基于智能語(yǔ)音健康養(yǎng)老系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

賀婧，苗中文，王魏帆，郭明海，姜雪，何愛(ài)華

（蚌埠學(xué)院，安徽蚌埠 233000)

0 引言

目前，我國(guó)人口老齡化問(wèn)題日益加重。第七次人口普查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)60歲及以上人口為2.6億人，占總?cè)丝跀?shù)量的18.70%，65 歲及以上人口為1.9 億人，占總?cè)丝跀?shù)量的13.5%[1]。隨著人口老齡化的加劇發(fā)展，老年人日常照護(hù)、生存權(quán)利、健康服務(wù)、生命安全保障等需求也不斷增長(zhǎng)。同時(shí)，隨著社會(huì)生產(chǎn)方式的改變，慰藉空巢老年人的數(shù)量也在日益上升。老年亟需相當(dāng)一部分在生活和精神方面需要得到關(guān)心、幫助和慰藉，他們的身心健康問(wèn)題顯得愈發(fā)重要，急須更完善的保障?，F(xiàn)如今市場(chǎng)上已經(jīng)存在了很多智能醫(yī)療養(yǎng)老產(chǎn)品，但它們多數(shù)存在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不到位、配套App功能單一、數(shù)據(jù)精確度較低和數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)共享等功能短板，市場(chǎng)上暫時(shí)也沒(méi)有真正完善的針對(duì)老年人身心健康的App[2]。

本系統(tǒng)基于以智慧化養(yǎng)老為發(fā)展趨勢(shì)的社會(huì)背景，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”與養(yǎng)老服務(wù)不斷融合發(fā)展，以互聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)核心為老年人提供智慧養(yǎng)老服務(wù)，滿足老年人生活質(zhì)量要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 硬件部分

本系統(tǒng)以STM32F103系列單片機(jī)為核心處理器，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算處理、操控通信模塊進(jìn)行信息傳輸?shù)冗^(guò)程，實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳感器的控制及精確的定位服務(wù)。系統(tǒng)通過(guò)心率血氧傳感器、溫度傳感器對(duì)老年人的生命體征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)加速度傳感器監(jiān)測(cè)老年人是否摔跤等。硬件監(jiān)測(cè)部分將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)處理后通過(guò)4G通信模塊實(shí)時(shí)穩(wěn)定上傳到云端，手環(huán)的軟件部分通過(guò)與云服務(wù)器建立連接將數(shù)據(jù)下載至阿里云平臺(tái)，并實(shí)時(shí)傳輸?shù)揭苿?dòng)設(shè)備端及Web網(wǎng)頁(yè)端。該過(guò)程能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)老年人健康安全問(wèn)題，保障老年人的健康。充分體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。

1.1.1 系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能

1)監(jiān)測(cè)老年人的體溫、心率、血氧三項(xiàng)生命體征信息。

2)監(jiān)測(cè)老年人是否摔倒。

3)獲取老年人的位置信息。

4)將所有監(jiān)測(cè)到的信息上傳到云端，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線查看所有信息。

5)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，其中分為系統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警和使用者的主動(dòng)報(bào)警。

6)數(shù)據(jù)記錄與統(tǒng)計(jì)，保存一段時(shí)間的生命體征信息數(shù)據(jù)并直觀展示。

系統(tǒng)手環(huán)設(shè)計(jì)總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)手環(huán)設(shè)計(jì)總體框架圖

1.1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)硬件端代碼編寫

此系統(tǒng)硬件端代碼使用C 語(yǔ)言在Keil uvision5中進(jìn)行編寫及運(yùn)行，不同傳感器的驅(qū)動(dòng)方式大不相同，本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)I2C總線的操控，對(duì)芯片中斷的判斷、定時(shí)器和看門狗的使用、串口DMA 特殊處理等操作確保各傳感器有條不紊地工作，防止數(shù)據(jù)混亂。

2)體溫模塊

監(jiān)測(cè)體溫需要精準(zhǔn)度高，變化靈敏的傳感器采集數(shù)據(jù)。因系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要設(shè)備在37攝氏度上下一定范圍內(nèi)數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確，所以本系統(tǒng)選擇高靈敏、監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)單、體積小巧的DS18B20，其阻抗與溫度有著相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，系統(tǒng)識(shí)別出阻抗的大小之后，將其轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)，再通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換，由STM32核心處理器計(jì)算出所測(cè)體溫的大小[3]。此傳感器只需要一個(gè)控制線就可以操作并讀取數(shù)據(jù)，功耗極低，以上特點(diǎn)保證了系統(tǒng)的低功耗，高性能。

