基于树莓派的独居老人健康监护系统

屈硕 邱力军 张秦伟

摘要：近几年，随着我国经济社会发展和人民生活水平的日益提高，人口老龄化的趋势日益增长明显。第四次中国城乡老年人生活状况抽样调查显示，我国“空巢老人”人数已突破1亿。老龄化、少子化、经济发展带来的工作流动，让老人们独居成了普遍状态。独居老人是特殊的老年群体，他们缺少亲人的陪伴，一旦发生意外很容易出现救助不及时的情况。鉴于上述原因，独居老人的平安居家养老问题已经成为社会需要解决的问题之一。文章提出了一种基于树莓派软件平台来监护老人健康的系统，实现了对独居老人远程实时的健康监护。系统通过接收传感器节点采集到老人的血压信息、血氧信息和体表温度信息，通过对数据的解析给出老人健康质量报告。如果发生老人摔倒等突发事件，系统会自动发送设置好的短信和邮件通知其紧急联系人。

关键词：独居老人；树莓派；健康监护

中图分类号：TP274  文献标志码：A

0 引言

随着人口增长放缓与人口老龄化的进程加快，我国老年人口比例越来越大，尤其是大城市的老龄化趋势越来越明显［1］。伴随着第一批独生子女的父母逐渐步入老年，独生子女也已进入中年。他们面临着4个老人的赡养与1个孩子的抚养，家庭负担越来越重［2］。在如今快节奏的生活方式下，子女或其他家人的生活习惯、作息时间跟老人之间有很大不同，这也使得更多的老年人成为独居老人［3］，面临着居家养老的许多生活不便或者困难，甚至是安全风险隐患。为化解独居老人的居家养老安全风险，更好地满足基本养老服务需求，使用智能系统实现对独居老人的实时动态健康监测显得尤为重要。

1 系统设计

1.1 系统总体框架

该系统选用树莓派4代B作为开发主板。树莓派4B是一种基于ARM的微型便携电脑主板，可搭载Linux系统，并且在处理器速度上与树莓派2/3B相比有明显提升。除了具备计算机的基本功能外，该主板还配备GPIO接口。通过GPIO接口可以外接体温传感器、心率血氧传感器以及药品压力传感器等外围设备，采集老人体温、心率、血压、药品重量等数据，并将采集的数据存储在SQLite数据库中［4］。为了实时监测老人的居家情况，该系统使用外接摄像头将目标检测视频传输至Web服务器，用户可以利用手机、电脑、平板等设备通过网络连接到Web服务器上进行查看。该树莓派4代B平台集Web服务器、数据库、控制系统于一体，形成B/S工作模式，灵活小巧便于用户远程监控。系统总体框架流程如图1所示。

1.2 硬件设计

本系统是通过通信技术将控制设备、体温传感器、心率血压传感器、红外感应传感器、压力传感器、摄像头舵机台等连接在一起，具有以下多种功能作用。

1.2.1 树莓派控制模块

选取树莓派4B作为本次系统控制器，使用SD卡作为“硬盘”具有移动便携性。树莓派通过自身GPIO引脚连接各项传感器，能够有效地将各项传感器监测的数据传输到数据库中，并且将数据上传到Web服务器，使监护人能够实时关注老人的各项体征指标。本次设计采用Linux操作系统，搭载OPENCV环境完成目标检测功能，实时传输目标监控到监护人移动终端和OneNET平台。

1.2.2 体温检测模块

体温检测模块使用红外测温，主要应用于红外测温仪、测温门系统、人脸识别一体机等。通过体温检测器内部的光学系统，在探测部位转化为电信号，将该信号转化为温度数据返回到树莓派数据库。红外测温器具有高精度、响应快的特点，对于独居老人体温的检测会更加准确快捷。

1.2.3 心率血压检测模块

心率血压检测模块用来检测独居老人每日健康状况，并将数据传输到云端。当老人心率血压出现突发性异常时，会迅速发送短信提醒监护人。模块可分为两部分。一部分为模拟信号采集电路，检测模块通过RED和IR灯发出特定固有波长光，并且采集反射光，经过光电二极管将光信号转化为电信号，最终经过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号。另一部分为数字处理电路，将A/D转换出来的原始数据进行滤波处理后放置于数据缓冲区内，树莓派通过IIC接口读写芯片内部寄存器并读取相应的数据。

1.2.4 红外感应模块

红外感应模块用于每日语音播报，提醒老人在固定时间服药，便于老人感应驱动舵机自动取药的操作。红外感应传感器通过热释电原理进行工作，当感应到老人取药时，药盒自动打开，取走药品后药盒自动关闭。

1.2.5 压力传感检测模块

药盒下方置有薄膜压力传感器，药盒中的药品余量不足时，设定药品压力阈值通过压力检测出药物量多少，并向监护人发送“药量不足，请补充”的短信提示。压力传感器主要工作原理是通过阈值设定在起始阶段，当压力突破一定压力阈值之后，导通电阻有一个限定范围，设定阈值之前FSR相当于一个开关。当超过设定阈值时，FSR的电阻与压力之间就呈现一种连续变化的关系。

