一种独居老人家庭监护系统的设计

徐启明，杨伟新

（西北民族大学，甘肃 兰州 730030）

21世纪以来，我国的人口老龄化问题日益严重。根据国老龄委员会办公室的数据显示，在未来一段时间里，中国每年都会增加1 000万左右的老年人，预计至21世纪中叶，老年人口比例将占全国人口的1/3左右。

1 独居老人家庭监护系统功能

该独居老人家庭监护系统可以测量家庭环境参数，如温度、湿度、甲烷浓度等，还可以测量脉搏、心率、血压、体温等人体参数，并在上位机实时显示，火灾报警器、门窗报警器等的状态也可以在上位机显示出来。如果环境数据异常（如超标），老人身体参数异常（如出现心脏病、高血压、低血糖、发高烧等症状），或者报警器有动作，则单片机通过SIM800模块给用户手机发手机短信，及时通知异常情况，以便用户及时处理[1]。

树莓派可以通过连接WiFi无线网络或者通过TCP/IP协议有线传输，建立摄像头与树莓派间的通信，连接于同一网段（路由器）的计算机就可以登录网站或者客户端查看实时监控视频。对于子女来说，就可以24 h全天候地远程查看独居老人的生活状态。系统设计流程如图1所示。

2 硬件设计

2.1 传感器模块

（1）温湿度传感器。SHT30传感器是一种新型的温湿度测量传感器，成本低廉，性能可靠，额定工作电压为5 V，采用IIC协议采集信号，体积小，成本低，测量精度高。SHT30温湿度传感器4线接线，封装形式多种多样[2]。

（2）甲烷浓度传感器。是一种特定的气敏元件，当暴露在甲烷气体的环境中时，其电导率随甲烷浓度的变化而变化。该传感器使用16位的AD转换器，将模拟量转换为数字量，转换精度、灵敏度都较高。

（3）火焰传感器。可以检测火源，及时发现火灾情况并报警。当改变火焰传感器的电路阻值时，传感器对火焰的灵敏度也会发生变化。在电路中有专门的阈值电路，当传感器检测值超过设定的阈值时，输出电路接通，输出高电平；当传感器检测值低于设定阈值时，输出电路截断，输出低电平。通过输出电平的高低，就可以判断是否有火灾的发生。

（4）门窗薄膜压力传感器。它是一种轻而薄、测量精度高的电阻式压力传感器。将施加在膜区上的压力转换成阻值的变化，从而获得压力信息。压力越大，阻力越小，被允许应用于高达10 kg的场合，可用于检测门、窗的薄膜压力以及仿生机器人的地面感知。

（5）心率脉搏传感器。脉搏血氧仪和心率监测生物传感器共同组成心率脉搏传感器，采用标准的I2C兼容通信接口，具有两个电源：低压电源和内部单独的标准5 V电源。可以进行心率和血氧的采集，戴在手指、耳垂和手腕上，通过软件控制模块的开关，在休眠模式下电流为零，但电源保持随时供电的状态。

图1 系统设计流程

（6）血压测量传感器。使用电容式血压传感器，利用气压转换为电压值实现测量。通过鼓风电机控制充气袋，电磁阀门控制放气。采用可充气绑带测量手臂血压，从充气到放气完成高压和低压以及脉搏周跳的测量。采用6 V电源供电，安全、可靠，使用方便[3]。

2.2 短信通信模块

短信通信模块采用了工业级GSM/GPRS模块，性能高，可以拨打电话、发送短信，拥有通用无线分组业务数据传输功能，支持透明传输模式和域名解析，并有双音多频解码识别对方密钥，电路设计上采用开关电源，用户识别卡采用目前主流的微卡座，结构紧凑，小巧耐用。

2.3 串口触摸屏

串口触摸屏是一种可触摸的显示器，通过串行命令进行控制。将设备与底层功能封装后，通过RS-232串口与用户的微机处理器进行交互。用户微机可以随时向设备发送命令，通过串口进行各种操作；在页面上的组件被触摸或设备当前进入页面的任何时候，通过串口通知微机操作员。

2.4 主控模块

（1）STM32F103单片机，是ARM公司开发的成本低廉、性能较好、功耗较低的单片机系统，拥有M3的内核。监控系统通过STM32F103单片机维持的运转和数据收发及处理。按照不同客户的需求，STM32F103单片机又分为两种：时钟频率为72 MHz的高性能产品、直接从Flash RAM中执行程序的产品。STM32系列产品性价比高，可操作性好。

（2）树莓派，是一台微型电脑，操作系统为Linux，支持很多驱动，不用手写，有集成的驱动API，C，Python等。树莓派只有信用卡大小，看其外表“娇小”，内“芯”却很强大，视频、音频等功能通通皆有，通过有线网络通信协议或无线网络通信协议，可以使摄像头与树莓派进行通信，实现实时采集视频，在同一网段的用户可以通过网页或客户端随时查看实时视频。

3 软件设计

3.1 独居老人家庭环境参数采集的设计

先通过各传感器对家庭环境的温度、湿度、甲烷浓度等进行模拟信号的采集，再通过STM32单片机的ADC通道将所采集的数据从模拟量转换为数字量。同时，对采集的数字量进行数据分析和公式转换，将所得的数字量转化为相应的数值，不仅可以更直观地查看数据，而且对软件设计相应数据的阈值而言更加便捷。

3.2 报警器阈值信号采集的设计

各类报警器通过与STM32单片机进行数据通信，采集的数值正常情况下会在一定的数值范围内上下波动，但波动范围不大。通过软件程序编写，可以将波动数值范围的最大值定为阈值，如果超过阈值，说明采集的环境数据超过正常值，存在异常，相应报警器将报警。

3.3 独居老人身体参数采集的设计

数据采集和传输的过程中，各种人体参数传感器通过串口或者IIC协议与STM32单片机进行通信，需要遵循相应的协议规定，将采集到的数据进行CPU处理、数值分析和公式计算，得到线性采集数据，并转化为相应参量，从而获得人体各项参数指标的直观数值量。通过对人体参数检测所得的数值进行进一步的处理，可以判断老年人的身体健康状态。

4 测试效果

独居老人家庭防护监控系统包括：家庭环境数据采集处理、老人身体参数指标监测、视频监控以及安防报警联动。通过嵌入式系统采集家庭环境数据，可以实时了解市内的状况，在各传感器的安装区域可以实现安全监测，预防监控各种非法入侵、燃气泄漏、火灾报警等。同时，心率脉搏、血压等传感器可以对老人的各项身体指标进行实时、有效的监测，当老人身体出现异常情况时，支持远程给用户手机发送短信。通过单片机和软硬件的设计，可以实现报警联动功能，面对独居老人的各种突发事件，此系统可以远程协助处理。

5 结语

该系统有很好的发展前景，其目标是实现老年人更高的生活质量和水平，尤其是对独居老人等特殊群体，同时，对老年人的身体健康保护和对各种老年疾病的预防有极大的成效。该系统可以使用PC、平板或移动电话作为终端，来实现对老年人的远程监控和保护报警，以确保监护人及时发觉异常情况，使独居老人在最短时间内得到最有效的帮助和救护。