混合型养老社区综合服务平台之智能终端系统的设计

袁赛杰 胡泽斐 丛玉华 谢玲 周怡诚

（南京理工大学紫金学院计算机学院 江苏省南京市 210023）

1 引言

随着老龄化问题的日益严重，一系列养老问题也引起了人们的关注：家庭支持资源不足、老年人的生活和医疗护理不足、护理的设施不足、老龄人的情感需求也在不断增加，面对这些难点，如何提高老龄人的生活质量就显得愈加重要了。为此中共中央强调要以家庭为基础建立多层次的护理服务系统，积极开展老龄化行动，推动养老的多样化。“家庭养老”和“社区养老”等实施表明，社区养老将是未来的主要趋势。混合型养老社区可以帮助老年人护理机构和社区大大提高管理效率[1]。混合养老社区中老年人生活系统的概念和技术的介入将使未来的养老模式更加人性化。养老社区将来可以使用智能设备实时监控老年人的生活和健康状况，并做到信息同步，家庭成员可以远程了解老年人的信息状况，家庭成员也可以通过云平台发布需求，服务公司可以根据需求为老年人提供现场服务[2]。本文将设计智能终端系统即为养老社区综合服务系统的智能终端部分。

2 系统总体方案

2.1 功能分析

智能终端系统要求能够在老年人的日常生活中起到陪护和与老年人相关状态的监测功能，因此系统应包含两个子系统：助老终端系统和数据监测系统。系统功能如图1 所示。

图1：助老终端功能结构图

图2：智能终端系统结构图

图3：助老终端系统结构图

助老终端系统负责老年人的居家娱乐和简单护理，娱乐部分可满足老年人精神方面需求，通过在助老终端上设计人机交互模块来实现，具体功能包括：语音对话、语音播报、语音控制。护理部分功能是满足老年人行动不便等状况，提供相应的基础护理，通过在助老终端上设计运动控制模块来实现，具体功能包括：控制助老终端的移动、避障。

数据监测系统负责监测老年人的居住室内环境状态和老年人身体健康状态以及采集室外定位数据。室内环境状态监测部分负责实时反馈室内危险数据，主要解决老人独自在家时是否有危险而老年人不能及时感知问题，为此设计室内环境监测控制器负责采集室内温度、湿度、烟雾、火焰数据。身体健康状态监测部分负责实时反馈老年人生命体征，保障生命健康安全，主要监测体温、血压、心率数据。另外，为便于了解老年人动向，还需要提供实时定位功能。监测所得数据将实时上传云端供社区管理服务人员、老年人及家属处理及查看。一旦有紧急情况，系统多方警报，产生联动，保护老年人的生命安全。

2.2 结构设计

根据上节中对智能终端系统的功能分析，为满足系统需求。将系统平台布局如下：体征监测和实时定位，需要由老年人随身携带设备实现，因此需设计一款智能手环。只要携带手环，老年人的体征信息和定位信息便可实时采集实时上传云端。助老终端系统针对居家设计，因此采用智能机器人形式。智能机器人需要承载：运动控制、人机交互、室内监测三个功能。平台的具体结构如图2 所示。

3 助老终端系统

3.1 系统结构

助老终端系统硬件平台按照人机交互系统和运动控制系统的功能划分，可围绕主控器为核心，人机交互系统共分为语音识别模块、语音合成模块和MP3 模块。运动控制系统分为：传感器模块和电机模块。人机交互系统主控器采用Arduino 控制器，主控芯片为ATmega328P， 用IIC 总线分别与语音识别模块，语音合成模块，MP3 模块三个模块相连。运动控制系统，采用同一主控器，传感器模块通过IO 与主控器相连，通过L298N 电机驱动模块与直流电机对接。硬件构成如图3 所示。

3.2 人机交互

3.2.1 硬件搭建

（1）主控器。采用Arduino 公司的 UNO 板作为主控制器，主控板如图4 所示。核心芯片为ATmega328P，为高性能低功耗AVR 8 位微控制器，闪存容量32KB、EEPROM 存储器容量1KB，时钟频率20MHz，接口类型IIC, SPI, USART。

（2）语音识别模块。模块使用LD3320 芯片，是基于非特定人语音识别技术的语音识别/声控芯片。内部预留了高性能的数模和模数转换接口，在安静的环境下，可识别语音的最大距离为3 米左右，提供触发识别和循环识别两种模式。模块也采用IIC 通信，波特率为9600bps。模块实物如图5 所示。

（3）语音合成模块。语音合成模块，用于实现语音播报和语音对话功能，模块内部集成自带音效，语速和语调可调，可实现中英文混读。模块通过IIC 与Arduino 实现通讯，串口波特率为9600bps。接口为：模块SDA 引脚接到开发板A4 口，SCL 引脚接到开发板A5 口，VS 和GND 分别与开发板的VCC 和GND 相连。模块实物如图6 所示。

（4）MP3 模块。该模块实现终端上音乐和戏曲等音频的播放。模块支持MP3、WAV 等格式的音频文件。使用时先将歌曲导入至TF 卡。模块接线方式与语音合成模块及语音识别模块相同。用IIC与Arduino 通信，串口波特率9600bps，额定工作电压为5V，模块实物如图7 所示。

3.2.2 软件设计

采用Arduino IDE 开发环境，其软件主要由setup()函数，loop()函数及自定义函数构成。其中自定义函数包括语音控制模块、语音播报模块、MP3 模块的初始化函数及其功能函数以及串口数据发送函数。图8 为该系统软件结构主流程图。

