基于大數據技術的老人環境監測系統研究*

柳亞輸 李永波 杜振龍

泰州職業技術學院機電學院 江蘇 泰州 225300

引言

“2019年底，我國65周歲及以上人口已達17603萬人（約1.76億）”[1]。伴隨著醫療技術進步和交通系統的日漸完善，我國逐漸邁入老齡化社會，越來越多的老年人選擇居家養老。目前由于獨生子女家庭占比較大，加之社會節奏加快、工作壓力加大、很多居家老人絕大多數時間處于獨居狀態；這導致了他們獨居時的環境無法實時反饋給子女和醫護機構，無法保證老人獨居時的健康和安全。正是基于這個原因，我們設計基于大數據技術的老人環境監測系統，以監測老人獨居時的環境，從而保證老人的健康。

1 系統總體設計

此次設計采用Arduino控制板，Arduino是一款開源的硬件開發控制板，2005年在意大利面世[2]，利用傳感器采集影響獨居老人健康的溫度、濕度、光照、空氣中顆粒物濃度和心率等參數。Arduino 單片機的主要功能就是連接不同類型的傳感器來獲取外界環境的信息，然后根據獲取的信息向執行元件發出相應的指令，達到改變外部環境的目的[3]。

通過無線通信模塊將實時的環境參數上傳到物聯網平臺，可以實現遠程監控，同時可以利用物聯網平臺實現參數的存儲和分析利用，建立老人的專門的健康數據庫，有利于疾病的預防和健康狀態的動態實時監測。采用功能模塊設計，對于后續的維修和檢測提供了極大的便利。該系統的結構如圖1所示。

圖1 系統框架圖

2 系統核心元件選型

2.1 Arduino控制板

控制板Arduino是一款開源硬件平臺,核心設備是Atmega328的微控制器[4]，具有32KBFlash、1KBEEPROM、14路數據I/O口（其中6路可作為PWM輸出）和6路模擬輸入口,內部封裝了多種常用開發庫以及多種常用傳感器測量的庫函數[5]，選擇Arduino的UNO板可以直接使用，簡化了本系統的設計。

2.2 溫度/濕度傳感器

對于老年人而言，其居住的環境大多數住在較低的樓層，很多老人是居住在一樓甚至平房里。他們的居住空間相對較小，樓層低，很多網線，電源線接口都在他們居住的范圍

內，因此對溫度/濕度傳感器的抗干擾能力要求較高；根據以上要求選擇DHT11溫濕度傳感器模塊（如圖2所示）。該傳感器占用面積非常小，精度達到0.2，采用單總線數據傳輸方式，抗干擾性能強，常用于家庭溫度控制、工業測溫等方面，適合于小空間進行數字溫度檢測。該傳感器的濕度測量范圍，20%～90%RH（0～50℃溫度補償），溫度測量方位是0～50℃，響應時間＜5s。

圖2 DHT11溫濕度傳感器

圖3 GY302光照傳感器

2.3 光照傳感器和顆粒物傳感器

采用關照傳感器監測獨居老人的居住環境，從而根據其居住環境的光線變化提醒老人起床和睡眠。要求該傳感器接近人眼視覺靈敏度，從而更容易觀察，精度要求高，對環境光源變化敏感，綜合以上要求選擇GY302光照傳感器，其光照度范圍：0-65535勒克斯，采用數字輸出，省略復雜的計算，接近于視覺靈敏度的分光特性，對于常見家具環境的光亮度進行1勒克斯的高精度測定。

2.4 顆粒物傳感器和心率傳感器

大氣污染物種類繁多，目前我國環境保護部門監測大氣污染物時采用PM10這個指標。其定義是監測環境空氣中塵埃或飄塵的空氣，當量直徑為10μm的塵埃或飄塵在環境空氣中的濃度。目前天氣霧霾的最主要原因是PM2.5，也是影響人體健康的主要原因之一，其濃度越高，導致的呼吸疾病和心血管病的發病率也越高。對于獨居老人而言，這兩項疾病也是他們健康的最主要威脅，因此必須對獨居老人居住環境的PM2.5進行檢測。綜合考慮后，選擇ZH03B型PM2.5顆粒物傳感器，它是一個小型化激光粉塵傳感器模組，具有良好的一致性、準確性和穩定性，體積小，便于集成應用，檢測范圍是0.3-10微米，響應時間是1秒。

圖4 ZH03B顆粒物傳感器

圖5 MDL0025脈搏傳感器

直接精確測量人體的心率目前是無法實現的，脈搏和心率是正向相關的，目前普遍通過測量脈搏來間接測試心跳速率。本文選擇的5MDL0025脈搏傳感器，該傳感器可以戴在手指或者耳垂上，通過開源的App程序，實時顯示出人體的心率。

2.5 顯示模塊和報警模塊

顯示屏模塊，因為顯示的內容不多，所以選擇1.3寸的顯示屏模塊，4針支持I2C接口，顯示白光或者藍光，外形尺寸35.4*31.7*2.7mm，工作溫度-30～70℃。

報警模塊，采用Risym無源蜂鳴器模塊，低電平觸發，尺寸32*13mm，設置有固定螺栓孔，方便安裝。

3 程序設計及運行效果

本套裝置接通電源后，arduino控制芯片進行初始化設置，隨后各種傳感器初始化設置，該過程大約持續10秒左右，隨后顯示屏顯示當前信息，然后通過按鍵設置溫度、濕度、PM2.5濃度和心率的報警值，如圖6所示。隨后整個系統開始工作，各個傳感器收集環境和人體的參數值，同時通過無線模塊將信息發給手機和云平臺，云平臺會實時記錄各個參數，形成一個關于老人身體健康和居住環境的健康和環境監測數據庫。一旦某項參數超出設定值，就會觸發蜂鳴器報警，同時通過手機app和云平臺會將報警信息發送給子女、醫護人員、社區工作人員及急救中心尋求幫助和救護。

圖6 溫濕度結果

系統設計、組裝調試后，對系統的功能進行了測試，通過實驗可以看到顯示的溫度、濕度、PM2.5濃度和心率的監測結果，實現檢測表明該系統的響應時間在10秒以內，完全能夠滿足獨居老人日常環境監測和緊急情況下的自動救助需求。

4 結束語

本文以居家老人的環境為研究對象，通過物聯網云平臺、手機App和溫、濕度、顆粒物等多種傳感器共同構成一個監測獨居老人居住環境的監測系統，實現了監測參數實時傳送到云平臺和手機，能夠有效監測老人的居住環境；一旦出現緊急情況可以通過手機App和云平臺，向相關的社區和醫護機構及其子女，發送求助信息，從而確保老人的健康。