基于物联网的智能养老系统

李政林 关磊

摘要：中国正面临人口结构老年化的局面，对于这一现象，本文提出了一种基于物联网的智能养老系统。该系统以养老手环为载体，GSM通信为核心，搭配终端App以及社区服务平台，组成一套完善的智能养老系统。养老手环主要包括跌倒检测、心率监测、体温监测、GPS定位等。老人摔倒或心率异常，手環则自动拨打求救电话并发送求救信息给子女和社区。子女和社区也可在用户终端App和服务平台上随时查看老人的情况。

关键词：物联网;智能养老;跌倒检测;心率监测;养老手环

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）09-0141-03

伴随青壮年劳力外出流动，农村出现空巢社会与空巢家庭，家庭养老演变为自力养老[1]，农村老年人变成了空巢老人[2]。随着健康医疗与便携式智能穿戴设备地快速发展，空巢老人的生活状态和身体状态能通过这些媒介被子女和社区工作者知晓，因此能实时掌握老人的情况并及时迅速的作出反应。由于老人对智能操作系统的学习与接受能力较弱，本文提出的基于物联网[3]的智能养老系统是以GSM通信技术为依托，简化手环的操作界面与步骤，通过GPRS无线上传数据，在子女客户终端和社区服务平台终端显示，子女和社区可全程监护老人的生活状态。如果系统GPS定位[4]检测到老人已经走出系统设置的电子围栏则判定老人有走失风险，手环会启动防走失模式并自动发送求助短信和定位信息。

1 整体设计方案

系统结构如图1所示，它包含老人端的智能手环应用、子女端的App应用、社区端的服务平台三部分。采用嵌入式硬件设计手环通过服务器进行数据实时上传，App端和社区服务端对数据进行接收和处理。系统如果检测到老人摔倒或心率异常以及主动求助等信息，则自动发送求助短信和定位信息并拨打报警电话。

手环还内置了NFC标签[5]，如果老人走失，周围的群众可通过具有NFC功能的手机对手环进行识别，以便了解老人的基本情况以及子女联系方式等，及时联系相关人员，尽快找到老人所在位置，保护老人的安全。

2 系统硬件设计

本系统中智能手环主要包括以下模块，心率监测[6-7]模块、体温监测模块、跌倒检测[8]模块、ARM v7处理器模块、报警模块。系统的硬件设计如图2所示。

2.1 主控模块

该手环主控模块采用MTK的MT2503嵌入式处理器，2503是基于ARMv7的物联网芯片平台，支持高精度全球卫星导航系统（GNSS）和2G基带，且GPS定位精准度高。芯片片内带有通用IO口、UART接口、SPI接口、I2C接口、USB接口等。

2.2 心率监测

心率监测选用的是光电反射式心率传感器[9]PAH80 11ET，该芯片功耗低性能高，封装集成2个绿光LED和一个红外LED。它带有2个通信接口，即支持高达1Mbit/s的I2C接口和高达10Mbit/s的四线SPI接口。当检测到手环佩戴者的心率出现异常时，手环会发送求救信息给子女和社区，社区会及时查看处理，以防止意外发生。

2.3 体温监测

体温监测选用临床级温度传感器MAX30205，其可高精度测量温度，提供过热报警/中断/关断输出，通过I2C兼容2线串行接口进行通信。通过疫情大家都意识到体温监测的重要性，养老手环加入了体温监测模块能极大地方便老人在生活中随时掌握自己的身体状态。当手环检测到老人的体温超过常规值时将信息发送到子女的App上，让子女掌握老人的身体情况。

2.4 跌倒检测

跌倒检测选择三轴加速度传感器ADXL345[10]，它可以测量倾斜感应应用中的静态重力加速度，以及由于运动或冲击而产生的动态加速度。其高分辨率（3.9mg/LSB）可以测量小于1.0°的倾斜度变化，测量精度高。支持SPI（3线或4线）或I2C接口。手环应用加速度传感器主要用来检测老人是否摔倒、摔倒后一段时间内是否站起来的情况。摔倒后及时发送求救信息给子女和社区，并轮拨子女电话，子女能快速响应。

2.5 报警系统

手环设置的报警系统由OLED屏、扁平式马达、喇叭组成。当手环检测到老人摔倒未爬起或心率出现异常，则启动报警系统，屏幕上显示老人紧急求助信息、马达震动、发出警报声。同时通过GPRS发送定位信息和报警信息给社区服务平台及子女App终端，并自动拨打求救电话。

3 系统软件设计

MT2503开发平台用C语言进行编译，通过传感器采集手环佩戴者的各项数据，并上传到服务器。手环不直接与终端App和社区服务平台通信，而是通过中间服务器进行数据的上传下发。每一台移动通信设备包括手环都具有唯一地IMEI识别号，因此服务器能通过这唯一的识别号与手环和终端进行通信连接，且不会出错。

