面向獨(dú)居老人的可穿戴式設(shè)備的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 迅，顏曉東，李春華，瞿 盟，郭 鵬

（合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

隨著社會(huì)工作和生活壓力的逐漸增大，很多子女沒有足夠的精力陪伴老人。獨(dú)居老年人作為弱勢(shì)群體，迫切需要社會(huì)的關(guān)注和關(guān)懷[1-4]。穿戴式硬件設(shè)備的研發(fā)日趨成熟，智慧養(yǎng)老相關(guān)產(chǎn)品更趨向于人性化，但針對(duì)老年人的適老性可穿戴產(chǎn)品的軟件平臺(tái)仍處于發(fā)展階段，終端產(chǎn)品的易用性不高。通過把可穿戴式設(shè)備與老年人健康監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)結(jié)合起來，能夠更好地對(duì)獨(dú)居老人進(jìn)行看護(hù)。當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)硬件產(chǎn)品與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合已成為趨勢(shì)，因此設(shè)計(jì)一款適用于獨(dú)居老人穿戴式設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)軟件十分有必要。

1 可穿戴式設(shè)備的軟件系統(tǒng)的需求分析

與一般的軟件應(yīng)用相比，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的軟件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性、應(yīng)用成本、使用人群等方面有著較大的不同。面向獨(dú)居老人的可穿戴式設(shè)備的軟件系統(tǒng)不需要太多復(fù)雜的功能，而更重要的是硬件和服務(wù)端之間的匹配。鑒于此，本文要實(shí)現(xiàn)的軟件系統(tǒng)有以下需求：

（1）軟件系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)潔。復(fù)雜的界面設(shè)計(jì)會(huì)降低用戶體驗(yàn)，加大操作難度。將軟件界面設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)潔美觀，會(huì)更容易操作。

（2）提供靈活的消息提示機(jī)制。在保證系統(tǒng)可用性的前提下，提供靈活的消息提醒機(jī)制，如APP消息推送、電話提醒、短信提醒、郵箱提醒等，能夠?qū)⒗先说臓顩r進(jìn)行更有效地傳達(dá)。

（3）構(gòu)建更加簡(jiǎn)便有效的物模型。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的物模型主要由三個(gè)要素構(gòu)成：屬性、服務(wù)和事件。本項(xiàng)目對(duì)應(yīng)物模型的屬性要素是指用戶可在軟件應(yīng)用中查看當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)，支持查詢、修改等功能；服務(wù)要素是指設(shè)備可以被外部的軟件應(yīng)用所調(diào)用的能力或方法；事件要素是指設(shè)備在運(yùn)行時(shí)發(fā)生的可控事件。本文對(duì)應(yīng)的設(shè)備物模型如圖1所示。

圖1 面向獨(dú)居老人的可穿戴式設(shè)備的物模型

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了做到高程度的系統(tǒng)復(fù)用、降低運(yùn)維成本，本項(xiàng)目采用前后端分離的B/S架構(gòu)：系統(tǒng)后端運(yùn)行在服務(wù)器上，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互和存儲(chǔ)；前端開發(fā)使用HTML5 Plus規(guī)范，可以方便地轉(zhuǎn)化為Android、iOS移動(dòng)端APP或小程序來使用，從而減少開發(fā)成本[5]。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的特性，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)功能，并添加了一些特色功能。系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)了用戶管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)渲染可視化、閾值報(bào)警、第三方消息推送（短信提醒、電話提醒）、準(zhǔn)確定位六大功能，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

（1）前端開發(fā)環(huán)境

本項(xiàng)目采用了JAVAScript作為前端開發(fā)語言，使用Vue.js響應(yīng)式框架使項(xiàng)目組件化。

（2）服務(wù)端開發(fā)環(huán)境

本項(xiàng)目采用JAVA語言作為服務(wù)端開發(fā)語言，使用Spring Boot作為后端開發(fā)框架[6]；與硬件設(shè)備通信方面，采用 了MQTT協(xié) 議（Message Queuing Telemetry Transport， 消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議），它是一種基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的輕量級(jí)通信協(xié)議；并且使用EMQX作為消息服務(wù)器[7]，實(shí)現(xiàn)了MQTT協(xié)議開源且性能優(yōu)越，作為數(shù)據(jù)采集層的核心，它分別與硬件設(shè)備和服務(wù)端進(jìn)行交互，硬件通過MQTT協(xié)議向其發(fā)送消息[8]，服務(wù)端通過接口將數(shù)據(jù)保存到服務(wù)端的持久化平臺(tái)中。EMQX的使用原理如圖4所示。

圖4 EMQX 工作原理示意圖

2.4 系統(tǒng)功能模塊的實(shí)現(xiàn)

本文主要完成了軟件系統(tǒng)中用戶管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)渲染和計(jì)算、閾值報(bào)警和消息推送的設(shè)計(jì)任務(wù)。系統(tǒng)的整體功能界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)界面效果

