物联网和超声波传感技术相融合的独居老人监护系统研究

曹 晋，田宏伟，朱珊珊

（苏州大学应用技术学院，江苏苏州 215300）

引言

2000-2018 年，老年人口占比从10.2%上升到17.9%，提升幅度是世界平均水平的2 倍多。而子女因为工作等因素与老人分隔两地，更没有条件和时间给予老人正常的看护。老人独居常态化，频发的“孤独死”悲剧并不鲜见，养老问题关乎民生，刻不容缓。物联网时代的到来，传统养老模式得到了全面转型。目前，针对独居老人问题提出的解决方法大致可以分为三类：跌倒监测[1-3]；生命体征数据监测，如血压、心率、睡眠时间和质量等[4-5]；环境监测, 如厨房中的一氧化碳气体、温湿度、火焰指数等[6]。尤其是针对老人跌倒的研究越来越受到学者的偏爱。米晓萍等人提出了一种物联网框架下的人工智能独居老年人自动看护方法[1]，针对独居老人行为存在的较大突发性和随机性问题，对摄像头捕捉到的图片引入混沌粒子群算法，对摔倒行为寻优识别，降低误识别率。黄一明等人设计了一款基于语音交互与人体姿态识别技术的智能陪护系统[2]，一方面，利用语音交互，获取新闻、天气、音乐等信息，另一方面，利用混合高斯背景模型对采集到的视频图像中的目标提取，判断老人是否摔倒。石栋等人集成MEMS 传感器，引入支持向量机算法，将空间的加速度或角速度变化集合为矢量值从而判断老人是否跌倒[3]。

多数跌倒检测都需要借助摄像头，而浴室是不适合安装摄像头但却跌倒频发的场所，摄像头等画面捕捉设备的存在，使老人生活毫无隐私。出于隐私性和安全性的考虑，提出一种物联网和超声波传感技术相融合的独居老人监护系统。

1 总体方案设计

监护系统整体结构见图1，该系统分为感知层、网络层、控制层和应用层。感知层主要通过超声波流量传感器监测独居老人用水数据，并通过网络层中的TCP/IP 通信协议传输至控制层，控制层中的NLECloud 平台作为整个系统的大脑，对感知层的数据进行计算与存储，分析计算的结果将会通过应用层的监控预警模块发送给监护人，若发生异常，便会立即通知警卫处和老人亲属。

图1 独居老人监护系统整体结构

2 系统硬件设计

监护系统主要由数据采集装置、打卡/求救装置、数据存储装置和数据接收终端组成。系统原理图见图2。

图2 独居老人监护系统原理

2.1 超声波流量计

本系统设计了一种基于MSP430F5438 单片机和TDC-GP22 高精度时间测量芯片的超声波流量计，结合nFR24L01 射频芯片进行无线传输，实现水量的采集、处理、传输与显示。超声波流量计硬件设计框图见图3。主控单元MSP430 采用SPI 方式与TDC-GP22进行通讯，通过按键中断控制TDC-GP22 产生的脉冲个数，采用时差法计算流量，实现流量数据的存储与显示，最终的测量结果通过nFR24L01 无线射频模块发送至上位机。

图3 超声波流量计硬件设计框图

2.2 nFR24L01 无线收发模块

数据无线传输电路的核心元器件是nFR24L01 射频芯片，该芯片是一款具有极低功耗模式的无线收发器芯片，其外围元器件极少，大大降低了系统设计的复杂度。普遍应用于无线门禁、工业传感器、无线数据传输系统中[7]。nFR24L01 无线收发模块与主控单元通过SPI 进行双向通信，nFR24L01 引脚与功能说明如下：

CE——与PWR_UP 和PRIM_RX 两个信号共同组合为不同的高低电平组合，使nRF24L01 分别处于发射模式、接收模式、待机模式以及掉电模式。PWR_UP=1，PRIM_RX=0，CE=1 为 发 送 模 式 ，PWR_UP=1，PRIM_RX=1，CE=1 为接收模式；

CSN——SPI 使能信号；

SCK——SPI 时钟信号；

MOSI——SPI 数据主出从入；

MISO——SPI 数据主入从出；

IRQ——中断标志位。

3 系统软件设计

3.1 流量测量

超声波流量计的测量部分是该设计的核心。流量测量软件设计流程图见图4。首先对硬件进行初始化，包括UCS 晶振、显示设备LCD、存储设备Flash、按键和无线射频设备nFR24L01，接着设置TDC-GP22的寄存器及初始化参数，在测试循环中，需要设置低功耗模式，判断按键中断标志位，流量数据处理，测试数据最终显示在LCD。

图4 流量测量软件设计流程

3.2 nFR24L01 无线接收/发送

nFR24L01 无线模块分为发送与接收两部分。当需要发送数据时，首先将引脚CE 置为低电平，使nFR24L01 进入待机模式，写入接收地址和有效地址，当PRIM_UP 和CE 引脚为高电平，PRIM_RX为低电平时，发送数据，数据发送完成后，立即进入接收模式，若在设置时间内收到应答信号，则数据发送成功，否则，将再次重发数据，若依然发送超时，则进入中断处理。当需要接收数据时，首先将引脚CE 置为低电平，使nFR24L01 进入待机模式，当PRIM_UP、PRIM_RX 和CE 引脚均为高电平时，接收数据，检测空中信号，若接收到有效数据包，发送确认信号，读出数据。上位机通过nFR24L01 接收流量计采集的数据，数据将传输至云端进行再次处理。

4 系统测试与分析

为了验证超声波流量计的精确度，对系统进行了测试。重复性误差和相对示值误差是检测流量计性能的重要指标。重复性误差表明了测试值的分散程度，可以表示为[8]

式中：Ei表示流量计第i 检定点的相对示值误差；n 表示第i 检定点的检定次数；qij表示第i 检定点第j 次的实测流量值；qs表示第i 检定点的标准流量值，最终流量计的相对误差示值误差取Ei的最大值，即

下面选取管段公称直径为20 mm 的管道进行测试，选取的检测流量点分别为：0.2 m3/h、0.5 m3/h、1 m3/h，1.25 m3/h 和1.5 m3/h，每个检定点测三组数据，计算重复性误差和相对示值误差。实验结果和测试结果见表1。

表1 不同检定点的测量结果

由表1 可知，该流量计的示值误差为±0.283，重复性误差最大值为0.193，达到了1.0级表的等级要求。因此，该流量计可以用于普通管道的流量测量。

5 结论

本研究设计了一种物联网和超声波传感技术相融合的针对独居老人的监护系统装置，该系统主要由超声波流量传感器、 打卡 / 求救装置和NLECloud 物联网开放平台构成。通过对用水量的实时监测判断异常用水情况，自动发出异常信号。通过实验评估了系统的正确性和有效性。实验结果证明，监护人可以通过手机微信小程序或NLECloud 物联网开放平台查看被监护人的日常用水量并分析生活规律，同时能够通过打卡/求救按钮进行询问应答。该系统装置在充分保障了老人隐私的同时，兼顾了成本低、功耗低、工作稳定、无需任何佩戴设备等优点，从而为独居老人的监护提供安全保障。