基于Arduino 的智能老人助理系統設計

周銀，王新峰

（吉首大學軟件學院，張家界427000）

0 引言

根據《中國老齡事業的發展》白皮書，中國人口年齡結構已經開始進入老齡化階段。人口老齡化問題已經逐漸變成中國乃至全球性的社會性問題。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%。同時，老年人口高齡化趨勢日益明顯。民政部部長李立國說，城鄉老人家庭中，空巢家庭超過50%，部分大中城市達70%。而養老機構床位占全國老年人口1.59%，所以還約有90%的老人需要家庭看護。

老人單獨在家時會遇到各類麻煩如：出門外帶鑰匙，不記得定時吃藥，不記得家中爐灶的火是否關閉，智能電器不會用，身體突發不適找不到人幫助、行動不便等。而現在老人普遍子女少，同時女子也沒有太多精力在家照看老人，這就迫切要求我們通過技術手段輔助老人生活,幫助老人解決衣食住行的困難，并且方便和外界通信及子女照看老人，因此提出建立一個智能老人助理系統。智能老人助理系統的建立可以大大提升老人生活質量，讓老人享受科技進步帶來的實惠。

1 系統功能描述

通過對老人生活遇到的主要問題進行分析，本系統要完成以下目標：讓行動不便的老人在少量移動的情況下，可以控制所有智能家電設備；可以讓老人及監護人實時了解居住環境，當有異常發生時，系統會報警讓老人及時撤離；當老人操作失誤或有突發情況時，遠程輔助功能可讓監護人遠程協助；當老人思念子女時也可通過簡單操作即可聯系到子女。以上目標可以進一步化分為三個模塊即：智能控制、環境監控、遠程輔助。

（1）智能控制：是指老人能通過語音或手機統一控制房間內的智能設置，如空調、電視、燈以及窗簾和門等，操作流程要簡單，界面要人性化。

（2）環境及健康監控：實時檢測房間內溫濕度，有毒氣體（煤氣），煙霧等環境信息，方便查看。當環境中出現異常時可報警，報警方式有聲音和燈光兩種。老人也可通過設備（心率檢測、脈搏檢測等）將健康情況上傳系統服務器方便監控護和醫療人員查看。

（3）遠程輔助：本系統全程聯網，當有突發情況時，老人的監護人可通過授權遠程控制房間內的智能設備，同時還可與老人實時聊天通信。

本系統的三個功能模塊（智能控制、環境監控、遠程輔助）整合在一起如圖1 所示。

圖1 系統功能結構圖

圖1 中無箭頭線代表數據和命令可以雙向發送，單箭頭的線代碼數據或命令從一個模塊到另一個模塊發送。數據指獲取的溫濕度、健康、圖像等數據信息，命令包含開、關、移動等控制指令。

從系統功能結構圖中可以看出，本系統分為：主控App、服務器、Web 端軟件功能部分，以及中央控制器和各子板的硬件平臺部分。下面就按軟件和硬件分開詳細講解各功能。

2 軟件功能

軟件由主控App、服務器和Web 端三塊組成。

2.1 主控App

手機是現在最好的控制器，可以集各種功能與一身，主控App 使用Android 開發，主要功能就是用來接受數據與發送命令，由于是給老人使用，所以操作界面要求特別簡單，一鍵式使用，界面如圖2 所示。

圖2 App操作界面圖

主控App 工作命令發送流程：App 發送指令-＞服務器-＞中央控制板（解析命令目的地）-＞子板。

主控App 數據接收流程：各子板收集數據-＞中央控制板-＞服務器-＞主控App 讀取顯示。

2.2 服務器

服務器是數據處理中心，用來將命令和數據發送到各模塊，保存數據、記錄日志等都由服務器完成。

由于各類設備采集的數據信息格式和命令格式各不相同，為了統一處理，定義相同的數據結構體和命令結構體。

數據的結構體如下：

typedef struct s_data

{

int data_type; //數據的類型

char data_src[100]; //數據的來源

char data_des[100]; //數據的接收方

void*buff; //數據指針

int size; //數據大小

time_t send_time; //數據發送時間

time_t recv_time; //數據接收時間

}DATA;