3)心率血氧模塊

本系統(tǒng)使用MAX301集成式心率血氧傳感器，模塊集成度高，方便使用。傳感器上的光源會(huì)發(fā)出光，光線被待測(cè)物體反射至光敏元件后，經(jīng)過(guò)STM32核心處理器計(jì)算后可得到精準(zhǔn)的脈搏信號(hào)。同時(shí)人體血液在攜帶不同程度氧氣的情況下對(duì)紅綠光的吸收率不同，MAX301 通過(guò)再監(jiān)測(cè)自身發(fā)出光線的吸收率來(lái)獲取數(shù)據(jù)。MAX301經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的優(yōu)化已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小體積內(nèi)的高度集成，這使得它在擁有高性能的同時(shí)具有低功耗的特性。

4)加速度模塊

為實(shí)現(xiàn)摔倒監(jiān)測(cè)本系統(tǒng)使用了ADXL345 三軸加速度傳感器，其加速度變換會(huì)改變內(nèi)部電壓電阻以及電容的變化情況。其監(jiān)測(cè)到的信號(hào)直接以數(shù)字形式傳輸?shù)絊TM32核心處理器，不需要使用A/D模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。使用者在行走時(shí)，身體會(huì)有上下起伏，微控制可讀取該傳感器的三組模擬量，通過(guò)算法分析處理數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)合成為運(yùn)動(dòng)信息[4]。ADXL345 數(shù)字式傳感器具有精度高、穩(wěn)定、反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，故此傳感器被各個(gè)領(lǐng)域廣泛使用，非常適合智能手環(huán)這樣的穿戴移動(dòng)設(shè)備。

5)定位模塊

為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的定位，本系統(tǒng)選取可以接收GPS和北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的模塊，此模塊通過(guò)串口與核心處理器建立通信。此外本系統(tǒng)使用高性能天線，保證定位模塊可以穩(wěn)定工作。

6)顯示模塊

智能手環(huán)的系統(tǒng)必不可少的是顯示信息，此系統(tǒng)中使用TFT 屏幕進(jìn)行基礎(chǔ)信息顯示，其屏幕由STM32F103核心處理器直接驅(qū)動(dòng)，各個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)到的基礎(chǔ)生命體征數(shù)據(jù)、地理位置、是否摔倒等信息可以快速展示在屏幕上。

7)報(bào)警功能

手環(huán)表盤內(nèi)部設(shè)置震動(dòng)裝置，由于手環(huán)自帶的GPS 芯片，可以實(shí)現(xiàn)定位功能，這樣就可以在老年人遭遇意外的撞擊或者摔倒時(shí)，通過(guò)體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和定位系統(tǒng)的定位功能，確定老年人所處的位置，并且第一時(shí)間向子女的移動(dòng)設(shè)備發(fā)送警報(bào)。當(dāng)老年人需要緊急聯(lián)系家人時(shí)，也可以長(zhǎng)時(shí)間按住三秒手環(huán)電源鍵，第一時(shí)間對(duì)子女的移動(dòng)設(shè)備發(fā)出信號(hào)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到智能手環(huán)上有按鍵動(dòng)作時(shí)，監(jiān)測(cè)所述按鍵動(dòng)作，判斷所述按鍵動(dòng)作是否屬于長(zhǎng)時(shí)間按住操作，若是，則令智能手環(huán)及子女的移動(dòng)設(shè)備進(jìn)入警報(bào)狀態(tài)且實(shí)時(shí)獲得老年人的狀態(tài)信息；若否，則令智能手環(huán)繼續(xù)執(zhí)行正常工作模式。監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)可以對(duì)老年人摔倒進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，以最快的方式進(jìn)行警報(bào)，聯(lián)系親友。

1.2 軟件部分

1.2.1 App系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)App 主要包括5大功能模塊，分別為注冊(cè)登錄、暖心推薦、孝心互動(dòng)、健康記錄、安全維護(hù)等。暖心推薦模塊包括推送文章、科普視頻等。孝心互動(dòng)模塊包括語(yǔ)音聊天、以兒女聲音制成的語(yǔ)音包等。健康記錄模塊包括實(shí)時(shí)心率、體溫、血氧數(shù)據(jù)顯示等。安全維護(hù)模塊包括實(shí)時(shí)定位、報(bào)警系統(tǒng)等。本系統(tǒng)總體功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)App總體功能圖

