智能老人陪伴機器人系統設計

秦 芹,李 超,田海巖,史凱峰

(保定學院,河北 保定 071000)

0 引言

20世紀90年代以來,中國人口的老齡化進程加快,65歲及以上人群占全國總人口的比例逐年上升,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%。老年人口高齡化趨勢日益明顯,性別間的死亡差異,老齡女性成為老年人口中的絕大多數。隨著我國老年人口數量和比重的持續上升,養老問題日益突出,對于經常無人陪護的老人,除了生活上遇到的各種問題,長期不與人交流會促使老人的心靈孤單,造成各種心理問題,對健康影響頗深。本文研究的陪伴機器人能夠有效解決老年人的生活問題,功能包括:各采集模塊隨時檢測老人身體狀況,視頻監控隨時了解老人生活情況,語音模塊可以隨時和老人聊天互動,短信自動發送功能能提醒家屬關注老人的日常吃藥以及智能電話報警等。

1 系統原理及方法

1.1 系統設計架構

系統采用Arduino MEGA2560為主控芯片,機器人內置手腕心率脈搏傳感器、靈敏性光敏電阻、紅外測溫傳感器等硬件采集設備,通過有線傳輸將采集的參數傳到屏幕,通過WiFi模塊傳輸至家人手機端。其中,智能藥箱系統,通過檢測藥盒透明度反映藥品取出情況,將判斷結果傳至手機,幫助家人監督老人按時吃藥;機器人通過串口屏幕顯示,使用者通過觸控屏幕更改參數,方便家人根據老人情況更改設置,整體設計更加人性化[1]。

系統采集端的工作原理為傳感器采集數據輸出到顯示屏和手機端,一旦身體檢測數據出現異樣,通過手機端提示家屬帶老人做進一步的檢查。智能藥箱保證藥物的活性,及時提醒老人吃藥并將相關情況傳到手機端,隨時關注老人身體健康狀況。

1.2 系統功能簡介

(1)智能恒溫藥箱。定時提醒吃藥功能是利用光敏檢測模塊將檢測到的老人吃藥情況反映到手機端,根據設定時間,超時檢測不到光敏變化即打電話通知家人。

(2)自動跟隨。底層電機驅動由Arduino主板控制,實現自動跟隨與自主避障功能,時刻陪伴老人。

(3)屏幕顯示。自主觸屏播放視頻,豐富老人的精神世界;檢測老人的心率體溫并顯示在串口屏上,便于查看。

(4)監控。由攝像頭記錄設備所在范圍的實時狀況,并傳輸到控制端。

(5)語音控制照明。由語音采集模塊、語音前級處理模塊、語音訓練模塊、語音識別模塊、語音提示模塊和輸出控制模塊等組成。

1.3 系統創新特點

(1)突破了傳統陪護機器人功能的單一,最小成本下實現了人機交互,只需一臺機器實現精準陪護。

(2)相比于人工看護,機器人能夠實現自主跟隨、24小時監控、自動向家屬報警以及語音控制等各種功能,設計結構新穎,操作方便,老年人也可以直接操作,富有人性化。

(3)智能恒溫藥箱設計新穎,應用領域廣泛,將藥品保存融入智能陪護機器人,既適用于老人又適用于身體殘疾或慢性病患者,實現實時陪護與陪伴。

(4)采用觸碰式心率體溫測試傳感器,易于操作,適用于老人,大屏顯示的同時與OneNET云端服務平臺相連,既能儲存圖像、心率、溫度信息,又能進行數據統計分析,自動形成有關身體指標圖表,進而能更清晰地了解老人身體情況。

(5)連接家庭網絡,隨心播放音視頻。播放設備獨立供電,即使不能運動也依然可以播放視頻,設計更加人性化。

(6)自動充電裝置。當機器人電量不足20%時,自主循跡到充電器位置及時充電,保證電池的使用壽命,有效延長機器人的使用年限。

1.4 系統總體流程設計

具體工作流程如圖1所示,系統開機,數據初始化后屏幕進入可輸入狀態;輸入儲存藥品的名稱、數量、最佳溫度與吃藥時間并保存;聯網后綁定手機號開始使用;打開檢測部分,將手放入檢測口,大屏幕顯示體溫和心率,幾分鐘后手機接收到信息;語音系統開啟,可進行語音交互,說出指令,比如:“開燈”則機器人眼睛亮起,“播放視頻”則大屏幕視頻開始播放[2-5]。

圖1 裝置的總體流程

2 系統硬件設計

2.1 硬件模塊化功能設計

系統硬件各部分聯系緊密,相互配合,功能明確。核心模塊包括采集模塊、監控模塊、觸屏播放、語音交互、光敏檢測、自主跟隨6個部分[6]。

(1)采集模塊。由Arduino MEGA2560外接心率傳感器、體溫傳感器、語音傳感器、光敏傳感器、樹莓派視頻等信息采集設備,實現對老人身體參數、吃藥情況以及家中情況的實時采集,在老人發生危險時,及時聯系家人并報警。

(2)監控模塊。樹莓派自帶攝像頭監控家中動態,利用WiFi模塊將視頻傳至云端并發送至家人手機。

(3)觸屏播放。屏幕采取可觸控主板,手觸摸控制操作,簡單易懂,適合老人。

(4)語音交互。采用ASR-M09C語音模塊,輸入指令存儲在語音模塊中,實現智能語音交互,可以聊天、查天氣、提醒吃藥、控制開關燈等。

(5)光敏檢測。智能藥箱采用靈敏性光敏電阻模塊對環境光線的亮度監控老人吃藥情況,當環境亮度達到設定的閾值時,觸發單片機驅動短信模塊將信息傳至家人手機,如果超出預設時間,光敏檢測不到變化就打電話給家人。