命令即指令結構體如下所示：

typedef struct s_order

{

int order_type; //命令的類型

char order_src[100]; //命令的發出方

char order_des[100]; //命令接收方

char value[100]; //命令值

time_t send_time; //命令發送時間

time_t recv_time; //命令接收時間

int is_run; //命令是否執行

}ORDER;

2.3 Web端

Web 端是提供給監護人使用的，通過Web 端授權后可遠程查看房間情況，并控制小車巡視。每個用戶都有獨立賬號，這樣可以讓類似養老中心的機構實用對多個地方監控。Web 端頁面布局如圖3 所示。

圖3 中功能有手機號綁定，數據圖表區、圖像區和指令操控區。Web 端頁面根據每套系統特有的機器碼進行登錄采用Highcharts 將所有環境數據可視化，各功能如下：

圖3 Web端頁面

（1）手機號綁定：當有異常發生時，會通過直接發送短信通知這個手機號。

（2）數據圖表區：把環境的數據（溫濕度、煤氣濃度、健康指標等）顯示在這里，還可以在這里設置閾值待數據超出閾值后即發送警報，警報即要在老人所在房間內發送，可通過聲音和燈光提醒，也要發送短信到監控人手機上。

（3）圖像區：小車拍攝的圖像顯示區，方便監控人查看房內情況。至于為什么不全房間放置攝像頭，這考慮到老人的隱私問題。同時這個小車能否上傳圖像，是需要經過老人授權的。

（4）指令操控區：發送各類命令，如屋內智能電器、小車移動等。

3 硬件平臺

從圖1 中可以看到，嵌入式相關內容有中央控制器和各子板，這里都選用Arduino 芯片，Arduino 是開源的硬件平臺，入手快開發簡單，擴展性好，Arduino UNO R3 板子結構如圖4 所示。

圖4 Arduino芯片結構

主控制器與子板間和服務器的通信是重點要解決的問題。主控制器與子板之間使用NRF24L01 芯片通信傳輸距離幾十到幾百米，它是由NORDIC 生產的工作在2.4GHz～2.5GHz 的ISM 頻段的單片無線收發器芯片。無線收發器包括：頻率發生器、增強型“Schock-Burst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器。輸出功率頻道選擇和協議的設置可以通過SPI 接口進行設置。幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無線數據傳送工作。

主控制器與服務器的連接使用ESP8266 Wi-Fi 連網，該芯片是一種無線轉串口的芯片，無線傳輸距離可達300 米，遠遠滿足本項目的室內傳輸要求。

子板的功能實現都較簡單，會用到紅外控制、馬達電機、溫濕度、有毒氣體、煙霧和心率、脈搏、體溫等傳感器，巡航小車可遠程控制也可按軌跡巡航。

小車模塊由Android+Arduino+H 橋+電機+輪胎+模具+HC-05 藍牙模塊組成，Android 與Arduino 通過藍牙聯通進而將小車的行進控制轉交至Android。Android 通過自身的4G 網絡與服務器進行信息交互，即轉移控制權至服務器，相應的Android 調用自身的攝像頭將實時畫面拍攝上傳至服務器完成監控功能。

4 結語

本項目的創新與特色有如下4 點：

（1）目前智能看護和智能家居相關的系統大多采用ZigBee 技術或ARM 體系，雖然這些系統功能強大，但開發過程較復雜，同時成本高。而本系統采用最近流行的Arduino 平臺，這是開源的平臺成本非常低，入手快。

（2）考慮到老人對智能設備的掌握程度不高，本系統采用雙輸入模式：語音和App。且App 應用只有一個圖形界面，每個功能都獨立設置操作。

（3）緊急呼救，老人單獨在家很容易突發意外如摔倒，老人可呼叫遠程報警，系統檢測到亦會自動報警。

（4）本系統提供云服務器接入接口，監護人通過授權后可遠程協助老人對智能設備進行控制，可時也可實時查看室內環境。