基于Arduino 的智能老人助理系统设计

周银，王新峰

（吉首大学软件学院，张家界427000）

0 引言

根据《中国老龄事业的发展》白皮书，中国人口年龄结构已经开始进入老龄化阶段。人口老龄化问题已经逐渐变成中国乃至全球性的社会性问题。预计到2040 年，65 岁及以上老年人口占总人口的比例将超过20%。同时，老年人口高龄化趋势日益明显。民政部部长李立国说，城乡老人家庭中，空巢家庭超过50%，部分大中城市达70%。而养老机构床位占全国老年人口1.59%，所以还约有90%的老人需要家庭看护。

老人单独在家时会遇到各类麻烦如：出门外带钥匙，不记得定时吃药，不记得家中炉灶的火是否关闭，智能电器不会用，身体突发不适找不到人帮助、行动不便等。而现在老人普遍子女少，同时女子也没有太多精力在家照看老人，这就迫切要求我们通过技术手段辅助老人生活,帮助老人解决衣食住行的困难，并且方便和外界通信及子女照看老人，因此提出建立一个智能老人助理系统。智能老人助理系统的建立可以大大提升老人生活质量，让老人享受科技进步带来的实惠。

1 系统功能描述

通过对老人生活遇到的主要问题进行分析，本系统要完成以下目标：让行动不便的老人在少量移动的情况下，可以控制所有智能家电设备；可以让老人及监护人实时了解居住环境，当有异常发生时，系统会报警让老人及时撤离；当老人操作失误或有突发情况时，远程辅助功能可让监护人远程协助；当老人思念子女时也可通过简单操作即可联系到子女。以上目标可以进一步化分为三个模块即：智能控制、环境监控、远程辅助。

（1）智能控制：是指老人能通过语音或手机统一控制房间内的智能设置，如空调、电视、灯以及窗帘和门等，操作流程要简单，界面要人性化。

（2）环境及健康监控：实时检测房间内温湿度，有毒气体（煤气），烟雾等环境信息，方便查看。当环境中出现异常时可报警，报警方式有声音和灯光两种。老人也可通过设备（心率检测、脉搏检测等）将健康情况上传系统服务器方便监控护和医疗人员查看。

（3）远程辅助：本系统全程联网，当有突发情况时，老人的监护人可通过授权远程控制房间内的智能设备，同时还可与老人实时聊天通信。

本系统的三个功能模块（智能控制、环境监控、远程辅助）整合在一起如图1 所示。

图1 系统功能结构图

图1 中无箭头线代表数据和命令可以双向发送，单箭头的线代码数据或命令从一个模块到另一个模块发送。数据指获取的温湿度、健康、图像等数据信息，命令包含开、关、移动等控制指令。

从系统功能结构图中可以看出，本系统分为：主控App、服务器、Web 端软件功能部分，以及中央控制器和各子板的硬件平台部分。下面就按软件和硬件分开详细讲解各功能。

2 软件功能

软件由主控App、服务器和Web 端三块组成。

2.1 主控App

手机是现在最好的控制器，可以集各种功能与一身，主控App 使用Android 开发，主要功能就是用来接受数据与发送命令，由于是给老人使用，所以操作界面要求特别简单，一键式使用，界面如图2 所示。

图2 App操作界面图

主控App 工作命令发送流程：App 发送指令-＞服务器-＞中央控制板（解析命令目的地）-＞子板。

主控App 数据接收流程：各子板收集数据-＞中央控制板-＞服务器-＞主控App 读取显示。

2.2 服务器

服务器是数据处理中心，用来将命令和数据发送到各模块，保存数据、记录日志等都由服务器完成。

由于各类设备采集的数据信息格式和命令格式各不相同，为了统一处理，定义相同的数据结构体和命令结构体。

数据的结构体如下：

typedef struct s_data

{

int data_type; //数据的类型

char data_src[100]; //数据的来源

char data_des[100]; //数据的接收方

void*buff; //数据指针

int size; //数据大小

time_t send_time; //数据发送时间

time_t recv_time; //数据接收时间

}DATA;

命令即指令结构体如下所示：

typedef struct s_order

{

int order_type; //命令的类型

char order_src[100]; //命令的发出方

char order_des[100]; //命令接收方

char value[100]; //命令值

time_t send_time; //命令发送时间

time_t recv_time; //命令接收时间

int is_run; //命令是否执行

}ORDER;

2.3 Web端

Web 端是提供给监护人使用的，通过Web 端授权后可远程查看房间情况，并控制小车巡视。每个用户都有独立账号，这样可以让类似养老中心的机构实用对多个地方监控。Web 端页面布局如图3 所示。

图3 中功能有手机号绑定，数据图表区、图像区和指令操控区。Web 端页面根据每套系统特有的机器码进行登录采用Highcharts 将所有环境数据可视化，各功能如下：

图3 Web端页面

（1）手机号绑定：当有异常发生时，会通过直接发送短信通知这个手机号。

（2）数据图表区：把环境的数据（温湿度、煤气浓度、健康指标等）显示在这里，还可以在这里设置阈值待数据超出阈值后即发送警报，警报即要在老人所在房间内发送，可通过声音和灯光提醒，也要发送短信到监控人手机上。

（3）图像区：小车拍摄的图像显示区，方便监控人查看房内情况。至于为什么不全房间放置摄像头，这考虑到老人的隐私问题。同时这个小车能否上传图像，是需要经过老人授权的。

（4）指令操控区：发送各类命令，如屋内智能电器、小车移动等。

3 硬件平台

从图1 中可以看到，嵌入式相关内容有中央控制器和各子板，这里都选用Arduino 芯片，Arduino 是开源的硬件平台，入手快开发简单，扩展性好，Arduino UNO R3 板子结构如图4 所示。

图4 Arduino芯片结构

主控制器与子板间和服务器的通信是重点要解决的问题。主控制器与子板之间使用NRF24L01 芯片通信传输距离几十到几百米，它是由NORDIC 生产的工作在2.4GHz～2.5GHz 的ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“Schock-Burst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。

主控制器与服务器的连接使用ESP8266 Wi-Fi 连网，该芯片是一种无线转串口的芯片，无线传输距离可达300 米，远远满足本项目的室内传输要求。

子板的功能实现都较简单，会用到红外控制、马达电机、温湿度、有毒气体、烟雾和心率、脉搏、体温等传感器，巡航小车可远程控制也可按轨迹巡航。

小车模块由Android+Arduino+H 桥+电机+轮胎+模具+HC-05 蓝牙模块组成，Android 与Arduino 通过蓝牙联通进而将小车的行进控制转交至Android。Android 通过自身的4G 网络与服务器进行信息交互，即转移控制权至服务器，相应的Android 调用自身的摄像头将实时画面拍摄上传至服务器完成监控功能。

4 结语

本项目的创新与特色有如下4 点：

（1）目前智能看护和智能家居相关的系统大多采用ZigBee 技术或ARM 体系，虽然这些系统功能强大，但开发过程较复杂，同时成本高。而本系统采用最近流行的Arduino 平台，这是开源的平台成本非常低，入手快。

（2）考虑到老人对智能设备的掌握程度不高，本系统采用双输入模式：语音和App。且App 应用只有一个图形界面，每个功能都独立设置操作。

（3）紧急呼救，老人单独在家很容易突发意外如摔倒，老人可呼叫远程报警，系统检测到亦会自动报警。

（4）本系统提供云服务器接入接口，监护人通过授权后可远程协助老人对智能设备进行控制，可时也可实时查看室内环境。