1)注冊(cè)登錄

軟件打開(kāi)后，未注冊(cè)用戶先進(jìn)行注冊(cè)登錄。然后通過(guò)GSM 和GPRS 網(wǎng)絡(luò)檢查是否注冊(cè)成功,成功后即可建立手環(huán)與App 的連接[5]。已注冊(cè)用戶直接用賬號(hào)密碼登錄。

2)暖心推薦

首頁(yè)每天推送不同的文章及視頻，不僅會(huì)根據(jù)老年人的興趣愛(ài)好確定推送內(nèi)容，如戲曲、小品等。還會(huì)每天推送不同的科普常識(shí)內(nèi)容，既有日常生活中可以用到的生活小妙招，又有人們?nèi)菀缀雎缘慕】敌〕ＷR(shí)，營(yíng)造一個(gè)綠色健康的App運(yùn)營(yíng)環(huán)境。

3)孝心互動(dòng)

在App 聊天時(shí)，老年人可以發(fā)送語(yǔ)音消息，與子女進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，解決有些老年人不會(huì)使用智能手機(jī)但想和子女聊天的困境。該系統(tǒng)可以錄制兒女聲音語(yǔ)音包，作為日常生活提醒信息，如提醒老年人按時(shí)吃藥、鍛煉等，方便老年人使用。

4)健康記錄

系統(tǒng)通過(guò)手環(huán)的核心處理器設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老年人生命體征及安全情況，進(jìn)一步把監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳到云端，再實(shí)時(shí)從云端把數(shù)據(jù)取出通過(guò)App頁(yè)面及Web頁(yè)面顯示。系統(tǒng)實(shí)時(shí)將記錄到的心率、血氧、體溫三項(xiàng)重要指標(biāo)與預(yù)設(shè)的正常值進(jìn)行對(duì)比判斷，若數(shù)值情況異常，則會(huì)在子女移動(dòng)終端和Web 頁(yè)面同時(shí)發(fā)出警報(bào)。

5)安全維護(hù)

該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)定位功能及報(bào)警系統(tǒng)。報(bào)警模式分為兩種，一種是摔倒監(jiān)測(cè)，即在監(jiān)測(cè)到老年人摔倒時(shí)，在相關(guān)頁(yè)面發(fā)出醒目警報(bào)。另一種是一鍵報(bào)警，即在老年人不舒服或遇到危險(xiǎn)時(shí)，主動(dòng)按下相應(yīng)按鈕，使各界面實(shí)時(shí)顯示報(bào)警信號(hào)。另外，在危機(jī)解除后，可通過(guò)一鍵復(fù)位功能將警報(bào)解除。

1.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)開(kāi)發(fā)平臺(tái)

本系統(tǒng)采用APICloud 平臺(tái)進(jìn)行環(huán)境搭建以及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。這種混合型App開(kāi)發(fā)平臺(tái)具有前端開(kāi)發(fā)、后端開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品系統(tǒng)、要求分析、定制專屬服務(wù)等功能[6]。使用HTML5 技術(shù)開(kāi)發(fā)Android、iOS 原生應(yīng)用，降低了很多時(shí)間和人工成本，縮減開(kāi)發(fā)過(guò)程中繁雜重復(fù)性工作[7]。其功能強(qiáng)大，支持硬件加速，原生UI 模塊功能和Html代碼完全融合，跟隨頁(yè)面滾動(dòng)，模塊很多，調(diào)用也極其方便。

2)語(yǔ)音聊天設(shè)置

本系統(tǒng)語(yǔ)音聊天部分采用了TTS技術(shù)，并且借助于科大訊飛提供的語(yǔ)音庫(kù)和微軟的Microsoft Speech SDK 5.1 語(yǔ)音開(kāi)發(fā)包作為開(kāi)發(fā)工具[8]。本語(yǔ)音聊天系統(tǒng)可以將外部輸入的語(yǔ)音信息和手環(huán)等設(shè)備產(chǎn)生的文字信息轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的漢語(yǔ)。

3)語(yǔ)音包設(shè)置

科大訊飛提供了比較成熟的語(yǔ)音技術(shù)，其所具有的語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成，語(yǔ)音+等免費(fèi)服務(wù)都非常適合本系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[9]。經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐與比較，本系統(tǒng)決定使用訊飛語(yǔ)音提供的Software Develop Kit 來(lái)進(jìn)行語(yǔ)音包的設(shè)置。

