基于窄帶物聯網的養老院智能系統設計

劉曉旭 呂志華 何潤華

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.033

收稿日期：2023-05-31

基金項目：2022年山東省大學生創新創業訓練計劃平臺申報項目（S202213857018）

摘? 要：文章研究一種基于窄帶物聯網的養老院智能管理系統。首先，根據睡眠監控系統檢測的老人血氧濃度、心率、體溫、翻身次數等數據信息判斷出老人一段時間內的睡眠質量和健康狀況，系統通過物聯網將老人的睡眠和健康情況及時反饋給醫護人員和老人子女，并給出改善建議。其次，通過環境監控系統檢測室內環境，執行系統可以根據室內空氣質量標準自動控制消毒、開窗、增濕等控制設備，使室內空氣質量達到標準要求。最后，借助云平臺智能控制系統，隨時隨地能查看老人的健康狀況、睡眠質量和室內環境質量，并依托互聯網大數據做出最優調整。

關鍵詞：老人健康檢測；環境自主調節；窄帶物聯網；BC28

中圖分類號：TN929.5? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）02-0154-04

Design of Intelligent System for Nursing Homes Based on Narrowband IoT

LIU Xiaoxu， LYU Zhihua， HE Runhua

（School of Electrical Engineering， Shandong Huayu University of Technology， Dezhou? 253034， China）

Abstract： This paper studies an intelligent management system for nursing homes based on narrowband IoT. Firstly， based on the data information such as elderly's blood oxygen concentration， heart rate， body temperature， and number of turns detected by the sleep monitoring system， the sleep quality and health status of the elderly over a period of time are determined. The system timely feedbacks the elderly's sleep and health status to medical staff and children through the Internet of Things， and provides improvement suggestions. Secondly， by detecting the indoor environment through an environmental monitoring system， the execution system can automatically control disinfection， window opening， humidification and other control equipment according to the indoor air quality standards， so that the indoor air quality meets the standard requirements. Finally， with the help of cloud platform intelligent control systems， the health status， sleep quality of the elderly， and indoor environment quality can be viewed anytime and anywhere， and optimal adjustments can be made based on internet big data.

Keywords： elderly health testing; environmental self-regulation; narrowband IoT; BC28

0? 引? 言

隨著全球老齡化程度的加深，養老問題越來越引起人們的關注。在中國，老齡化問題也日益突出，養老院的建設和管理成為社會的重要問題。但是，傳統養老院普遍存在著管理不規范、設施簡陋、服務質量低下等問題。因此，如何提高養老院的管理水平，提高老人的生活質量，成為亟待解決的問題[1]。

隨著物聯網技術的不斷發展和普及，智能化養老院管理系統得到了廣泛的關注和應用。智能養老院管理系統可以通過傳感器、網絡通信等技術手段，實現老人的全天候監護、安全保障和健康管理，從而提高老人的生活質量和安全性。因此，本研究旨在設計一種基于物聯網的養老院智能管理系統，以提高養老院的管理水平和服務質量，為老年人提供更好的生活保障[2]。本研究的意義在于：

1）提高養老院的管理水平和服務質量。通過引入物聯網技術，可以實現對老人的全天監護和管理，從而提高養老院的管理水平和服務質量。

2）提高老人的生活質量和安全性。智能養老院管理系統可以實現老人的睡眠監測、環境監測和緊急報警等功能，從而提高老人的生活質量和安全性。

3）推動物聯網技術在養老領域的應用。本研究以物聯網技術為基礎，將其應用于養老院管理中，為養老領域的發展提供了新的思路和途徑，也有助于推動物聯網技術在養老領域的應用和發展。

總之，本研究的研究背景和意義在于提高養老院的管理水平和服務質量，提高老人的生活質量和安全性，推動物聯網技術在養老領域的應用。

1? 系統硬件平臺的設計與實現

本設計的硬件系統由電源模塊、主控芯片、窄帶物聯網模塊、傳感器模塊、執行模塊等部分組成，主要分為睡眠監控系統硬件設計、環境監控系統硬件設計和緊急報警系統硬件設計三大部分[3]。其中硬件方案框架圖如圖1所示，硬件設計圖如圖2所示。

硬件設計部分包括：

1）緊急報警按鈕：老人按下緊急報警按鈕，病房主控室會報警，且手機客戶端和云端也會收到緊急報警通知。

2）主控系統和電源：包括STM32主控芯片、BC26窄帶物聯網模塊和12 V蓄電池供電模塊，蓄電池接降壓模塊給STM32單片機和BC26物聯網模塊供電，實現對各種傳感器的控制和數據上傳云平臺。

