǎng)老安全

Construction"of"Pension"Security"System"Based"on"Artificial"Intelligence

HAO"Bo1"YU"Jialu2"HU"Hanyu2"WANG"Ruigang2"TONG"Rui2"JIN"Fang2*

1.School"of"Equipment"Engineering，"Shenyang"Ligong"University，"Shenyang，"Liaoning"Province，"110158"China;2.School"ofnbsp;Automation"and"Electrical"Engineering，"Shenyang"Ligong"University，"Shenyang，"Liaoning"Province，"110158"China

Abstract："With"the"increase"in"average"life"expectancy"and"the"arrival"of"an"aging"society，"the"problem"of"elderly"care"is"increasingly"concerning"to"people."In"the"nursing"homes"and"families"with"an"increasing"number"of"elderly"individuals，"the"safety"of"the"elderly"has"become"one"of"the"focuses"of"people's"continuous"attention."Therefore"this"paper"proposes"a"construction"method"for"a"pension"security"system"based"on"artificial"intelligence."The"smart"bracelet"is"used""as"the"carrier"to"detect"the"human"body"information"and"environmental"information"of"the"elderly."Cloud"computing"and"big"data"technology"are"used"to"analyze"and"process"the"collected"information，"and"the"upper"computer"module"sends"alarms"to"the"relatives"of"the"elderly"and"related"institutions"to"achieve"rapid"rescue.

Key"Words："Artificial"intelligence;"Pension;"Security"system;"Pension"security

據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的第七次全國人口普查公報（第五號）顯示，60歲及以上人口為26"402萬人，占全國總?cè)丝诘?8.70%，其中65歲及以上人口占13.5%。與2010年相比較，60歲及以上人口所占比重上升了5.44%，65歲及以上人口所占比重上升了4.63%[1]。

我國的人口老齡化程度正在不斷加劇，老年化形勢日益嚴(yán)峻，這導(dǎo)致社會養(yǎng)老問題逐漸凸顯出來。通過人工智能技術(shù)，智能化養(yǎng)老緊急呼叫手環(huán)可以將老年人的身體狀況信息、位置信息等數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸給緊急救援人員，實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)和救援，提高老年人的安全保障。國際上已經(jīng)有個別企業(yè)初步開發(fā)出了具有相應(yīng)功能的智能手環(huán)，但是還沒有形成規(guī)模化的市場應(yīng)用，而國內(nèi)的相關(guān)技術(shù)還處于研究和探索階段，需要在技術(shù)開發(fā)、數(shù)據(jù)處理、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)一步完善和提升。現(xiàn)有的智慧養(yǎng)老模式存在以下問題：（1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)；（2）成本難以控制；（3）使用難度較高，不方便老年人使用[2]。因此，基于人工智能的養(yǎng)老安全報警系統(tǒng)的構(gòu)建具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價值。

本文中養(yǎng)老安全系統(tǒng)的搭建主要分為兩部分：一是通過智能手環(huán)接收人體與環(huán)境信息，對信息進(jìn)行分析處理；二是與手環(huán)相連的移動客戶端的開發(fā)。

1"系統(tǒng)框架

根據(jù)養(yǎng)老安全報警系統(tǒng)的功能要求，本系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計。系統(tǒng)總體框圖給出了各個模塊之間的關(guān)系，系統(tǒng)的總體設(shè)計思想如圖2所示。

系統(tǒng)主要通過手環(huán)檢測數(shù)據(jù)，通過藍(lán)牙與上位機(jī)進(jìn)行互聯(lián)。手環(huán)系統(tǒng)主要由信息采集模塊、定位模塊、主控制電路和藍(lán)牙通信模塊構(gòu)成。信息采集模塊主要由各類檢測傳感器組成，分為人體信息檢測和環(huán)境信息收集兩部分。其中，人體信息檢測包括血壓檢測、體溫檢測、心率血氧檢測、脈搏檢測和人體加速度檢測。環(huán)境信息的收集包括煙霧濃度檢測和燃?xì)庑孤稒z測。主控制器接收信息采集模塊的數(shù)據(jù)并進(jìn)行超限判斷，確認(rèn)超限后，通過單片機(jī)把相應(yīng)的超限的報警信號利用藍(lán)牙發(fā)送給相應(yīng)的上位機(jī)模塊。定位模塊同樣將實(shí)時數(shù)據(jù)傳到主控制器，上位機(jī)模塊可通過定位手環(huán)快速獲得老人的位置信息。上位機(jī)模塊根據(jù)報警的需要設(shè)置了4個部署方向，分別為警局、醫(yī)院、社區(qū)和手機(jī)端，其中手機(jī)端又分為家屬端和老人用戶端。

