社區獨居老人智能監控系統的手環設計

何穎 黃艷 王騰 都柯欣 張權順

摘要：隨著世界人口老齡化問題日益嚴重，針對獨居老人的安全問題，本課題針對社區數據集成控制系統中的手環進行設計，該手環將老人的監測系統與智能家居相結合，通過云平臺將數據統一送到社區終端，目的是讓老人在遇到突發狀況時能及時、有效的得到援助。

關鍵詞：獨居老人;智能監控;大數據;手環設計

中圖分類號：TP368.33 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）10-0163-02

隨著社會的不斷發展，人口老齡化增長的趨勢日益明顯，出現在空巢老人中的問題也日益突出，“關愛空巢”老人成為人們越來越關注的話題。老年人的行動能力、記憶能力、思考能力以及學習能力會逐漸衰弱，于是就出現了很多問題：上廁所不小心摔倒，離家忘記關門，做飯忘記關火，生病忘記吃藥，洗手忘記關水……這讓老人難以適應現代社會。截至2017年我國城市老人“空巢”家庭的比例已達49.7%，大中城市的老年人“空巢”家庭比例更高，達到56.1%。對于空巢老人而言，他們非常需要家人的陪伴，但社會的現狀不能滿足。如果空巢老人自己很難克服生活中的不便，那么在遇到突發狀況時，他們毫無招架之力[1-4]。在這個很現實的問題驅使下，本文針對社區數據集成監控系統中的手環進行了設計，該利用智能手環與智能家居系統相結合，以社區數據處理平臺為終端，全程監護空巢老人的生活狀態。

1 智能監控系統設計總體思路

本套智能監控系統是針對當下老人而設計的。為了方便老人的使用，我們以手環作為媒介，操作起來簡單便捷。本系統以自動化為主，采用互聯網大數據與智能家居相結合的方式，由室內各個部分安裝的傳感器采集信息，通過藍牙設備將手環與傳感器相連。手環把收集到的信息統一發送到社區大數據平臺，由平臺對信息進行處理，如有異常情況會自動報警并提供精確位置，并在第一時間通知子女。

2 手環設計

本論文著重介紹手環部分設計，系統結構框圖如圖1所示。手環設計主要包括主控芯片、電源模塊、定位、手環傳感器以及報警系統。其中，手環傳感器又包括心律傳感器、加速度傳感器以及壓力傳感器[5，6]。

2.1 芯片設計

該手環采用CC2541主控芯片作為信息處理核心，如圖2所示。該芯片性能強，耗能低，穩定性好，并且體積較小，同時具備了較高的傳輸速率和出色的接收靈敏度，自帶藍牙功能可以與室內檢測設備以及調控終端連接。能夠快速的實現與社區平臺的數據傳輸;并且它有40個串口能夠連接很多傳感器和其它外界設備。在手環設計中，CC2541主控芯片主要用來處理數據，產生控制指令[7，8]。

2.2 電源模塊設計

該手環的電池采用BQ2423電源管理模塊，主要應用于空間受限的地方且充電速度快，具有動態電源路徑管理 （DPPM） 功能，在為系統供電的同時能獨立地為電池充電，還具有過壓保護的作用，可編程預充電和快速充電定時器。因此子女可以自主設置充電時間，當到達充電的預定時間時，手環會產生振動，提醒老人及時充電，當充電器與手環連接時，振動消除。從而不會因為手環沒電而影響老人的正常使用。

2.3 手環定位設計

該手環采用中國自主研發的北斗衛星導航系統，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，具有超強定位功能的同時還具有定位通信能力，能夠準確無誤的發出位置消息，從而能夠幫助急救中心精確定位。

