物聯網和超聲波傳感技術相融合的獨居老人監護系統研究

曹 晉，田宏偉，朱珊珊

（蘇州大學應用技術學院，江蘇蘇州 215300）

引言

2000-2018 年，老年人口占比從10.2%上升到17.9%，提升幅度是世界平均水平的2 倍多。而子女因為工作等因素與老人分隔兩地，更沒有條件和時間給予老人正常的看護。老人獨居常態化，頻發的“孤獨死”悲劇并不鮮見，養老問題關乎民生，刻不容緩。物聯網時代的到來，傳統養老模式得到了全面轉型。目前，針對獨居老人問題提出的解決方法大致可以分為三類：跌倒監測[1-3]；生命體征數據監測，如血壓、心率、睡眠時間和質量等[4-5]；環境監測, 如廚房中的一氧化碳氣體、溫濕度、火焰指數等[6]。尤其是針對老人跌倒的研究越來越受到學者的偏愛。米曉萍等人提出了一種物聯網框架下的人工智能獨居老年人自動看護方法[1]，針對獨居老人行為存在的較大突發性和隨機性問題，對攝像頭捕捉到的圖片引入混沌粒子群算法，對摔倒行為尋優識別，降低誤識別率。黃一明等人設計了一款基于語音交互與人體姿態識別技術的智能陪護系統[2]，一方面，利用語音交互，獲取新聞、天氣、音樂等信息，另一方面，利用混合高斯背景模型對采集到的視頻圖像中的目標提取，判斷老人是否摔倒。石棟等人集成MEMS 傳感器，引入支持向量機算法，將空間的加速度或角速度變化集合為矢量值從而判斷老人是否跌倒[3]。

多數跌倒檢測都需要借助攝像頭，而浴室是不適合安裝攝像頭但卻跌倒頻發的場所，攝像頭等畫面捕捉設備的存在，使老人生活毫無隱私。出于隱私性和安全性的考慮，提出一種物聯網和超聲波傳感技術相融合的獨居老人監護系統。

1 總體方案設計

監護系統整體結構見圖1，該系統分為感知層、網絡層、控制層和應用層。感知層主要通過超聲波流量傳感器監測獨居老人用水數據，并通過網絡層中的TCP/IP 通信協議傳輸至控制層，控制層中的NLECloud 平臺作為整個系統的大腦，對感知層的數據進行計算與存儲，分析計算的結果將會通過應用層的監控預警模塊發送給監護人，若發生異常，便會立即通知警衛處和老人親屬。

圖1 獨居老人監護系統整體結構

2 系統硬件設計

監護系統主要由數據采集裝置、打卡/求救裝置、數據存儲裝置和數據接收終端組成。系統原理圖見圖2。

圖2 獨居老人監護系統原理

2.1 超聲波流量計

本系統設計了一種基于MSP430F5438 單片機和TDC-GP22 高精度時間測量芯片的超聲波流量計，結合nFR24L01 射頻芯片進行無線傳輸，實現水量的采集、處理、傳輸與顯示。超聲波流量計硬件設計框圖見圖3。主控單元MSP430 采用SPI 方式與TDC-GP22進行通訊，通過按鍵中斷控制TDC-GP22 產生的脈沖個數，采用時差法計算流量，實現流量數據的存儲與顯示，最終的測量結果通過nFR24L01 無線射頻模塊發送至上位機。

圖3 超聲波流量計硬件設計框圖

2.2 nFR24L01 無線收發模塊

數據無線傳輸電路的核心元器件是nFR24L01 射頻芯片，該芯片是一款具有極低功耗模式的無線收發器芯片，其外圍元器件極少，大大降低了系統設計的復雜度。普遍應用于無線門禁、工業傳感器、無線數據傳輸系統中[7]。nFR24L01 無線收發模塊與主控單元通過SPI 進行雙向通信，nFR24L01 引腳與功能說明如下：

CE——與PWR_UP 和PRIM_RX 兩個信號共同組合為不同的高低電平組合，使nRF24L01 分別處于發射模式、接收模式、待機模式以及掉電模式。PWR_UP=1，PRIM_RX=0，CE=1 為 發 送 模 式 ，PWR_UP=1，PRIM_RX=1，CE=1 為接收模式；

CSN——SPI 使能信號；

SCK——SPI 時鐘信號；

MOSI——SPI 數據主出從入；

MISO——SPI 數據主入從出；

IRQ——中斷標志位。

3 系統軟件設計

3.1 流量測量

超聲波流量計的測量部分是該設計的核心。流量測量軟件設計流程圖見圖4。首先對硬件進行初始化，包括UCS 晶振、顯示設備LCD、存儲設備Flash、按鍵和無線射頻設備nFR24L01，接著設置TDC-GP22的寄存器及初始化參數，在測試循環中，需要設置低功耗模式，判斷按鍵中斷標志位，流量數據處理，測試數據最終顯示在LCD。

圖4 流量測量軟件設計流程

3.2 nFR24L01 無線接收/發送

nFR24L01 無線模塊分為發送與接收兩部分。當需要發送數據時，首先將引腳CE 置為低電平，使nFR24L01 進入待機模式，寫入接收地址和有效地址，當PRIM_UP 和CE 引腳為高電平，PRIM_RX為低電平時，發送數據，數據發送完成后，立即進入接收模式，若在設置時間內收到應答信號，則數據發送成功，否則，將再次重發數據，若依然發送超時，則進入中斷處理。當需要接收數據時，首先將引腳CE 置為低電平，使nFR24L01 進入待機模式，當PRIM_UP、PRIM_RX 和CE 引腳均為高電平時，接收數據，檢測空中信號，若接收到有效數據包，發送確認信號，讀出數據。上位機通過nFR24L01 接收流量計采集的數據，數據將傳輸至云端進行再次處理。

4 系統測試與分析

為了驗證超聲波流量計的精確度，對系統進行了測試。重復性誤差和相對示值誤差是檢測流量計性能的重要指標。重復性誤差表明了測試值的分散程度，可以表示為[8]

式中：Ei表示流量計第i 檢定點的相對示值誤差；n 表示第i 檢定點的檢定次數；qij表示第i 檢定點第j 次的實測流量值；qs表示第i 檢定點的標準流量值，最終流量計的相對誤差示值誤差取Ei的最大值，即

下面選取管段公稱直徑為20 mm 的管道進行測試，選取的檢測流量點分別為：0.2 m3/h、0.5 m3/h、1 m3/h，1.25 m3/h 和1.5 m3/h，每個檢定點測三組數據，計算重復性誤差和相對示值誤差。實驗結果和測試結果見表1。

表1 不同檢定點的測量結果

由表1 可知，該流量計的示值誤差為±0.283，重復性誤差最大值為0.193，達到了1.0級表的等級要求。因此，該流量計可以用于普通管道的流量測量。

5 結論

本研究設計了一種物聯網和超聲波傳感技術相融合的針對獨居老人的監護系統裝置，該系統主要由超聲波流量傳感器、 打卡 / 求救裝置和NLECloud 物聯網開放平臺構成。通過對用水量的實時監測判斷異常用水情況，自動發出異常信號。通過實驗評估了系統的正確性和有效性。實驗結果證明，監護人可以通過手機微信小程序或NLECloud 物聯網開放平臺查看被監護人的日常用水量并分析生活規律，同時能夠通過打卡/求救按鈕進行詢問應答。該系統裝置在充分保障了老人隱私的同時，兼顧了成本低、功耗低、工作穩定、無需任何佩戴設備等優點，從而為獨居老人的監護提供安全保障。