系统软件开机后，首先进行程序初始化;查询GSM和GPRS网络是否注册成功，成功后即可建立手环与服务器的连接;进行数据的传输和信息处理，从服务器上读取时间并设置心跳参数，获取传感器测量数据;发送心跳包、心率数据、位置信息等数据给服务器;终端设备从服务器端获取手环数据，更新终端交互界面。系统软件流程如图3所示。

4 手机终端App设计

考虑到老年人对智能手机的使用程度较低，拥有人数较少，手机终端App不能满足手环佩戴者的使用，主要是为老人的监护人、子女设计使用。App绑定手环后可以查看到手环佩戴者的详细定位、心率、体温等数据，及时掌握老人的身体情况和位置。遇到突发情况时，手环会向服务器发出报警消息，服务器会传输数据到对应的App上，App及时反馈以便子女能快速作出反应。老人也可以通过手环发送语音消息在子女的App聊天群内，让老人的消息可同时被多个子女看见，解决有些老人不会使用智能手机但想和子女群聊的困境。

5 社区服务平台设计与测试

社区服务平台可以与多台养老手环绑定，通过中间服务器进行数据的传输，平台可以查看每位老人的手环数据，掌握他们的基本情况，减少社区养老服务工作者的工作压力。当老年人遇到突發情况或走失时，社区能快速地定位老人，第一时间给老人提供医疗服务和援助。社区服务电话与每个手环进行绑定，手环上有一个按键按下直接拨打社区服务电话，缩小老人与社区工作者之间的距离，让老人的问题及时得到解决。

智能养老系统能对老年人的日常行为作精准的监测。当手环佩戴者正常行走、运动时，系统不报警;当手环佩戴者跌倒、心率异常时，系统迅速发出紧急求助信息并上报定位。为测验系统监测的准确性，选取5位男性模拟老人运动状态进行四组实验，实验都是模拟正常生活作息状态，包括走路，跑步，坐下等运动。实验一：做负重运动，监控心率数据;实验二：运动过程中监控体温数据;实验三：正常运动时突然跌倒可以起立，监控跌倒判断;实验四：正常运动时突然跌倒不能起立，监控跌倒判断。五人进行同样的实验，每组实验进行20次。实验结果如表1所示，该系统能够较准确地测量人体在正常生活运动中的心率、体温，以及能正确的判断人体的运动状态。但由于生病发烧、心率异常是特殊情况，本次实验并没有进行验证。总而言之，本系统能正确识别人体运动状态，检测人体各项身体指标，准确发出报警求助信息，实现了预设的系统功能。

6 结语

人口老龄化是我国发展过程中不可避免的一个现象，空巢老人的增多也加大了家庭和政府对于养老服务的难度。本文利用智能可穿戴设备与养老服务相结合，提出的智能养老系统是顺应时代的潮流，也是社会需求的产物。子女不在身边照顾时，社区也可以承担起守护老人安全的责任，在老人出现意外时及时救助，避免悲剧的发生。目前本系统养老手环设计已经完成，后期将继续进行App和社区服务平台的设计，实现智能养老。

参考文献

[1] 陆益龙.后乡土中国的自力养老及其限度：皖东T村经验引发的思考[J].南京农业大学学报（社会科学版），2017，17（1）：11-19+144.

[2] 何颖，黄艳，王腾，等.社区独居老人智能监控系统的手环设计[J].数字技术与应用，2019，37（10）：163-164+166.

[3] 肖虹.物联网技术在空巢老人健康服务中的应用监测平台的设计[J].工业设计，2016（1）：92-93.

[4] 刘勃，王明伟，常立博.老年人运动状态监测和跌倒报警系统[J].计算机与现代化，2020（5）：101-105.

[5] Assa Abloy AB;Patent Issued for Method，System And Device For Generating，Storing，Using，And Validating NFC Tags And Data （USPTO 10，652，233）[J].Journal of Engineering，2020（03）：212-215.

[6] Marin，N.Goga and A.Doncescu，”[WiP]Sentiment Analysis Electronic Healthcare System Based on Heart Rate Monitoring Smart Bracelet，”2018 IEEE 11th Conference on Service-Oriented Computing and Applications （SOCA），Paris，2018：99-104.

[7] Ningning Xiao，Wei Yu，Xu Han. Wearable heart rate monitoring intelligent sports bracelet based on Internet of things[J].Measurement，2020（01）：164-168.

[8] 刘树栋.基于多传感器融合的摔倒监测研究与设计[D].重庆：重庆理工大学，2016.

[9] 张文超.基于社区老人的智能手环设计[J].中国设备工程，2018（4）：120-122.

[10] 蔡心源，梁守志，张声岚，等.老人智能监测系统的研究与设计[J].大众科技，2017，19（8）：17-23+47.