基于Android 的智能老人助理系統設計

邢 雪，李 磊

中國人口老齡化問題日益嚴重，在當今生活節奏下，子女不能長時間陪伴老人已成為重大社會問題之一［1-2］.很多子女為方便同老人的溝通，都會給老人配備智能手機.雖然智能手機的功能日趨強大，但受到自身因素的影響，老年人在使用智能手機時仍存在一定的不便性，尤其是按鍵輸入方面.因此，面向老年人的生活需求，亟需一款手機APP，通過語音輸入的方式，借助互聯網和擁有智能傳感器的輔助硬件設備（智能小車），智能化地改善老年人生活的質量［3-4］.

近些年，隨著社會老齡化問題日漸加劇，許多研究已經側重于為老年人群服務.文獻［5］提出一種基于語音及手勢控制的智能助老助殘系統，系統的單片機底層通信采用NRF24L01 進行數據的收發，設計主體側重于語音及手勢識別.文獻［6］和文獻［7］提出針對老年人和有障礙人士的輔助設計.這些研究比較注重硬件的輔助能力，忽視了軟件的強大服務功能.因此，本研究以服務老齡人群為目的，基于Android 技術開發了智能老人助理系統.該系統的軟件部分為移動控制終端APP，安裝于智能手機.通過語音控制或者圖形化的操作界面使老人能夠直觀方便地操作APP，幫助老人實現事務備忘和提醒、查詢與獲取生活百科或媒體資訊、與他人通訊等需求.該系統硬件部分主要是智能硬件小車.該小車使用單片機作為核心處理芯片，受控于安裝在智能手機上的軟件，實現巡視房間、尋找物品、監控環境溫度、濕度和危險氣體等功能.

1 系統功能需求

系統根據老年人群的實際生活需求，并結合服務推薦策略［8］，輔助實現對老年人生活環境的狀態監控、常用物品的管理、事物備忘及提醒、通過語音交互方式提供娛樂服務等功能.

狀態監控實現手機應用對智能硬件小車的通訊連接，對智能硬件小車進行控制，以及監控和獲取小車的各種實時狀態，例如小車的連接狀態、房間的溫度狀態、濕度狀態，以及房屋中危險氣體狀態.在監控中發現危險氣體時，系統進行報警提示，防止老人的安全受到威脅.

物品管理功能主要幫助老人確定所需生活物品的位置.物品管理功能首先需要幫助老人將生活中物品放置的各個位置進行標記和存儲，利用小車加載的RFID 模塊和超高頻RFID 標簽對物品進行標記.當老人忘記某件物品放置的位置時，可以通過軟件下達對該物品進行查找的指令.智能小車收到查找指令后開始巡航并對房屋內物品進行掃描，掃描到指定物品的RFID 標記貼紙后，小車靠近并提示，以此實現系統對物品的管理和智能自動尋物的功能.

事務備忘提醒功能主要應對老人記憶力衰退導致的“忘事”狀態，對吃藥、看病、做飯、買菜等日常生活中的事情進行提醒.系統可以通過語音輸入方式進行提醒事件記錄，系統設定相應的時間將備忘的事務提醒給老人，方便老人的日常起居.

生活助理功能以語音交互方式，為老人的生活和娛樂提供相應的服務，功能上大致分為五類，包括生活輔助類、百科查詢類、媒體資訊類、新聞廣播類和娛樂音頻類，讓老人能夠和年輕人一樣享受網絡時代帶來的便利.

由于老人生活空間存在一定的復雜性，為了實現環境狀態的監控和常用物品的管理，智能硬件小車應配置紅外和超聲波傳感器，以及溫濕度等傳感器，能夠自主檢測障礙物并躲避.

2 系統設計

根據智能老人助理系統的功能需求、實際可行性需求和實用性需求，本系統將設計兩個主要部分，它們分別為移動控制終端APP和智能硬件小車終端節點.用戶通過Android手機上的軟件客戶端對本系統進行操作，客戶端所在Android 手機及硬件智能小車需要同時連接相同的局域網，即連接相同的無線路由器.客戶通過簡潔的圖形化界面和語音化操作來使用本系統的手機軟件.

智能老人助理系統中移動控制終端APP的功能需要依賴廣域互聯網，所以要對互聯網進行請求和連接.出于安全性的考慮，智能硬件小車以本地局域網方式運行.智能硬件小車不會連接和請求廣域互聯網，而是通過局域網與客戶端APP 進行通訊.局域網和廣域網兩種數據通訊互相隔離，保證了硬件的安全性.

系統實現主要分為移動控制終端APP 和智能硬件小車兩部分.整體功能結構如圖1 所示.