3.3 运动控制

3.3.1 硬件搭建

3.3.1.1 传感器模块

（1）红外传感器模块。红外传感器模块由一对红外线发射与接收管、电位器及比较器电路等构成，实物图如图9 所示。模块与主控器其接口为：系统使用两个红外传感器，而OUT 口为数字输出接口，所以这两个传感器OUT 口与主控板的引脚连接情况。OUT1-PIN13，OUT2-PIN12。

（2）超声波传感器模块。HC-SR04 超声波测距模块测距精度较高，且相对稳定。额定工作电压为5V，电流为15mA，频率为40Hz，最远射程为4m，最近检测距离为2cm。实物图如图10 所示。模块与主控板的接口对应为：TRIG—PIN8，ECHO—PIN9。

（3）碰撞传感器模块。碰撞传感器为基于滚轮式轻触数字开关，模块通过按压滚轮触点来控制开关的导通或断开产生开关量，将开关状态通过IO 引脚输出，模块实物图如图11 所示。

3.3.1.2 电机模块

L298N 模块是电机驱动模块。可外接控制两个直流电机，需要12V 的驱动电压。模块实物如图12 所示。模块有4 个IO 口，2个对应A 马达输出口，另外两个对应B 马达输出口。对应电机状态分别为：停止、制动、正转、反转、制动。模块与主控板的接口连接为：12V 输入-电池盒电源线正级，GND-电池盒电源线负极/开发板GND，马达A 输出-左电机，马达B 输出-右电机，IO1-PIN7，IO2 -PIN6，IO3-PIN5，IO4-PIN4。

3.3.2 软件设计

运动控制部分采用Arduino IDE 开发，除setup 函数与loop 函数，自定义函数主要包括电机前进、后退、左转、右转函数及红外避障函数、超声波距离、碰撞传感器检测函数。主流程的软件流程图如图13 所示。

4 数据监测系统

4.1 系统结构

该系统分为三个模块，室内监测、体征监测和实时定位。系统结构如图14 所示。

4.2 室内监测

4.2.1 烟雾传感器模块

采用MQ2 烟雾传感器模块，该模块包含一个比较输出和模拟输出，此处采用比较输出作为开关量用于烟雾报警。与主控板接口设计为：数据线与主控板PA1 相连。实物如图15 所示。

4.2.2 温湿度传感器模块

图4：主控器核心板

图6：语音合成模块

图7：MP3 模块

图8：人机交互系统流程图

用于测量室内的温湿度，响应时间较快、可靠性较高、稳定性较强。模块有三个引脚：VCC、DATA 以及GND。与主控板的接口设计为： VCC 连接主控板VOUT2 区域中的5V 位置，GND也连接在该区域内的GND 部分，传感器DATA 引脚连接主控板的PA5 相连，进行AD 转换。实物如图16 所示。

图11：碰撞传感器实物图

图12：L298N 电机驱动模块

图13：运动控制系统流程图

4.2.3 火焰传感器模块

火焰传感器KY-026 专门用于检查火源，利用红外对火焰非常敏感的特性，将火焰的亮度转换为高低电平信号。火焰传感器KY-026 与主控板的接口设计为：传感器 VCC 和GND 引脚连接到主控板VOUT2 区域对应的VCC 跟GND。AO 与主控板的PA6 相连，PA6 为AD 口将模拟量转换成相应的数字量并输出。实物如图17所示。

图14：数据监测系统结构图

图15：MQ2 模块

图16：DHT11 模块

图17：火焰传感器模块

图18：血压模块

图19：心率血氧模块

图20：体温监测模块

图21：定位模块

4.3 体征监测

4.3.1 血压检测模块

血压监测模块测量准确度达到欧姆龙血压计标准，由袖套、血压计模块、气泵、电磁阀、泄气阀、导气管组成。核心部分为MPS3117 压力传感器，通过IIC 总线与主控板进行数据传输。实物如图18 所示。

4.3.2 心率血氧模块

实现本部分功能的模块为MAX30102 模块，该模块由脉搏血氧仪以及心率监测仪两部分组成。将手指或手腕贴近LED 处，便可采集到心率和血氧数据。待机模式电流几乎为零，安全可靠。实物图如图19 所示。

图22：主函数流程图

图23：终端系统实物图

图24：室内环境监测系统展示

4.3.3 体温检测模块

MAX30205 温度传感器能够精确测量温度，采用高分辨率模数转换器，提供关机输出、报警、中断等功能。该模块有三个地址选择行，总共有32 个可用地址。采用IIC 总线形式与主控板连接。实物如图20 所示。

4.4 定位模块

采用ATK1218-BD 模块为GPS 北斗双模定位模块，核心芯片是S1213。模块定位精度可以达到2.5mCEP，通过串口与主控板连接，串口波特率115200bps。实物如图21 所示。

4.5 程序设计

图22 是数据监测系统的主流程图。首先采集各传感器数据以及GPS 的位置信息，并进行显示。通过判断是否超出阈值，决定是否警报。

5 测试与总结

5.1 助老终端系统测试

终端系统整体完成后如图23 所示。

人机交互系统：设计语音测试用例测试后。安静环境下准确率可达96%。

运动系统功能：终端常规动作，前行、后退、左转、右转。顺利实现；传感器工作状态正常，避障部分采用PWM 调速进行避障调整可顺利绕开障碍物。

5.2 数据监测系统测试

监测系统实物如图24 所示。

根据传感器指示灯和所采集数据，室内环境和体征监测已经定位部分功能完成。

5.3 测试总结

测试结果显示，智能终端系统各基本功能已实现，后续可扩展睡眠监测等相关功能，并进而对系统进行细节处理，使系统更完善更人性化。