3）空氣質量傳感器：包括SDS011傳感器檢測PM2.5濃度，MQ135傳感器檢測室內空氣質量。

4）溫濕度傳感器：DHT11溫濕度傳感器，檢測室內環境溫濕度。

5）壓力傳感器1：HX711壓力傳感器感知老人的睡眠姿勢和翻身次數。

6）壓力傳感器2：HX711壓力傳感器感知老人的睡眠姿勢和翻身次數。

7）溫濕度傳感器1：DHT11溫濕度傳感器，檢測老人睡眠時的溫濕度。

8）血氧心率傳感器：MAX30102血氧心率傳感器檢測老人的血氧和心率。

9）溫濕度傳感器1：DHT11溫濕度傳感器，檢測老人睡眠時的溫濕度。

10）壓力傳感器3：HX711壓力傳感器感知老人的睡眠姿勢和翻身次數。

整體尺寸：190 cm×80 cm×10 cm

1.1? 睡眠監控系統硬件設計

睡眠監控系統的硬件平臺主要通過MAX30102血氧心率脈搏傳感器檢測血氧濃度和心率、XGZP壓力傳感器檢測翻身次數。這些傳感器的數據將通過單片機采集和處理后，上傳到云平臺上進行分析和處理[4]。

1.2? 環境監控系統硬件設計

環境監控系統的硬件平臺主要包括空氣質量檢測傳感器MQ135、溫濕度傳感器DHT11、PM2.5傳感器SDS011。空氣質量檢測傳感器用于檢測室內空氣質量，溫濕度傳感器用于檢測室內溫度和濕度，PM2.5傳感器用于檢測室內PM2.5濃度[5]。這些傳感器的數據將通過單片機采集和處理后，上傳到云平臺上進行分析和處理。

1.3? 緊急報警系統硬件設計

緊急報警系統的硬件平臺主要包括緊急報警按鈕和主控室。緊急報警按鈕可以放置在老人的床頭或手邊，一旦老人有緊急情況，可以按下按鈕進行報警。主控室可以接收到緊急報警信號，并及時采取相應的措施。

硬件平臺的實現主要包括電路設計、傳感器選型、單片機編程、硬件調試等環節。實現過程中需要考慮系統的穩定性、可靠性、安全性等因素，確保系統能夠正常運行和滿足設計要求。在實現過程中，還需要進行系統測試和性能評估，確保系統的性能能夠滿足實際應用需求。

2? 系統軟件平臺的設計與實現

本設計以STM32單片機為主控芯片，BC28為窄帶物聯網模塊，綜合多種傳感器和自主調節模塊，設計了基于窄帶物聯網的養老院智能管理系統。通過外接5 V電源給系統供電，之后各種傳感器開始數據檢測，包括老人心率、血氧、睡眠時翻身次數等數據，老人生活環境的溫濕度、PM2.5濃度、煙霧濃度等，數據檢測的同時BC28模塊開始初始化，初始化完成后將檢測數據實時上傳至阿里云平臺，并在OLED顯示屏實時顯示[6]。當室內環境的煙霧濃度或顆粒濃度高于閾值時，會打開風扇。當室內環境濕度低于閾值時，會打開水泵。當室內環境溫度高于閾值時，會打開風扇。通過自主調節模塊來自主調節室內環境。當發生特殊情況，如老人按下緊急報警按鈕時，會啟動聲光報警，并將報警信息上傳云平臺。其中軟件流程圖如圖3所示。

2.1? 睡眠監控系統軟件設計

睡眠監控系統的軟件平臺主要包括數據采集、數據存儲、數據分析和數據顯示等模塊。數據采集模塊負責從硬件平臺中獲取傳感器數據，并將數據上傳到云平臺上[7]。數據存儲模塊負責將采集到的數據存儲到數據庫中進行管理。數據分析模塊負責對采集到的數據進行分析，如分析老人的睡眠質量、健康狀況等。數據顯示模塊負責將分析后的數據以圖表或文本的形式展示出來，方便醫護人員或老人子女進行查看和分析。

2.2? 環境監控系統軟件設計

環境監控系統的軟件平臺主要包括數據采集、數據存儲、數據分析和數據顯示等模塊。數據采集模塊負責從硬件平臺中獲取傳感器數據，并將數據上傳到云平臺上。數據存儲模塊負責將采集到的數據存儲到數據庫中進行管理。數據分析模塊負責對采集到的數據進行分析，如分析室內空氣質量、溫濕度等。數據顯示模塊負責將分析后的數據以圖表或文本的形式展示出來，方便醫護人員或老人子女進行查看和分析。

2.3? 緊急報警系統軟件設計

緊急報警系統的軟件平臺主要包括報警信息接收、報警信息處理和報警信息顯示等模塊。報警信息接收模塊負責接收從硬件平臺上傳的報警信息。報警信息處理模塊負責對接收到的報警信息進行處理，并及時通知醫護人員或老人子女。報警信息顯示模塊負責在管理人員的電腦或手機上顯示報警信息，方便管理人員及時處理緊急情況。

