智能家庭養老系統的設計與實現

吳秋燕，趙 杰，鄒慧淋，陳培亮

（福建江夏學院 電子信息科學學院，福建 福州 350108）

0 引 言

隨著老年人口數不斷增加，人口老齡化速度加快，家庭空巢現象陸續涌現。老人們渴望家庭的幸福，但年輕一輩由于上有老下有小，加之社會工作各方面的壓力，難以抽身照顧家中長輩。如何“養老”成了眾多家庭亟待解決的關鍵問題。在智能化和老齡化的大趨勢下，越來越多人致力于將現有科技成果加工集成，以期為養老領域帶來更多便利[1-4]。通過目前已知人工智能、機器學習與深度學習技術和方法，將各傳感器與物聯網設備相互融合[5-8]，能夠智能化地管理老人的生活起居和出行情況數據，同時也便于子女實時了解并查看老人的情況。

基于以上背景，本文致力于將最新科技研究結合安全養老理念，搭建一個智能化養老系統，從而在一定層面上和一定范圍內對老人生活狀況進行實時監控。為此，不僅要構建一套相對完備的智能監控體系，而且要采用綜合集成的方式打破設備壁壘形成統一平臺，為逐步向“智能化養老”道路邁進助力。

1 采用技術

1.1 摔倒算法

人體摔倒時間歷程一般在1 s 以上，剛開始加速度曲線最大，接著降低，然后增加，直到最后趨于穩定。摔倒會使人的重心在短暫時間內發生變化，且垂直位置的方向和速度都會發生改變，致使合成加速度和各個方向俯仰角也會發生變化。摔倒過程中有失重、靜止和超重三種狀態，下降過程中，合成加速度最大為2.6g，俯仰角、側翻角發生變化，多個姿態角度絕對值超過45°，且有兩個摔落閾值。因為在開始下降時合成加速度最大，摔倒后人體的應激反應會降低加速度，所以先產生較大的觸發閾值，再出現較小的持續時間閾值。程序對輸入的每50 個周期進行判斷，若有85%的時間大于第二次下降閾值，且如果有兩個連續這樣的過程，則判定為下降；否則，下降判斷為假將被刪除。主要代碼如下：

1.2 系統數據庫設計

1.2.1 實體圖模型設計

一個完整的系統，數據庫是必不可少的，數據庫的設計既要便于數據庫的邏輯結構轉換，又要利于管理人員后期的維護和使用，所以設計數據庫時要兼顧準確性、安全性和數據交互性[9-11]。實體圖模型可以清晰地展現每一個實體與實體之間的關系，所以在智能家庭養老系統中也采用了E-R 圖，如圖1 所示，其中包含的實體為：用戶、定時、智能設備和管理員。

圖1 系統數據庫E-R 圖

1.2.2 關系模式設計

數據庫中的關系模式設計如下：

（1）用戶表：用戶號、姓名、登錄密碼、個人郵箱、權限、登錄時間、手機號、地址、操作地址。

（2）定時表：編號、用戶號、設備號、數據、定時器狀態、操作地址。

（3）設備表：編號、用戶號、設備號、數據、設備狀態、操作地址。

（4）管理員表：管理員號、管理員名、密碼、權限、登錄時間。

1.2.3 系統功能

（1）用戶登錄功能

用戶在Web 頁面中根據提示在登錄頁面輸入賬號和密碼，用戶只有在登錄正確的賬號、完成跟系統數據庫的身份信息匹配的情況下才能登錄系統使用里面的功能。用戶登錄系統時，可以利用系統分配的對應權限操作功能模塊或調取數據。系統會根據不同的用戶類型來分配不同的權限，根據系統分配的不同權限，用戶可以操作不同的功能模塊和調取數據。

（2）智能操縱功能

系統后臺智能設備管理需要在登錄成功后，才可以展示所有可操縱設備，依據用戶的角色享有不同的設備管理權限。用戶通過相關頁面可以對權限內的智能設備進行增刪改查操作。用戶也可以點擊智能設備列表中的不同設備以進入設備的詳細頁，查看智能設備的實時狀態。

（3）設備定時功能

智能設備的定時功能是為了滿足用戶的個性化需求，用戶可以在智能設備的詳細頁中對設備進行定時操作，如可以讓空調在特定時間關閉，讓家里的燈在特定時間開啟。系統會記錄用戶的歷史定時信息，然后對信息進行讀取，通過Web 頁面展示給用戶，以簡化用戶的定時操作。