1.1"主控制器

系統(tǒng)采用的是意法半導(dǎo)體的STM32F4系列單片機(jī)，控制器作為系統(tǒng)的控制核心，結(jié)合多種傳感器、液晶顯示模塊、實(shí)時時鐘電路與報警模塊的組合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和處理[3]。主控制器對各數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的閾值判斷，將返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后分別通過通信模塊與顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和顯示，用戶通過配套的可視化上位機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)手環(huán)的實(shí)時定位與數(shù)據(jù)監(jiān)測。

1.2"信息采集模塊

信息采集模塊分為人體信息檢測和環(huán)境信息收集兩部分。

在人體信息檢測模塊中，人體加速度部分的信息采用MPU6050六軸傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單可靠，體積小，量輕，功耗低，便于維護(hù)，價格較低，可以測量整個空間的加速度，全面反應(yīng)運(yùn)動物體的空間位置，用以判斷老人的運(yùn)動狀態(tài)，監(jiān)測跌倒[4]。血壓檢測部分采用振動式血壓傳感器MCP3201，測量由心臟收縮和血液從心室噴射到血管時胸壁產(chǎn)生的機(jī)械振動[5]。傳感器通過檢測這些微小的振動來測量血壓值。體溫檢測部分通過程序軟件設(shè)計，采集LMT70的輸出數(shù)據(jù)作為溫度數(shù)據(jù)。心率血氧和脈搏檢測模塊通過MAX30102傳感器進(jìn)行多次檢測，增加數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

在環(huán)境檢測模塊中，煙霧檢測采用SD-01A傳感器，其主要用于檢測室內(nèi)的煙霧濃度，其使用原理是基于光電式煙霧傳感器，通過光強(qiáng)檢測濃度，從而實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報警功能。在燃?xì)庑孤z測模塊采用MG-811型燃?xì)馓綔y器，MG-811固體電解質(zhì)傳感器由固體電解質(zhì)、金電極、加熱器、鉑引線等組成。可以檢測多種易燃?xì)怏w，保障老人安全[6]。

1.3"藍(lán)牙通信模塊

藍(lán)牙通信模塊方案是基于BLE5.1主從藍(lán)牙-串口透傳模塊的技術(shù)，旨在提供快速、遠(yuǎn)距離、低功耗的通信能力。由于低成本、低功耗等突出優(yōu)勢，低功耗藍(lán)牙信標(biāo)已被廣泛地應(yīng)用，例如商場中通過信標(biāo)發(fā)送優(yōu)惠券、通過信標(biāo)使用指紋識別定位"BLE"設(shè)備、博物館指導(dǎo)、室內(nèi)定位與跟蹤、幫助盲人和殘疾人、管理智能家庭等[7]。此外，數(shù)據(jù)加密功能能夠確保傳輸過程中的隱私安全。通過整合醫(yī)院數(shù)據(jù)，實(shí)時傳輸老年人健康信息，同時實(shí)現(xiàn)社區(qū)通告發(fā)布和與外聯(lián)報警應(yīng)急系統(tǒng)的連接，從而構(gòu)建了一個全面的解決方案。

1.4"定位模塊（安全定位）

設(shè)計一個安全的定位模塊方案，包括室內(nèi)室外兼容的基站和Wi-Fi定位技術(shù)、準(zhǔn)確的信號校正和濾波算法、位置數(shù)據(jù)采集與處理、用戶友好的地圖界面與強(qiáng)化的位置信息安全授權(quán)機(jī)制。

1.5"上位機(jī)模塊

上位機(jī)模塊方案分為警局、醫(yī)院、社區(qū)、手機(jī)端。

1.5.1"警局上位機(jī)模塊

警局上位機(jī)模塊允許警局管理老年人報警設(shè)備，包括添加、修改、刪除等操作。設(shè)備設(shè)置事件發(fā)生閾值，達(dá)到次數(shù)觸發(fā)警報，提醒管理人員處理和響應(yīng)。展示老年人的報警信息，包括觸發(fā)時間、位置、事件類型等，方便管理人員快速了解并做出處理和調(diào)度。支持地圖定位，管理員可精確定位報警位置，快速響應(yīng)。通過終端設(shè)備定位模塊，精確定位老年人坐標(biāo)并在地圖上展示。管理員可設(shè)定安全區(qū)域參數(shù)，脫離區(qū)域觸發(fā)警報，提醒管理人員跟進(jìn)。