1.2.6 舵机云台模块

树莓派4B含有摄像头内置驱动，只需外接一个摄像头和舵机云台的搭建，进行配置组装与树莓派驱动处相连即可。摄像头云台监控含有目标检测和YOLOv5使用，需要进行模型训练，首先通过对实时视频监控数据进行预处理，接着引入领域信息，将其输入YOLOv5网络进行对老人发生突发事件的实时监控检测。

1.3 软件设计

此系统采用Linux作为树莓派的操作系统。在官网上镜像下载Linux系统包，可以迅速搭建Linux系统。本次设计采用的VNC工具是VNC viewer。只需在VNC viewer的登录界面输入树莓派的IP地址，输入树莓派的用户名和密码，便可远程访问树莓派界面进行通信。

本设计主要完成体征监测、提醒服药、目标检测和监控功能，因此在设计时依照功能需求对系统程序进行模块化设计。体征检测和提醒服药程序设计流程如圖2所示。

具體工作如下：当每日设定服药时间到达时，语音播报提醒老人按时服药。若在此时通过传感器信息测得老人的生理参数包括体温、心率、血氧等发生异常，将迅速通过信息提醒监护人老人身体状况。若此时药品重量小于阈值，则通过信息提醒监护人须及时补充药品。该系统在此环节中还设置了一键求救功能，若老人发生紧急意外或突然跌倒无法起身，但具备自主意识时，使用者可以通过一键求救功能，将“我需要帮助”信息发送至监护人移动端。目标检测功能程序如图3所示。

树莓派联入网络后可以将每日检测到的老人体温、心率、血氧等数据上传至OneNET云端，监护人可随时通过手机移动端进行查看。移动端通过访问树莓派实时目标监控画面进行实时监控。云端服务器流程如图4所示。

2 软硬件调试

2.1 系统测试

本系统主要由树莓派平台及其外围模块（薄膜压力传感器、舵机云台摄像头）组成。其中，树莓派为中心控制器，进行网络信息的传输和对各外围模块采集到信息的处理。各外围模块分别进行下述各类信息的收集：体温传感器检测老人实时体温；心率血压传感器检测老人心率血氧情况；红外感应传感器用来感应药盒开关；舵机云台摄像头模块进行实时目标监测等。

2.2 功能实测分析

在体温心率检测中，温度区间设置为36～37.5 ℃，经测试超出设置温度区间时报警信息发送到手机端。当老人心率血压超过医学参考范围，数据被传送到OneNET，并且将信息发送到监护人手机端。语音播报将在规定的时间段内提醒老人进行药物服药，若药盒的压力传感器检测到药品重量小于设定阈值，通过手机端提醒监护人“药量不足，请补充”。目标检测监控实现了对老人的动态监测，发生  突发事件便于及时的处理。提前进行算法模型训练，主要通过先对实时视频监控数据进行预处理，接着引入领域信息，将其输入YOLOv5网络进行对老人发生突发事件的实时监控检测。将通过各项功能检测到的数据上传到OneNET云端并保存，通过电脑、手机端都可查看。

3 结语

独居老人健康监护系统是提升独居老人幸福感、增加独居老人子女安全感的重要途径，本系统主要将树莓派结合传感器技术和摄像头舵机云台物联网技术运用于老人健康监护。该系统使用多种传感器，实现了对老人健康检测等数据的采集，通过压力传感器对药品量进行实时控制，使用摄像头舵机云台实现目标检测实时监控，所获取的数据具有良好的实时性与准确性。该系统主要运用了各种数据库和Web服务器，便于研究人员调用编写和测试，并使用OneNET云端以及IFTTT App进行监控提示和数据的通信，便于监护人监护。

参考文献

［1］张朕.智慧医养护一体化服务平台分析与设计［D］.武汉：华中科技大学，2020.

［2］周真宇.子女支持对城市空巢老人精神健康的影响［D］.重庆：重庆工商大学，2021.

［3］蒋承钰.高校社区高知空巢老人健康保障服务介入［D］.武汉：华中科技大学，2020.

［4］张自豪.基于可穿戴设备的社区监护系统［D］.南宁：广西师范大学，2021.

（编辑 王雪芬）

Health monitoring system for the elderly living alone based on Raspberry Pi

Qu  Shuo， Qiu  Lijun， Zhang  Qinwei

（Xijing University， Xian 710123， China）

Abstract：  In recent years， with the economic and social development of China and the improvement of peoples living standards， the trend of population aging has become increasingly obvious. According to the fourth sample survey on the living conditions of the elderly in Chinas urban and rural areas， the number of “empty nesters” in China has exceeded 100 million. The aging， childlessness and job mobility brought by economic development have made the elderlya common state for the elderly. As the elderly get older， their physical fitness and physiological functions become weaker， and the risk of disease increases significantly. The elderly living alone are a special group of elderly people who lack the company of their relatives and are prone to untimely assistance in case of accidents. In view of the above reasons， the problem of home-based careservices safely for the elderly living alone has become one of the problems that society needs to solve. This thesis proposes a system based on the Raspberry Pi software platform to monitor the health of the elderly， which realizes the remote real-time health monitoring of the elderly living alone. The system receives the blood pressure information， blood oxygen information and body temperature information of the elderly from the sensor nodes， and gives the health quality report of the elderly by analyzing the data. In case of unexpected events such as falls， the system will automatically send set SMS and email to notify their emergency contacts.

Key words： elderly people living alone; Raspberry pi; health monitoring