1.3 App與手環(huán)連接部分

1.3.1 所完成的功能

STM32F103 核心處理器將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)4G模塊和MQTT 協(xié)議與阿里云建立連接，再?gòu)脑贫讼蛞苿?dòng)設(shè)施傳輸，在相應(yīng)Web網(wǎng)頁(yè)和App均可看到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)情況。

1.3.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)通信模塊

此系統(tǒng)硬件端的最重要任務(wù)之一是保證穩(wěn)定實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通信。因?yàn)?G覆蓋廣，且4G傳輸速度高延時(shí)低，選取4G通信可以保證通信無(wú)死角，通信實(shí)時(shí)性高。本系統(tǒng)在系統(tǒng)中使用STM32F103 的串口2 和4G模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，STM32F103核心處理器將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)4G模塊上傳到云端。因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸需要實(shí)時(shí)進(jìn)行，且遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信功耗大，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要配合軟件代碼科學(xué)工作。當(dāng)今我國(guó)4G 發(fā)展已經(jīng)非常成熟，在越來(lái)越多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用4G 模塊，模塊聯(lián)網(wǎng)只需要插入普通SIM 卡，使用方便。相比NB 模塊，4G 模塊具有信號(hào)普及范圍廣、速度快、延時(shí)低、穩(wěn)定性高一系列優(yōu)點(diǎn)。

2)云服務(wù)器

本系統(tǒng)選取阿里云平臺(tái)作為服務(wù)器。STM32 核心處理器計(jì)算處理各路傳感器收集到的數(shù)據(jù)后，通過(guò)4G模塊使用MQTT協(xié)議與阿里云建立連接，設(shè)備三元組與自己私有云端進(jìn)行識(shí)別并建立準(zhǔn)確連接，將硬件端數(shù)據(jù)代碼與阿里云端進(jìn)行統(tǒng)一，最終通過(guò)字符串重組將硬件端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為json 格式的數(shù)據(jù)發(fā)送給阿里云，阿里云通過(guò)解析json格式數(shù)據(jù)將不同傳感器數(shù)據(jù)分離并對(duì)號(hào)入座，至此完成數(shù)據(jù)從硬件設(shè)備端到云端的傳輸，再通過(guò)阿里云傳輸?shù)揭苿?dòng)設(shè)備終端，阿里云平臺(tái)效果展示如圖3所示。

圖3 阿里云平臺(tái)頁(yè)面展示

3)終端數(shù)據(jù)顯示

終端數(shù)據(jù)顯示采用Web和App兩種方案，保證用戶實(shí)時(shí)查看。顯示界面提供了歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖進(jìn)行直觀顯示。顯示的數(shù)據(jù)直接從阿里云獲取，網(wǎng)頁(yè)和App 亦通過(guò)MQTT 協(xié)議和阿里云建立連接。網(wǎng)頁(yè)端與App端頁(yè)面展示如圖4、圖5所示。

圖4 Web 網(wǎng)頁(yè)展示

圖5 App頁(yè)面展示

2 結(jié)論

綜上所述，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款針對(duì)呵護(hù)老年人身心健康的智慧語(yǔ)音健康養(yǎng)老系統(tǒng)。硬件部分通過(guò)各類傳感器對(duì)老年人的心率、血氧、體溫等生命體征及安全情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)4G 模塊及云服務(wù)器同步到移動(dòng)設(shè)備端和Web網(wǎng)頁(yè)端，當(dāng)老年人異常時(shí)設(shè)置警報(bào)。軟件部分則通過(guò)APICloud平臺(tái)、HTML5 技術(shù)、TTS 技術(shù)以及Microsoft Speech SDK 5.1語(yǔ)音開(kāi)發(fā)包等開(kāi)發(fā)工具設(shè)置了很多拓展性功能，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)為老年人提供線上養(yǎng)老服務(wù)，提升智慧養(yǎng)老水平。相對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有智慧養(yǎng)老類產(chǎn)品而言，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用更便捷、功能更齊全，非常適合運(yùn)用于老年人長(zhǎng)期的身心健康護(hù)理，在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的成效。另外，受時(shí)間和團(tuán)隊(duì)經(jīng)驗(yàn)的限制，研究與設(shè)計(jì)還有一些不足之處，下一步筆者將完善系統(tǒng)功能、美化系統(tǒng)外觀、提升客戶滿意度等。希望可以通過(guò)此系統(tǒng)，促進(jìn)養(yǎng)老服務(wù)高質(zhì)量發(fā)展，提高養(yǎng)老服務(wù)的水平，從而有助于保障老年人身心健康。