2.4 手環傳感器設計

手環傳感器由心率傳感器、加速度傳感器以及壓力傳感器組成。（1）心率傳感器。為了能夠實現實時監測老人的脈搏血氧和心率，該系統采用心率傳感器MAX30102，MAX30102是一個集成了脈搏血氧和心率檢測功能的生物傳感器模塊， 其本身集成了一個紅光LED和一個紅外光發射管、光電檢測器、光器件，以及帶環境光抑制的低噪聲電子電路。心率傳感器隨時監測老人的身體指數，當老人的身體指數發生異常時，手環會將信息發送到社區平臺和子女手機上，社區會在第一時間派專業人員察看老人情況。（2）加速度傳感器。為了能夠實時監測老人有沒有摔倒，手環采用加速度傳感器MPU-6050檢測老人的運動狀態。 其中陀螺儀和加速度計分別用了三個16位的ADC將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字量，MPU-6050免除了組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，減少了大量封裝空間。模塊通過檢測6個軸方向的加速度值，判斷老人運動狀態。一旦老人摔倒并在一定時間內無法站起的情況，給社區平臺和子女發送信息，及時給老人幫助。（3）壓力傳感器。壓力傳感器我們選用TE Connectivity（TE）設計和制造的傳感元件，它運用了硅壓阻微機械加工系統（MEMS）技術和硅應變片（Microfused、Krystal Bond）技術使得測壓更準確、精度更高。壓力傳感器主要應用在手環的復位鍵，老人通過觸摸手環，解除警報聲[9-11]。

2.5 報警系統設計

手環中加入了的報警裝置，不僅具有及時性，還更人性化。當手環一旦監測到老人身體出現異樣或者所居住的環境產生問題就會及時報警，并能根據系統分析，判斷出情況的嚴重與否，如果超出安全值，手環將自動向院方報警，如果接近警戒值，手環將把警報發送給社區和子女。報警裝置由手環自身的蜂鳴與振動組成，通過終端設備將信息和定位發送到親屬聯系設備的同時向社區平臺發送警報，社區平臺發現異常，會在第一時間派專人前往，為老人提供援助。

3 藍牙連接設計

藍牙設備主要作用是把手環采集到的數據傳輸到與之配對的手機以及服務器，當采集到的有關老人生命體征的參數異常時，比如，身體姿態異常、心律過快等。手環會通過藍牙發送給老人家人的手機以及社區平臺，以便達到預警的目的。

藍牙連接過程大致分為三步：尋找設備、連接以及通信。首先按照一定的周期廣播數據包，以及指定好的協議，看廣播數據里有沒有協議約定的數據，有的話則說明找到了目標設備。Android設備通過系統提供的API開始接受廣播數據，然后在callback里獲取廣播數據。接下來進行連接過程，可被連接的設備（Advertiser），按照一定的周期廣播ADV_IND或者ADV_DIRECT_IND包，主動連接的設備（Initiator），在收到廣播包之后，會回應一個CONNECT_REQ請求，該請求攜帶了可決定后續“通信時序”的參數，Initiator在發出CONNECT_REQ數據包之后，自動轉變為Connection狀態，成為Master角色;同樣，Advertiser在收到CONNECT_REQ請求之后，也自動轉變為Connection狀態，成為Slave角色。此后，雙方按照CONNECT_REQ參數所給出的約定，定時到切換到某一個Physical Channel上，按照Master->Slave然后Slave->Master的順序，收發數據，直至連接斷開。最后，主機從機通信均是通過characteristic進行，可以將其理解為一個標簽，通過該標簽可以讀取或寫入相關信息[12]。

4 結語

如今伴隨著智能手環的迅速發展，不少問題和局限性也顯現了出來，比如屏幕顯示不清、續航時間不長、功能覆蓋不全面和測量數據不準確等情況，面向人群忽略了老年人的需求。本套社區獨居老人智能監控系統的手環設計，就是專為老人設計，在現有水平的基礎上，進行優化使得手環便于操作。將手環與智能家居相連，更好的實現為老人安全保駕護航的目的。手環的設計著重點在精確化、及時化和人性化，手環防水、耐摔、輕便，并具有超強續航能力。手環采用中國自主研發的北斗定位系統，可以使手環具有超強的定位功能。手環實時監控心率、血壓、血氧的數值變化以及自動檢測計算數據是否異常并能夠及時提醒報警。

參考文獻

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