养老机构智能监测系统的设计

尤成熙 杨叶梅

(福建师范大学协和学院 福建 福州：350117)

老龄化是世界面临的一个重要问题，《“十三五”国家老龄事业发展和养老体系建设规划》指出，到2020年中国60岁以上的老年人口接近2.55亿。中国家庭的“4+2+2”模式，使得中青年人无法照顾到老人的生活，因此近些年各种养老机构也不断建立，满足了社会的部分需求[1]。但是养老机构的环境及设施也是参差不齐，一部分养老机构的环境情况还比较差，一部分养老机构的工作人员比较少，对老人不可能照顾得很细致。有养老机构的老人因为一时疾病突发或者半夜出现身体异常，没有得到及时的治疗。结合信息技术和物联网技术的智能养老机构可以更好保障老人的身心健康。本文设计了一种养老机构监测系统，系统会监测养老机构的房间安全，时刻关注老年人生命特征的变化，发现老人生命特征出现异常时会及时启动报警设备，使其能得到及时地治疗，同时也监测老人房间环境的情况，防止意外事件发生。

1 概述

系统将房间的环境监测数据通过下位机传送给主控板，而采集生命特征所需的传感器集成在便捷式可穿可脱的设备上，方便老人佩戴，监测老人的体温、脉搏和呼吸的情况。控制器芯片STM32F103Z完成各个传感器的采集，通过ESP8266wifi模块的WebScoke链接发送数据至电脑服务器进行分析和监测[2-3]。养老机构的管理员可以通过Web端查询各个老人的生命特征和所住房间的环境数据，后台编程采用JAVA完成，通过socket完成和硬件的网络连接，方便数据的传输。系统对每个房间老人的生命特征数据进行分析，发现异常，会启动对应房间的报警呼叫。同时，老人佩戴的设备上都具有一键呼叫功能，老人在感觉不舒服的时候按下此按键会启动呼叫功能。本系统上下位机采用蓝牙技术进行一定距离的数据传输，使用AT指令控制ESP8266 WIFI模块完成后台数据传输，稳定的TCP/IP协议保障数据的准确性。后期所有设置的养老机构点将数据传送至总中心，为全省机构的管控奠定基础。图1是养老机构智能监测系统的整体设计图。

图1 养老机构智能监测系统框图

2 硬件设计

2.1 控制器选择

下位机采用的是STC单片机，负责老人房间环境数据的采集。主控器选择的是具有32位ARM Cortex-M32内核的STM32F103Z的嵌入式单片机，其工作功耗低，处理速度快。

2.2 生命特征传感器选择

心率脉搏测量采用的是光电反射式的PulseSensor脉搏传感器，传输的是模拟信号，传送给STM32转化为数字信号就可以得到心率数值[4-5]。

体温测量采用的是接触式人体感应温度贴片WD3703，是一款全数字的体温传感器，准确度和精确度都比较高，分辨率为13位，数据的输出接口具有抗干扰滤波特性，电路连接简单。

呼吸测量采用的是HKH-11B呼吸波传感器，主要是采集于人体呼吸产生的腹部压力起伏信号[6-7]，将信号放大、滤波等电路处理后输出，输出的是模拟信号，需要转换为数字信号传输。

2.3 环境检测传感器选择

温湿度检测采用的是SHT11传感器，电路简单，数据传输共40bit。烟雾检测采用的是MQ-2传感器。空气质量检测采用的是KQM2801A传感器，输出单位0.0～30.0ppm的空气质量数据。

2.4 WIFI模块

无线通信采用的是ESP8266 WIFI模块，此模块支持Station/SoftAP/SoftAP+Station模式，可以在2s内唤醒、连接并传递数据包。该模块在每个养老机构点都有，后期可以扩展为全省分布式管理。

2.5 蓝牙通信

主、从机之间的通信是采用蓝牙模块HC-05来实现，通讯接口采用串口和单片机连接，通信范围10m内，空中传输的速率为2Mbp/s，数据传输格式“8位数据位+1位停止位”，无奇偶校验位。

3 系统软件设计

3.1 下位机程序设计

STC12c5a60s2单片机主要采集和处理温湿度数据、空气质量的数据、烟雾数据，通过蓝牙模块将数据传送给主控板STM32。蓝牙模块与单片机通过串口P3.0(RXD)，P3.1(TXD)端口对接，将采集到的数据打包一起发送到主控板STM32的蓝牙上。下位机的程序流程图如图2。

图2 下位机的流程图

3.2 STM32控制端程序设计

STM32控制端主要完成老年人生命特征的数据采集，再将与蓝牙相连接的串口2接收到的下位机的数据一起打包，通过WIFI模块传送给PC端。STM32通过串口2与WIFI模块使用AT指令进行通信，通过AT指令连接服务端并发送采集到的数据。STM32控制端程序流程如图3。

图3 STM32控制端程序流程图

3.3 服务端设计

PC端界面的设计采用HTML5编程完成，后台采用JAVA编程完成数据的获取,通信方式采用TCP协议，Socket同步短接方式，与下位机通信的过程为创建服务端Socket(在JAVA中为ServerSocket类来实现)，然后与端口进行绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待下位机客户端的连接，这时如果有一个客户端来连接对应服务端端口，如果连接成功，这时客户端与服务端的连接就建立了，客户端发送数据，服务端接收请求并处理请求并将数据展示到界面上，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据是否接收处理成功，最后关闭连接，完成一次交互。后端处理程序的流程图如图4。

图4 后端处理程序的流程图

4 测试和运行

(1)WEB主界面

养老机构的管理员可以登录系统，随时查看所有的数据信息。进入系统会显示房间的入住人员和房号，点击“进入房间”可以查看该房间的环境情况和入住老人的生命特征。可操作的主界面图如图5所示。

图5 养老机构的监测系统主界面

(2)传感器数据

管理员点击A1房间，可以看到王XX所在房间的环境情况，包括房间的温度、湿度、烟雾情况和空气质量情况。还可以监测该房间所住的王XX的生命特征数据，包括呼吸、脉搏、体温的信息。采集的值显示在界面上，同时被系统监测。属于正常范围内的数值时，则对应的数据端显示绿色框，异常情况显示红色框。一个房间的数据信息界面如图6所示。

图6 各类传感器的数据界面

(3)异常告警

当房间的环境数据或者是住户的生命特征数据出现异常的时候，则系统会自动报警，界面提示，并启动语音报警。如图7界面，B4房间的住户的脉搏产生异常后，会提示管理员，进行及时的救助。

图7 异常情况的告警界面

5 结语

本文设计了一种养老机构监测系统，系统会监测房间中老人生命体征的变化，发现异常会启动报警系统。该系统设计适用于各类养老机构或者社区养老服务中心，改善机构中老人们的生活环境，减少意外的发生，增加老年人晚年的幸福指标。尤其是在寒冬、夜晚，可以时刻监控老年人的生命特征数据，及时发现异常情况。系统经过测试，达到了初步预期的目标，但是在数据采集的精确性上和软件操作方面还需要进一步验证和改进。