一種獨居老人家庭監護系統的設計

徐啟明，楊偉新

（西北民族大學，甘肅 蘭州 730030）

21世紀以來，我國的人口老齡化問題日益嚴重。根據國老齡委員會辦公室的數據顯示，在未來一段時間里，中國每年都會增加1 000萬左右的老年人，預計至21世紀中葉，老年人口比例將占全國人口的1/3左右。

1 獨居老人家庭監護系統功能

該獨居老人家庭監護系統可以測量家庭環境參數，如溫度、濕度、甲烷濃度等，還可以測量脈搏、心率、血壓、體溫等人體參數，并在上位機實時顯示，火災報警器、門窗報警器等的狀態也可以在上位機顯示出來。如果環境數據異常（如超標），老人身體參數異常（如出現心臟病、高血壓、低血糖、發高燒等癥狀），或者報警器有動作，則單片機通過SIM800模塊給用戶手機發手機短信，及時通知異常情況，以便用戶及時處理[1]。

樹莓派可以通過連接WiFi無線網絡或者通過TCP/IP協議有線傳輸，建立攝像頭與樹莓派間的通信，連接于同一網段（路由器）的計算機就可以登錄網站或者客戶端查看實時監控視頻。對于子女來說，就可以24 h全天候地遠程查看獨居老人的生活狀態。系統設計流程如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 傳感器模塊

（1）溫濕度傳感器。SHT30傳感器是一種新型的溫濕度測量傳感器，成本低廉，性能可靠，額定工作電壓為5 V，采用IIC協議采集信號，體積小，成本低，測量精度高。SHT30溫濕度傳感器4線接線，封裝形式多種多樣[2]。

（2）甲烷濃度傳感器。是一種特定的氣敏元件，當暴露在甲烷氣體的環境中時，其電導率隨甲烷濃度的變化而變化。該傳感器使用16位的AD轉換器，將模擬量轉換為數字量，轉換精度、靈敏度都較高。

（3）火焰傳感器。可以檢測火源，及時發現火災情況并報警。當改變火焰傳感器的電路阻值時，傳感器對火焰的靈敏度也會發生變化。在電路中有專門的閾值電路，當傳感器檢測值超過設定的閾值時，輸出電路接通，輸出高電平；當傳感器檢測值低于設定閾值時，輸出電路截斷，輸出低電平。通過輸出電平的高低，就可以判斷是否有火災的發生。

（4）門窗薄膜壓力傳感器。它是一種輕而薄、測量精度高的電阻式壓力傳感器。將施加在膜區上的壓力轉換成阻值的變化，從而獲得壓力信息。壓力越大，阻力越小，被允許應用于高達10 kg的場合，可用于檢測門、窗的薄膜壓力以及仿生機器人的地面感知。

（5）心率脈搏傳感器。脈搏血氧儀和心率監測生物傳感器共同組成心率脈搏傳感器，采用標準的I2C兼容通信接口，具有兩個電源：低壓電源和內部單獨的標準5 V電源。可以進行心率和血氧的采集，戴在手指、耳垂和手腕上，通過軟件控制模塊的開關，在休眠模式下電流為零，但電源保持隨時供電的狀態。

圖1 系統設計流程

（6）血壓測量傳感器。使用電容式血壓傳感器，利用氣壓轉換為電壓值實現測量。通過鼓風電機控制充氣袋，電磁閥門控制放氣。采用可充氣綁帶測量手臂血壓，從充氣到放氣完成高壓和低壓以及脈搏周跳的測量。采用6 V電源供電，安全、可靠，使用方便[3]。

2.2 短信通信模塊

短信通信模塊采用了工業級GSM/GPRS模塊，性能高，可以撥打電話、發送短信，擁有通用無線分組業務數據傳輸功能，支持透明傳輸模式和域名解析，并有雙音多頻解碼識別對方密鑰，電路設計上采用開關電源，用戶識別卡采用目前主流的微卡座，結構緊湊，小巧耐用。

2.3 串口觸摸屏

串口觸摸屏是一種可觸摸的顯示器，通過串行命令進行控制。將設備與底層功能封裝后，通過RS-232串口與用戶的微機處理器進行交互。用戶微機可以隨時向設備發送命令，通過串口進行各種操作；在頁面上的組件被觸摸或設備當前進入頁面的任何時候，通過串口通知微機操作員。

2.4 主控模塊

（1）STM32F103單片機，是ARM公司開發的成本低廉、性能較好、功耗較低的單片機系統，擁有M3的內核。監控系統通過STM32F103單片機維持的運轉和數據收發及處理。按照不同客戶的需求，STM32F103單片機又分為兩種：時鐘頻率為72 MHz的高性能產品、直接從Flash RAM中執行程序的產品。STM32系列產品性價比高，可操作性好。

（2）樹莓派，是一臺微型電腦，操作系統為Linux，支持很多驅動，不用手寫，有集成的驅動API，C，Python等。樹莓派只有信用卡大小，看其外表“嬌小”，內“芯”卻很強大，視頻、音頻等功能通通皆有，通過有線網絡通信協議或無線網絡通信協議，可以使攝像頭與樹莓派進行通信，實現實時采集視頻，在同一網段的用戶可以通過網頁或客戶端隨時查看實時視頻。

3 軟件設計

3.1 獨居老人家庭環境參數采集的設計

先通過各傳感器對家庭環境的溫度、濕度、甲烷濃度等進行模擬信號的采集，再通過STM32單片機的ADC通道將所采集的數據從模擬量轉換為數字量。同時，對采集的數字量進行數據分析和公式轉換，將所得的數字量轉化為相應的數值，不僅可以更直觀地查看數據，而且對軟件設計相應數據的閾值而言更加便捷。

3.2 報警器閾值信號采集的設計

各類報警器通過與STM32單片機進行數據通信，采集的數值正常情況下會在一定的數值范圍內上下波動，但波動范圍不大。通過軟件程序編寫，可以將波動數值范圍的最大值定為閾值，如果超過閾值，說明采集的環境數據超過正常值，存在異常，相應報警器將報警。

3.3 獨居老人身體參數采集的設計

數據采集和傳輸的過程中，各種人體參數傳感器通過串口或者IIC協議與STM32單片機進行通信，需要遵循相應的協議規定，將采集到的數據進行CPU處理、數值分析和公式計算，得到線性采集數據，并轉化為相應參量，從而獲得人體各項參數指標的直觀數值量。通過對人體參數檢測所得的數值進行進一步的處理，可以判斷老年人的身體健康狀態。

4 測試效果

獨居老人家庭防護監控系統包括：家庭環境數據采集處理、老人身體參數指標監測、視頻監控以及安防報警聯動。通過嵌入式系統采集家庭環境數據，可以實時了解市內的狀況，在各傳感器的安裝區域可以實現安全監測，預防監控各種非法入侵、燃氣泄漏、火災報警等。同時，心率脈搏、血壓等傳感器可以對老人的各項身體指標進行實時、有效的監測，當老人身體出現異常情況時，支持遠程給用戶手機發送短信。通過單片機和軟硬件的設計，可以實現報警聯動功能，面對獨居老人的各種突發事件，此系統可以遠程協助處理。

5 結語

該系統有很好的發展前景，其目標是實現老年人更高的生活質量和水平，尤其是對獨居老人等特殊群體，同時，對老年人的身體健康保護和對各種老年疾病的預防有極大的成效。該系統可以使用PC、平板或移動電話作為終端，來實現對老年人的遠程監控和保護報警，以確保監護人及時發覺異常情況，使獨居老人在最短時間內得到最有效的幫助和救護。