(6)自主跟隨。當接收超聲波接到發送超聲波的數據后,接收超聲波上的LED燈快速閃爍,通過串口以50 Hz的頻率發出距離數據,決定轉彎朝向并實現自主跟隨。

2.2 硬件性能詳細設計

(1)自主跟隨。采用超聲波接收發送模塊(如圖2所示),實現底層的自動跟隨。該模塊工作電壓為5 V,工作方式為串口,串口頻率發送距離數據單位為mm,最遠接收距離大于3 m,最短接收距離小于4 cm。

圖2 發送接收信號超聲波模塊

(2)屏幕顯示。采用大彩醫用級M系列DC48270M043觸摸(如圖3所示),屏實現屏幕顯示、觸屏播放和人機交互。屏幕工作電壓為12 V,采用32位獨家定制處理器,性能優異,內部集成SDR顯存、音頻MP3解碼、JPEG圖片解碼等。

圖3 大彩醫用級M系列DC48270M043觸摸屏

(3)控制模塊。采用XY-WTH 1溫濕度控制器(如圖4所示),實現智能藥箱的保溫功能,測溫范圍-20 ℃~60 ℃,工作電壓6.0 V~ 30 V。當檢測溫度大于等于啟動溫度,繼電器導通,紅色指示燈亮,制冷設備開始工作;當檢測溫度小于啟動溫度,繼電器關閉,紅色指示燈滅,制冷設備停止工作。

圖4 XY-WTH 1溫濕度控制器

(4)通信模塊。采用GA6-B Mini GPRS短信模塊(如圖5所示),實現遠程打電話和發短信。該模塊為4頻GSM模塊,工作電壓5 V,內嵌TCP/IP協議,實現廣域覆蓋,支持85.6 Kbps的峰值傳輸速率,理論峰值傳輸可達100 Kbps多。

圖5 1GA6-B Mini GPRS短信模塊

(5)成本和電力消耗。由于裝置廣泛應用于智能家居領域,數據采集的地方越多,云端數據的統計作用越大,因此傳感器的硬件設計成本必須低。此外,由于各種傳感器的體積相對較小,多個傳感器模塊用于數據收集、傳輸和處理,需要的供電部分必須保證各功能模塊的正常持續工作,因此,需要充電模塊為裝置供電。

(6)信息傳輸模塊。信息傳輸模塊主要分為Nodemcu(8266)WiFi模塊(如圖6所示)和ESP32-CAM攝像頭開發板(如圖7所示)2部分。WiFi模塊主要負責將測量數據、環境信息傳輸到云平臺,用于存儲、統計、分析數據信息;攝像頭開發板主要用于人臉識別拍照,并將照片或實時視頻快速上傳到云端。

圖6 Nodemcu(8266)WiFi模塊

圖7 ESP32-CAM攝像頭開發板

(7)上位機云端。用OneNET云平臺作為上位機存儲、統計、分析數據信息,OneNET是由中國移動打造的PaaS物聯網開放平臺,幫助開發者輕松實現設備接入與連接,快速完成產品開發部署,為智能硬件、智能家居產品提供完善的物聯網解決方案。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件開發環境

系統采用開源電子原型平臺的軟件開發環境,其在一個平臺上編譯出的程序能在電子功能模塊中工作。開發環境主機為win10,安裝Arduino IDE開源編譯工具用于編譯在開發板中執行的程序,編譯出的可執行程序通過串口線下載到功能模塊中自動執行。Arduino使用的程序有固定的規范與流程,每個程序中只有一個Setup()和一個Loop()函數,Setup()函數中代碼在程序燒錄完畢后只執行一次,一般為初始化或全局變量描述等。當Setup()函數中代碼執行完畢后將循環Loop()函數內代碼。

3.2 信息采集功能軟件開發

心率體溫遵循內核模塊化編程思想以模塊方式實現,模塊啟動前將程序傳輸到模塊中,由程序驅動模塊自動化工作,通過連接云平臺服務器將數據傳輸到云端,實現數據的可視化查看。

應用程序檢測人體溫度時,調用ESP8266 OneNET程序中Loop()主函數實現,并在OLED顯示屏上顯示和語音播報,然后運行PostData函數連接WiFi,通過D8Function()函數將數據上傳到OneNET云端,以下是Loop()函數的具體實現。

4 系統模塊連接設計

系統采用Arduino MEGA2560為主控芯片,內置MAX30102手腕心率脈搏傳感器、靈敏性光敏電阻、GY-906紅外測溫傳感器、語音識別模塊、語音播放模塊、IOT-GA6-B短信模塊、樹莓派4B等硬件采集設備。設備部署完成后,當超聲波檢測到老人的行動啟動自主跟隨與避障,實時確保老人安全;檢測到老人摔倒自動打電話到家人手機端并報警。語音交互實時開啟,滿足老人需求。當老人將手放入測溫口時,通過傳感器采集數據,經云平臺傳入上位端,與數據庫數據對比,提示家人注意老人身體健康。

5 結語

系統選取了保定地區多家大中型養老院、小區等場所實地測試,相比一般智能陪護機器人,產品更加輕便,耗電更小,功能更全面,更安全有效地陪護老人群體。隨著物聯網、大數據的發展,人們都在努力打造智能家居和智慧生活,產品將會成為科技發展的重要基礎設施之一。未來,人們將更加重視生命健康與生活,尤其是在養老方面。智能物聯網將以前所未有的速度改變人們的生活,人機交互將會成為熱潮,本產品也將不斷改進,開發新技術,滿足市場的空缺。