2 硬件設計

智能養老系統的實現依托于成熟可靠的網絡技術，在當前技術背景下，實現智能養老系統主要通過可視化的硬件技術以及云端服務器。

2.1 單片機模塊

單片機是針對某一功能擁有高性能的微型控制器，與傾角傳感器連接組合即可具有高可靠性、小體積、低能耗、低價格和方便使用等優點[12-15]，還可連接其他模塊便于靈活擴展其他功能。

2.2 ZigBee 多設備接入

在智能養老系統的技術實現中，由于是居家環境，就有低功耗、低時延、高可靠性的嚴格要求。選擇統一高效的傳輸協議，協調好與云端的信息匹配，顯得尤為重要。為適應自動化控制和遠程控制等領域，并且對于小型設備具有可嵌入性，ZigBee 無線通信技術被廣泛應用于相對應領域，例如智能燈、智能傳感器[16-19]。主要優勢包括：在低功耗模式下，待機時長超長，可達半年到一年時間；ZigBee 通過AES 加密算法保護數據和防止不良攻擊，保全了數據完整性。

總體實現方法：采用ZigBee 網絡中的智能設備獲取用戶相關信息認證之后，通過智能設備采集用戶身體狀況信息、居家環境信息等；利用智能網關進行數據處理，以WiFi 形式發給云端數據庫；云端服務器接收相關信息進行解析并在Web 頁面、APP 頁面進行圖文顯示。

3 軟件設計

3.1 應急設備

系統自身涵蓋相關智能化設備，尤其是以應急設備為主，例如應急燈、緊急呼叫按鈕等。應急燈具結合智能識別設備和時間控制為老年人提供相關智能服務；緊急呼叫結合智能醫療設備為獨居老人提供緊急救護預警。

3.2 個性化交互

系統能夠根據老年人的實際生活需要，結合網頁、系統界面、檢索查看、運動軌跡分析，進行大數據整合，實現老人與系統的個性化交互。通過互聯網數據實時整合位置周圍的醫院看護資源，在緊急情況下通過智能分析及時發現并有效發送求救信息。實時監護老人的運動近況，實時跟蹤監測其位置軌跡，將監護信息進行加密保存，在需要的時候可以由家屬和護士獲取查看，并對其進行先進的數據分析。系統主用戶登錄云端服務器后，可對一切權限范圍內的智能設備進行相應的增、刪、改、查操作。

3.3 語音交互

語言識別技術是集語言學、概率論和信息論以及模式智能識別的交叉性技術[20-22]。考慮到老年人對于智能設備操作的局限性和畏難感，摒棄過于復雜繁瑣的操作流程，改用語音方式與系統進行交互，更實用便捷。本系統集成了智能語音模塊，用戶通過它不僅可以語音操縱家中設備，還可以欣賞音樂、查閱天氣、智能聊天和查詢實時時間等，達到優化獨居老人的生活方式的目的。

3.4 倒地事件的檢測與識別

識別獨居老人的倒地事件是本系統的重點和難點，通過智能骨骼識別技術，在充分進行隱私保護的前提下，及時發送相應報警信息，在第一時間內尋求幫助。用戶可通過網頁前端交互頁面執行該功能，結果也將呈現在數據庫中。

4 系統測試

將若干名測試員分成五組，每一組分別帶上實驗手表，將他們帶入寬闊的場地，第一組在指定范圍內正常行走，記錄網頁端數據反饋及手表響應情況；第二組人員在指定范圍行走然后倒下，記錄網頁端數據反饋及手表響應情況；第三組人員在指定范圍行走然后倒下再馬上站起，記錄網頁端數據反饋及手表響應情況；第四組人員在指定范圍行走然后倒下，經過10 min 后緩慢站起，記錄網頁端數據反饋及手表響應情況；第五組人員在指定范圍行走然后倒下，一直不站起，記錄網頁端數據反饋及手表響應情況，每組實驗進行兩到三次重復實驗。系統測試結果見表1 所列。

表1 系統測試

5 結 語

隨著社會人口老齡化程度的不斷加深，解決獨居老人的養老問題已經刻不容緩。為此，本文設計將單片機模塊與數據互聯網模塊集成到智能家庭養老系統中，分析人體摔倒各項數據變化情況，捕捉異常數據，實現及時警報功能，提高老年人居家養老智能化和安全性，滿足了實時監控預防老人跌倒的要求。最后進行了系統功能測試，警報、發送信息和定位等功能如期實現。然而系統功能后續仍需拓展，爭取為養老領域帶來更多便利。