基于云平台的居家老人安全信息采集系统

王梦真，余亚东

（绍兴文理学院数理信息学院，浙江绍兴，312000）

0 引言

在新时代的大背景下，我国社会经济发展稳定，也使我国迅速进入老龄化社会，有关研究表明，早在2000年我国已经步入人口老龄化时期，截至2017年，全国60岁以上老人多达2.4亿，占总人口比重高达17.3%，预计在2050年我国将成为人口老龄化最为严重的国家之一[1]。

老年人由于行动迟缓、记忆力减退、反应能力下降等因素，导致老人独居时身体出现问题或发生意外时无人发现，会对老人产生不可控的伤害。随着我国人口老龄化进程的加速，保障“空巢老人”的健康安全逐渐被社会重视。

我国科学技术不断的发展创新，云计算与大数据资源逐渐占领了人们的视野，信息数据的有效利用、交换和共享功能被充分利用，“智能化”、“自动化”的生活方式渐渐成为主流，“智慧养老”的概念也开始被大众接受。于是，紧急呼叫机、老年人专用手环等系列产品应运而生[2]。

但经了解发现目前市面上存在的相关产品大多存在功能单一、误差率较高、数据无法上传客户端等不足。因此本文提出一种基于云平台的居家老人安全信息采集系统，以阿里云平台作为中介，可穿戴式传感器作为检测设备，当检测到如脉搏跳动次数过高、烟雾浓度突然升高等异常数据时，传感器会将该数据通过阿里云发送至老人亲属的接收设备（如手机、电脑等），实现对老人健康安全的实时监控。

1 系统总体设计

本系统主要由数据采集端、主控制端、平台中转站和客户接收端四部分构成，数据采集端根据功能又可分为脉搏检测模块、加速度检测模块和烟雾浓度检测模块，是一套可应用于紧急救助服务的智能健康安全监测系统，总体设计如图1所示。其中，数据采集端以STC89C51单片机为核心，利用红外反射式传感器、三轴加速度传感器、MQ-2型烟雾传感器实时检测老人的脉搏数据、加速度数据（即是否发生摔倒情况）和烟雾浓度数据，将检测数据与设定的阈值数据进行对比，将阈值范围外的数据定义为异常数据，通过WIFI模块实现与主控制端的交互，异常数据通过数据中转站上传至阿里云平台，云平台进行数据收发，对于取得授权的用户可以通过个人设备接收到来自云平台的消息，从而实现检测数据与用户之间的信息交互。

图1 总体设计示意图

2 系统实现过程

2.1 硬件设计

硬件方面主控制板和数据采集端组成。其中，数据采集端包括脉搏检测模块、加速度检测模块和烟雾浓度检测模块。

2.1.1 主控制端

主控制板由STM32与有方n720作为核心，实现网络设备交互。使用EMW3080作为WIFI模块，经串口发送的AT指令对模块进行控制。交互过程如图2所示，主控制板通过WIFI模块实现采集终端与主控制板的交互，通过有方n720无线通信模块实现主控制板与云平台间的交互。使各传感器检测的数据（脉搏跳动次数、加速度大小、烟雾浓度大小）通过WIFI模块传输至STM32，与设定阈值进行对比，将异常数据通过有方n720模块传输至云平台，使其能准确及时地传输至接收终端。同时该芯片具有高稳定性，可使本产品实现7*24小时无人值守。

图2 主控制端原理图

2.1.2 数据采集端

不同类型的健康安全指标，本产品分别选用不同的传感器进行数据检测。

对于脉搏检测，采用红外反射式传感器，如图3（a）所示，ST188作为检测元件，以STC89C51单片机作为控制器，将佩戴者的脉搏信息转化成方波信号，方波信号传入并触发单片机进入外部中断函数，实时采集并记录心率脉搏信息[3]。

对于摔倒检测，由于老人在正常行走时加速度较小，而出现摔倒等情况时加速度会突然增大（尤其是z轴加速度），因而使用加速度的数据反映老人运动状态。采用压电式三轴加速度传感器，如图3(b)所示，利用压电效应，当老人走动的振动频率远小于传感器的固有频率时，传感器输出的电压与此时的作用力成正比，从而检测出此时老人运动的加速度。我们设定一个加速度向量幅值SVM用于衡量运动快慢，其定义式如下[4]：

式中，ax、ay、az分别为x、y、z轴的加速度数据。

对于居家用火安全，使用烟雾浓度反映环境状况。以STC89C51单片机为核心，使用MQ-2型烟雾传感器，如图3(c)所示，采集烟雾浓度信息，当传感器与烟雾接触时，传感器材料的晶粒间界处的势垒会因烟雾浓度的变化而变化，从而引起材料表面导电率的变化[5]。

图 3 元件简图

2.2 软件设计

以上三个模块组成感知层采集数据，主控制端作为处理层实现数据比较，再通过阿里云与设备端的交互实现数据传输[6-7]。

创建产品：我们在平台云端创建脉搏传感器、加速度传感器和烟雾传感器三个产品，得到ProductKey，如图4所示。然后创建每个产品的对应设备，得到DeviceName，此时设备状态为未激活。

图4 阿里云产品示意图

配置阿里云：第一步，将设备端与云平台端进行MQTT CONNECT连接，服务器接收由客户端发起CONNECT请求，再其根据连接参数、Client ID、Username、Password等数据对客户端进行验证，并将结果通过CONNACK发回客户端。第二步，新建服务流，在设备收发节点选择我们创建的设备，选择上报类型为事件上报，数据来源为设备触发，设备上报的事件类型可选择烟雾报警与烟雾浓度读数等，最后调试设备部署服务，启动设备[8]。

我们在对应的物理设备上运行一次三元组，上线后设备状态由未激活转变为在线状态，即可开始收发数据。

3 实验测试结果

现场测试时我们将设备置于手腕间，将阈值设定为：脉搏频率60～100次/分钟，加速度2.2米/秒，烟雾浓度5%obs/米（即在经过单位长度后，光被烟雾颗粒遮蔽程度的百分比），使用7个组进行对照实验，最终测试结果如图所示。其中，a表示一切正常、b表示脉搏异常、c表示有摔倒情况发生、d表示有火灾情况发生。√表示接收到相应的报警消息及数据，×表示没有接收到，×√表示与理论结果不符。

表1 测试结果（部分）

4 结语

为了解决当下居家老人的安全问题，本文设计了基于云平台居家老人安全采集系统，系统包含数据采集端、主控制端、平台中转站和客户接收端，可实现脉搏跳动次数、运动加速度和室内烟雾浓度的检测。利用阿里云平台实现数据与用户之间的信息交互，满足了人们的生活需要。根据实际情况对产品进行实验测试，由实验结果可知，当数据超出设定范围时，设备能够接收到求救提示信号和实时数据，说明该设计具有较强的实用价值，可实际推广应用。