1.5.2"醫(yī)院上位機(jī)模塊

醫(yī)院上位機(jī)模塊設(shè)置信息收集功能，收集老人的心率、血壓、體溫等身體信息，便于醫(yī)護(hù)人員快速判斷健康狀況。同時，設(shè)置手環(huán)定位和報警裝置，及時知曉老人身體狀況和位置，以便救助老人。上位機(jī)操作設(shè)計應(yīng)實(shí)現(xiàn)細(xì)致、準(zhǔn)確分類信息和記錄，并保證高檢索速度與準(zhǔn)確度。

1.5.3"社區(qū)上位機(jī)模塊

社區(qū)上位機(jī)模塊設(shè)置定位和報警裝置，便于及時通知社區(qū)管理人員并救助老人。同時，設(shè)置業(yè)主信息收集和查詢裝置，以便老人能快速報告問題并將其匯報給報警模塊和醫(yī)院模塊，方便確認(rèn)身份和通知家屬。記錄老人進(jìn)出社區(qū)并根據(jù)身體狀況提前制定緊急預(yù)案。不同的突發(fā)狀況可以設(shè)定不同預(yù)案和典型情況。

1.5.4"手機(jī)上位機(jī)模塊

手機(jī)上位機(jī)模塊分為用戶端和家屬端兩種。手機(jī)用戶端與手環(huán)綁定并采用藍(lán)牙連接，能讓老人隨時查看自己的心率、血壓、體溫等身體信息，同時上傳到家屬端的數(shù)據(jù)云端。家屬端綁定用戶端，可讀取云端信息，實(shí)時了解老人的身體狀況。用戶端與家屬端整合定位模塊，方便家屬準(zhǔn)確掌握老人位置。老人可在用戶端上查看自己的位置來避免迷路，也可在用戶端上呼叫家屬端以獲取快速救助。

1.6"數(shù)據(jù)的處理與存儲

為了實(shí)現(xiàn)智能化養(yǎng)老緊急呼叫手環(huán)的數(shù)據(jù)處理和存儲，采用云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)。具體來說，就是通過將手環(huán)數(shù)據(jù)上傳到云端，將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理和分析，并將處理后的數(shù)據(jù)存儲在云端數(shù)據(jù)庫中。同時，系統(tǒng)還可以通過數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，挖掘出老年人的健康和生活習(xí)慣等信息，為老年人提供更加個性化的養(yǎng)老服務(wù)。

數(shù)據(jù)存儲與管理方面，服務(wù)器可以采用MongoDB數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和管理，人為選定的算法信息將保存到MongoDB數(shù)據(jù)庫，以便后續(xù)系統(tǒng)查詢展示[8]。同時，還搭載了一套數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，能夠?qū)夏耆说纳眢w指標(biāo)數(shù)據(jù)、緊急呼叫記錄、異常事件記錄等進(jìn)行管理和查詢。

2"系統(tǒng)的運(yùn)行模式

2.1"系統(tǒng)的日常運(yùn)行模式

在日常運(yùn)行中，手環(huán)會持續(xù)監(jiān)測老年人的身體狀況和環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)實(shí)時上傳到云端服務(wù)器。服務(wù)器會對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取出老年人的健康狀態(tài)和生活習(xí)慣等信息，并為老年人提供個性化的養(yǎng)老服務(wù)建議。同時，系統(tǒng)會定期向家屬推送老年人的身體狀況數(shù)據(jù)，讓家屬隨時了解老年人的生活情況。若老年人遇到緊急情況，可以通過手環(huán)上的緊急呼叫按鈕向社區(qū)管理人員或家屬發(fā)送求助信息，系統(tǒng)會立即啟動緊急救援流程，確保老年人得到及時的救助。

2.2"系統(tǒng)的緊急運(yùn)行模式

當(dāng)系統(tǒng)檢測到老年人身體異常或環(huán)境異常時，會立即觸發(fā)緊急報警功能，并向相關(guān)人員發(fā)送報警信息。同時，系統(tǒng)會啟動自動定位功能，精確定位老年人的位置，并將位置信息發(fā)送給相關(guān)人員。相關(guān)人員收到報警信息后，會立即啟動緊急救援流程，確保老年人得到及時的救助。在緊急救援過程中，系統(tǒng)會持續(xù)監(jiān)測老年人的身體狀況，并向相關(guān)人員提供最新的數(shù)據(jù)，以便他們做出正確的救援決策。

3"結(jié)語

本系統(tǒng)的搭建，旨在為老年人的養(yǎng)老安全提供有效保障，在照顧老年人生活習(xí)慣和學(xué)習(xí)能力的前提下精簡手環(huán)功能，強(qiáng)化手環(huán)的檢測分析功能和續(xù)航能力，盡可能做到有效檢測、快速分析、及時報警，從而滿足當(dāng)前社會趨于個性化、多樣化、多層次性的養(yǎng)老服務(wù)需求，在建設(shè)智慧社區(qū)中有著重大意義。

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