軟件平臺的實現主要包括程序編寫、數據庫設計、界面設計等環節。在實現過程中需要考慮系統的易用性、可靠性、安全性等因素，確保系統能夠正常運行和滿足設計要求。在編寫程序時，需要根據系統的功能需求，采用合適的編程語言和開發工具，實現各個模塊的功能。在數據庫設計方面，需要設計合理的數據庫結構，建立數據表和索引等，確保數據的存儲和管理效率。在界面設計方面，需要設計簡潔明了、易于使用的界面，方便管理人員進行操作。

3? 系統測試與分析

系統測試與分析是智能養老院管理系統開發的重要環節，本部分將介紹本研究的系統測試與分析結果。

3.1? 系統測試

本研究的智能養老院管理系統經過了多次測試，包括功能測試、性能測試和穩定性測試等。在功能測試方面，系統能夠準確地監測老人的睡眠、健康狀況和室內環境等信息，并及時報警處理[8]。在性能測試方面，系統能夠快速、準確地采集和處理數據，并實現數據的實時顯示和管理。在穩定性測試方面，系統能夠穩定運行，并保持正常的工作狀態，不會出現崩潰或數據丟失等情況。功能測試數據如表1至5所示，系統測試圖如圖4所示。

3.2? 系統分析

通過對系統測試結果的分析，本研究得出了以下結論：

1）系統的功能能夠滿足實際應用需求。系統能夠準確地監測老人的睡眠、健康狀況和室內環境等信息，并及時報警處理，能夠有效提高養老院的管理水平和服務質量。

2）系統的性能較好。系統能夠快速、準確地采集和處理數據，并實現數據的實時顯示和管理，能夠滿足養老院管理人員的需求。

3）系統的穩定性較高。系統能夠穩定運行，并保持正常的工作狀態，不會出現崩潰或數據丟失等情況，能夠滿足長期穩定運行的需求。

綜上所述，本研究的智能養老院管理系統經過了多次測試和分析，能夠滿足實際應用需求。通過測試和分析，可以發現系統的功能、性能和穩定性等方面都表現較好，能夠為養老院的管理和老人的生活提供良好的保障。

4? 系統性能優化

系統性能評估和優化是智能養老院管理系統開發的重要環節，本部分將介紹本研究的系統性能評估和優化結果。

本研究對系統性能進行了優化，主要包括硬件優化和軟件優化兩個方面：

1）硬件優化：硬件優化主要涉及硬件選型和硬件布局等方面。通過優化硬件選型和硬件布局等，可以提高系統的數據采集和處理效率，提高系統的整體性能[9]。

2）軟件優化：軟件優化主要涉及程序優化和數據庫優化等方面。通過對程序進行優化和對數據庫進行優化等，可以提高系統的響應速度和數據處理效率，提高系統的整體性能[10]。

通過性能優化，本研究的智能養老院管理系統的性能得到了進一步提升，能夠更好地滿足實際應用需求。需要注意的是，系統性能優化是一個持續的過程，需要不斷地進行優化和改進。

5? 結? 論

本研究的智能養老院管理系統采用物聯網技術和云平臺技術，實現了老人睡眠和健康狀況監測、室內環境監測和緊急報警等功能，能夠為養老院的管理和老人的生活提供良好的保障。多次測試和分析表明，該系統具有較好的功能、性能和穩定性等方面表現，并能夠滿足實際應用需求。同時，本研究的智能養老院管理系統為養老領域的發展提供了新的思路和途徑，有助于推動物聯網技術在養老領域的應用和發展。

參考文獻：

[1] 李莉.基于物聯網技術的智能養老服務系統設計 [J].工業控制計算機，2023，36（8）：54-55+57.

[2] 盧佳欣，陳柏祥，丁子建.基于物聯網技術的智慧家庭監測系統設計 [J].科技與創新，2023（21）：105-107+110.

[3] 池長會.智能化技術在互聯網+智慧養老服務模式中的應用 [J].電子技術，2023，52（7）：328-330.

[4] 姜妍.基于物聯網的智慧養老系統設計與實現 [J].無線互聯科技，2023，20（14）：29-31.

[5] 韓雨澇.醫養結合型智慧養老服務平臺設計 [J].計算機時代，2023（4）：157-160.

[6] 亓璐璐.基于WiFi技術的遠程養老看護系統設計 [D].吉林：東北電力大學，2022.

[7] ST先進的MEMS傳感器助力開啟Onlife時代 [J].單片機與嵌入式系統應用，2022，22（5）：95.

[8] 李嘵慧.基于華為云平臺的智慧養老系統的研究與設計 [D].沈陽：沈陽師范大學，2023.

[9] 李威.基于NB-IoT的環境智能監控系統 [D].南京：南京航空航天大學，2020.

[10] 孫萬里.基于云平臺和NB-IoT的物聯網監控系統開發 [D].杭州：浙江大學，2021.

作者簡介：劉曉旭（2001—），男，漢族，山東濟寧人，本科在讀，研究方向：自動化；呂志華（1980—），女，漢族，山東德州人，副教授，本科，研究方向：電氣工程及其自動化；何潤華（2000—），男，漢族，山東日照人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化。