2.4.1 用戶管理模塊

用戶管理模塊包括用戶注冊(cè)、用戶授權(quán)、用戶登錄、用戶信息管理功能。首先進(jìn)行用戶注冊(cè)[9]、用戶登錄后，可對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理；用戶信息管理功能指用戶可進(jìn)行信息修改，包括修改密碼和手機(jī)號(hào)碼等，便于接收第三方平臺(tái)的通知等。具體實(shí)現(xiàn)效果如圖6所示。

圖6 用戶模塊

2.4.2 設(shè)備管理模塊

設(shè)備管理模塊包括設(shè)備連接控制、設(shè)備狀態(tài)查看、報(bào)警閾值設(shè)置，如圖7所示。在軟件上，可以實(shí)時(shí)查看設(shè)備連接的狀態(tài)；對(duì)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)警閾值進(jìn)行設(shè)置，服務(wù)端監(jiān)測(cè)到設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)持續(xù)不符合規(guī)定數(shù)值時(shí)，依托第三方應(yīng)用提供的服務(wù)，向用戶及時(shí)推送報(bào)警信息。

圖7 設(shè)備管理模塊

2.4.3 數(shù)據(jù)可視化模塊

數(shù)據(jù)可視化模塊用于對(duì)服務(wù)器端數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，形成動(dòng)態(tài)圖表，直觀地查看老人的實(shí)時(shí)狀況，如圖8所示。

圖8 可視化模塊效果展示

2.4.4 地圖定位模塊

地圖定位模塊采用uni-app的地圖定位功能，設(shè)備通過發(fā)送位置信息給服務(wù)端，前端向服務(wù)端請(qǐng)求數(shù)據(jù)，對(duì)老人的位置進(jìn)行定位，并且可以導(dǎo)航，準(zhǔn)確知曉老人位置。地圖定位功能效果如圖9所示。

圖9 地圖精準(zhǔn)定位效果展示

2.5 創(chuàng)新點(diǎn)

2.5.1 數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)性能問題解決瓶頸的分析及優(yōu)化思路

當(dāng)硬件設(shè)備數(shù)量增多，同時(shí)向EMQX消息服務(wù)器發(fā)布消息時(shí)，可能出現(xiàn)服務(wù)端數(shù)據(jù)處理量驟增的情況，將占用服務(wù)器大量的內(nèi)存，并出現(xiàn)請(qǐng)求阻塞、超時(shí)等問題[10]。服務(wù)端收到數(shù)據(jù)，需將數(shù)據(jù)解碼存入數(shù)據(jù)庫，這是一個(gè)非常耗時(shí)的操作。當(dāng)連接數(shù)量越來越多時(shí)，傳感器發(fā)布的消息也越來越多，這就成為了性能提升的瓶頸。本項(xiàng)目采用消息隊(duì)列進(jìn)行異步操作的思路：讓獲取消息的方法不直接處理消息，而是作為消息中轉(zhuǎn)站，接收到消息后直接轉(zhuǎn)發(fā)出去，在其他地方對(duì)消息進(jìn)行處理。

2.5.2 頻繁使用設(shè)備信息的解決方案

針對(duì)采集后的數(shù)據(jù)，首先要查詢對(duì)應(yīng)的設(shè)備信息，再存入數(shù)據(jù)庫中。設(shè)備的采集頻率相對(duì)較高，但設(shè)備信息通常不會(huì)改變，頻繁地查詢?cè)斐闪溯^多的資源消耗。此外，數(shù)據(jù)還需與閾值進(jìn)行比較，而每個(gè)傳感器的閾值基本固定不變，重復(fù)查詢會(huì)降低響應(yīng)速度。本項(xiàng)目的解決方法是：將這些頻繁使用且基本不變的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，提高查詢速度。當(dāng)設(shè)備連接成功時(shí)，將信息緩存；當(dāng)需要修改時(shí)，則將該數(shù)據(jù)刪除。使用這些數(shù)據(jù)時(shí)，先從緩存中查詢，若得到結(jié)果則直接使用；如果沒有查詢到該數(shù)據(jù)，則到數(shù)據(jù)庫中查詢，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。

3 結(jié) 語

隨著中國人口老齡化形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，獨(dú)居老人逐漸得到社會(huì)的關(guān)注。本文實(shí)現(xiàn)的面向獨(dú)居老人的可穿戴式看護(hù)設(shè)備的軟件平臺(tái)，基本能夠?qū)崿F(xiàn)智能看護(hù)老人的功能，在一定程度上減少了老人安全事故的發(fā)生，起到看護(hù)和及時(shí)預(yù)警作用，應(yīng)用價(jià)值和成果推廣前景較為可觀。作為與物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備搭配使用的軟件平臺(tái)，本項(xiàng)目從用戶體驗(yàn)和可用性出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了5個(gè)基本模塊：用戶管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)可視化展示、地圖精準(zhǔn)定位以及消息推送模塊。這些模塊相互協(xié)作，滿足了基本需求，能夠較好地配合硬件平臺(tái)的工作，在解決獨(dú)居老人的遠(yuǎn)程看護(hù)問題時(shí)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。