圖1 智能老人助理系統整體結構圖

3 系統詳細設計

3.1 硬件系統設計

硬件輔助系統采用基于單片機的智能避障小車對房間進行自動巡視.利用傳感器獲取房間中的各種數據信息（例如溫度、濕度、煙霧及可燃氣體狀態），以及房屋中的物品標簽搜索信息.通過Wi-Fi 模塊將房間實時的狀態信息，以及對智能小車的指令信息與客戶端APP 進行數據通訊，使用戶可以利用APP直觀方便地對房間物品進行管理和查找，并對房間中的狀態信息進行查看，在危險情況下向老人進行報警提示.單片機核心板選用STM32F103ZET6 最小系統板，該板是一種嵌入式微控制器的集成電路（IC），是ST 公司開發的STM32F1 系列之一［9］.

（1）電源供電系統及供電模塊LM2596S外圍電路.智能小車電源供電系統通過兩節3.7 V 電壓的18650 鋰電池串聯供電，通過電源開關控制通斷.電壓表測量電池電壓以保證電池電量充足，通過濾波電容和LM2596S 降壓模塊，將電壓降壓為5 V.整體的電源供電系統電路及部分外圍電路圖如圖2 所示，電源供電模塊部分及外圍電路的電路圖如圖3 所示.

（2）電機驅動芯片L293D 及外圍電路.智能小車由四個輪子組成，分別用四個直流電機進行驅動，每個輪子都可獨立進行轉速控制和轉動方向控制.電機驅動芯片選用兩片L293D 對四個電機進行控制.單片機相應的管腳與兩個電機驅動芯片的八個輸入引腳進行連接，對四個電機的正反轉進行控制.

圖2 電源供電系統電路圖

圖3 電源供電模塊電路圖

四個車輪轉動與單片機相應管腳對應的關系如表1 所示.電機驅動模塊L293D 及相應的外圍電路圖如圖4 和圖5 所示.

圖4 左側電機驅動模塊電路圖

圖5 右側電機驅動模塊電路圖

表1 車輪轉動與單片機管腳對應表

（3）智能小車搭配模塊設計.在智能小車上搭載JT.2880 超高頻RFID 模塊，實現利用RFID 模塊和RFID 標簽完成物品標記和尋找功能［10］.選用DHT11 溫濕度傳感器模塊獲取房間內的溫度和濕度.選用MQ-2 氣體傳感器模塊檢測房屋內煙霧和可燃氣體，為老人生活安全提供保障.選用ESP8266 Wi-Fi 模塊連接房屋Wi-Fi 局域網，實現與上位機APP 的通訊，接收上位機APP 下達的各類指令.

智能小車整體實物如圖6 所示，小車四個車輪分別由四個獨立的電機驅動，且可以獨立控制每個車輪的旋轉方向，由于四個輪子都是固定輪，所以智能小車的轉向方式采取履帶車轉向模式，利用小車兩側車輪不同的旋轉方向來控制小車的轉向，通過單片機管腳輸出相應的PWM 信號控制車輪的轉速.

圖6 智能小車整體實物圖

智能小車的車頭正中是一個舵機支撐起的超聲波測距模塊與RFID 模塊及天線，通過控制舵機的轉動，控制RFID 模塊與超聲波測距模塊的朝向，以探測指定角度的障礙物與RFID 標簽.智能小車的車頭左右兩側為紅外傳感器模塊，用來彌補車頭中間超聲波傳感器測量角度的不足.

智能小車中部為小車的電源、電機驅動和外部引腳擴展板，擴展板通過針腳插座與上方STM32F103ZET6 最小系統板進行連接并為其供電.小車中部居左部分為MQ-2 煙霧及危險氣體檢測模塊，居右部分為DHT11 溫濕度檢測模塊，最上方的ESP8266 Wi-Fi 模塊用來與局域網及上位機軟件進行連接.

智能小車后部為18650 電池盒，可以將兩節3.7 V 電壓的18650 鋰電池進行串聯，串聯后通過供電模塊LM2596S 及外圍電路為整個智能小車供電.為方便了解電池電量，與電池并聯一個數碼電壓表，通過數碼管實時顯示電池電壓.

3.2 軟件系統設計

軟件部分功能選用Android 應用技術實現［11-12］.移動控制終端APP 利用Wi-Fi 局域網與智能小車進行互聯，實現對智能硬件小車的控制，指揮其完成房屋巡視、物品管理與尋找、房屋環境（溫度、濕度、危險氣體）監控等功能.APP 通過語音控制與簡潔的圖形化操作界面讓老人能直觀方便地操作，幫助老人實現事務備忘和提醒，查詢與獲取生活百科與媒體資訊等需求.

（1）狀態監控模塊.在狀態監控模塊中，通過Wi-Fi 模塊，以及同一個局域網下的手機APP，完成手機同智能小車的連接，將小車的狀態信息反饋到APP 界面上.通過智能小車上的各種傳感器模塊，可以獲取房間內的溫度、濕度信息，以及房屋中是否存在危險氣體，防止老人因為煤氣、天然氣、煙霧等有害氣體而發生危險.狀態監控模塊如圖7 所示.

圖7 狀態監控模塊

（2）房間尋物模塊.物品管理及尋物功能中數據存儲目錄級別分為三級，第一級為房間，第二級為位置，第三級為具體物品.首先需要對老人所在房屋的具體房間信息進行添加，例如臥室、客廳、廚房等.對房間進行分類管理如圖8（a）所示.在房間管理選項卡中，點擊相應的房間，會進入相應房間的下一級目錄，即位置的管理.在使用前需要對老人所在房屋中的具體物品存放位置信息進行添加，例如各種柜子、箱子等.對物品位置進行分類管理如圖8（b）所示.

圖8 房間尋物模塊界面

在位置管理選項卡中，點擊相應的位置，會進入相應位置的下一級目錄，即具體的物品管理.在使用前對所在房屋中的具體物品信息進行添加.非重要物品可以直接輸入物品信息作為備忘錄使用，重要物品則需要將RFID 標簽粘貼于物品表面，點擊添加按鈕，在小車正常連接的情況下，即可以根據彈出提示驅動小車對標簽中的數據信息進行讀取，將物品與標簽進行綁定.尋物過程中即可利用智能小車對物品進行找尋，物品管理界面如圖8（c）所示.

（3）生活助理模塊.生活助理模塊接入了科大訊飛的開放平臺接口，利用其提供的接口實現語音識別功能，為老人的生活和娛樂提供相應的服務.本模塊主要實現事件提醒功能、廣播電臺功能、相聲小品功能、戲曲評書功能、健康知識功能、菜譜查詢功能、電話通信功能、天氣查詢功能、百科查詢功能、語音計算器查詢功能、萬年歷查詢功能和夢境解析功能，具體界面如圖9 所示.

圖9 生活助理界面

4 系統調試

4.1 狀態監控模塊調試

使手機與智能小車連接在同一Wi-Fi 局域網下，打開老人助手APP，通過菜單欄進入狀態監控模塊，手機端開啟連接模式等待智能小車連接.通過智能小車的電源開關開啟智能小車，小車鳴笛自檢.小車自動連接Wi-Fi成功后，會自動嘗試查找局域網內是否存在上位機建立的TCP Server.小車成功連接后，APP 自動獲取到小車的狀態，并在狀態監控界面中更新顯示，APP 成功顯示獲取到環境的溫度、濕度、危險氣體的狀態，完成本模塊調試功能.

4.2 房間尋物模塊調試

智能小車連接操作進行之后，小車會自動進入等待狀態，等待上位機APP 對其發送相應指令.此時通過APP 進入房間尋物模塊.在房間尋物界面有三級選項卡，在房間選項卡中通過對話框中用語音輸入的方式，填寫房間名稱和備注說明.在房間列表中成功添加相應的房間，添加房間功能測試成功.同理添加房間中位置和管理物品的設置.物品需要先標記再尋找，所以將RFID 標簽對準智能小車頭部的掃描天線，在APP 中確定掃描圖標按鈕，小車在讀取到前方的RFID 標簽時會將數據返回到APP 中，至此RFID 標記完成.將標簽貼在待管理和標記的物品上，完成物品標記.

在APP 物品選項卡中選擇尋找的物品，APP 中會顯示物品的名稱，以及建立物品標記時對物品的備注說明.若需要命令小車對物品進行尋找，則點擊對話框下方的尋找物品按鈕，此時界面上的小車狀態會變成“小車尋物中……”，小車收到指令后在房屋中進行自動避障行駛并尋找相應的物品.當小車找到物品后，蜂鳴器鳴笛提示已尋找成功，APP界面上提示物品已成功找到.

4.3 生活助理模塊調試

在生活助理界面中按照設計功能進行調試，對生活助理提出相應功能的問題及要求，測試反饋正確并顯示在界面上，完成生活助理模塊調試.

5 結語

本文設計了基于Android 的智能老人助理系統.通過本系統綜合利用Android、單片機、各類傳感器等技術，可以為老人監測房屋的環境，預警可能發生的煤氣泄漏等風險，解決因遺忘導致的尋物困難、忘記吃藥等生活困難，便利老人生活，讓老人能夠輕松地使用智能產品，享受互聯網帶來的便利，提高老人生活的安全指數和幸福感.