独居老人智能监护系统

孙杰 马雪健 龙明翔

摘要：由于当前市面上的独居老人智能监护系统存在功能单一和智能化不足的缺陷，因此，文章设计了一种集远程监控、跌倒检测、定位、报警、血压监测等多功能于一体的智能监护系统。该系统以树莓派为基础，结合人工智能云平台的算法，能够对独居老人和残疾人进行有效的监测和互动。利用面部表情和动作识别算法，可以及时地发现老人疾病、跌倒等危险情况，并进行报警和求助。实验证明，该系统具有成本低廉、功能齐全、操作简便等优点，是一种适合于独居老人的智能监控系统。

关键词：独居老人；智能监护系统；树莓派；智能云平台

中图法分类号：TP277 文献标识码：A

１ 引言

随着时代的发展，物联网技术已与人们的生活融为一体，在日常生活中已出现许多与人们的衣食住行相伴而生的智能设备。同时，智能监护也在人们的生活中发挥不可替代的作用。由于子女工作繁重，老人独居家中的现象日益增多，尤其是患有高危疾病的老人，一次普通的跌倒或疾病发作都有可能造成生命危险。若能及时发现独居老人是否遇到危险，则就能避免不堪设想的后果。因此，许多家庭聘请了专业的监护人员，但也会带来较大的经济压力，于是独居老人智能监护系统也就应运而生。目前，智能监护系统主要以Ｃ５１［１～２］ ，Ｓｔｍ３２［３～４］ 及Ｚｉｇｂｅｅ 为主控芯片［５～６］ ，它虽然具有低能耗的特点，但也存在功能单一、智能化不足等问题，从而导致市场普及率不高。

树莓派是一种基于ＡＲＭ 的微型卡片式计算机，其由于优秀的扩展性和易于开发的特性，逐渐被应用到物联网与智能监护系统中［７～８］ 。本文在智慧居家养老安全监测系统标准化［９］ 的基础上，结合人工智能云平台技术［１０］ ，设计了一种多功能且更人性化的智能监护系统。该系统集监控、报警、定位、监测等功能于一体，便于对独居老人进行智能监护管理，从而提高独居老人的生活质量。

２ 系统结构原理

系统的主要目标是针对独居老人或无行动能力的人在无监护人看管的情况下，在遇到危险后能第一时间被发现或救助。系统流程如下，首先输入特定用户的人脸信息，通过跟踪监测，当老人跌倒后，判断其是否异常并发送特定人员的信息及跌倒画面给监护人。该智能监护系统还能监测温度、血压等数据来判断老人是否处于危险之中。“独居老人智能监护系统”在基于传统的单片机智能监护的基础上结合云平台技术，在用户识别和管理等方面变得更加智能化（如图１ 所示）。

３ 系统模块功能设计与实现

３．１ 电路设计

单片机电路设计图如图２ 所示。

３．２ 硬件设计

３．２．１ 树莓派

树莓派是本系统的核心硬件。目前，基于树莓派的监控应用尚未普及，相关文献内容也较少，其监控视频数据的网络部分实现方式都是通过开源的ＭＪＰＧ?ｓｔｒｅａｍｅｒ 实现，且具备安防功能，利用自己搭建的ＡＰＩ 开发接口系统实现远程网络传输与控制。

树莓派部分有２ 个模块，即Ｓｏｃｋｅｔ 数据接收模块与步进电机控制系统及其安全防护模块、Ｈｔｔｐ 信息服务系统及其安全防护模块。前者主要包括如下功能：树莓派部分Ｓｏｃｋｅｔ 数据接收与步进电机控制模块的信息收到端、用户信息系统管理与安全保护功能、由树莓派部分Ｓｏｃｋｅｔ 数据接收与步进电机控制模块的信息收到端访问功能、由树莓派Ｈｔｔｐ 信息服务提供的信息的读取功能、开发用ＡＰＩ 的信息管理与调配机制，以及安全保护功能、前端系统、系统管理与开发者管理系统、数据存储模块。储存形式又可分为数据库储存和数据库保存，其中数据库储存则主要使用ＭｙＳＱＬ 数据库。

３．２．２ 监测模块

三轴加速度传感器负责监测形体变化，判断是否跌倒，主要利用压阻式、压电式和电容式原理，所形成的加速率正比于阻值、压力和容量之间的变动，并利用适当的扩散和过滤系统加以收集。三轴运动加速度感应器能够实现双轴运动的正负９０°以及双轴运动０～３６０°的倾角，并且通过校正后期准确度要优于传统双轴运动加速度感应器，大于测量角为６０°的情况。

ＭＡＸ３０２０５ 人体温度传感器测量体温，通过网络通信协议上传到智能云平台再发送到终端。

ＭＡＸ３０２０５ 的平均體温感应器能精确测量平均体温并给出超温警告／ 暂停／ 关断输入输出数据信息，还利用高分辨率模数转换器（ＡＤＣ）将平均体温检测数据转化为数值形状，单次和关断模式都可以降低耗电量。

同时，通过Ｉ２Ｃ 的兼容２ 路串行接口实现通信，具有高精度和低电压操作有助于帮助设计人员满足出错和电力预算。单次和关断模式有助于降低用电量，６００ μＡ（典型值）工作供电电流，数字化功能更容易集成到任何系统的特性。

３．２．３ 智能云平台

现阶段的智能云系统已具备用户无处不在、低进入成本、为用户选择应用等优势，表现为可伸缩、集中管理、负载均衡、增加资金利用率等特点。当系统运行时可将硬件设备检测的数据实时传输到智能云平台（阿里云、华为云）之上，通过网络通信协议发送到用户终端，可使监护人实时查看监测数据。

３．３ 系统流程

系统以树莓派为核心主板，包含监控模块、报警模块、云平台、手机终端以及人体温度监测等模块，与各项通信串口协议相结合，以完成系统总体工作，其大致的运行流程如图３ 所示。

４ 系统测试

４．１ 硬件测试

通电前进行硬件测试，按照电路图检查所有的电路，按照电路接线，按照规定的次序逐个检测已配置好的电路，用万用表检查电源的输入阻抗，判断电源是否故障，检测元器件安装情况，使用万用表检测有极性的元器件连接情况。上电后进行硬件测试，通电后观察电路有无异常情况，再进行静动态调试，最后进行总体系统运行测试，查看系统是否正常运行。

４．２ 软件测试

终端实现实时数据的传送，用户可自主登录云平台实时监测或操控并分析各个传感器的数据，首先进行模块化测试，分别对监控、监测、识别、报警模块的数据传输的连续性、传输数据的速度、传输数据的稳定性进行测试，保证数据的丢包率在误差允许范围内，速度能达到要求且能长时期运行。其次进行系统的集成测试，确定函数的输入输出接口，写完函数后，模拟输入变量判断输出内容是否是预期功能。判断函数的地址是否正确，内存有无越界，是否是野指针，输入参数是否合法，输出参数或返回值是否正常。

５ 结束语

研发独居老人智能监护系统的目的在于可以更加方便地利用现代化智能技术来监护独自在家的老人。本系统实现的核心功能包括监护功能、危险报警功能，其他功能包括人体温度监测功能和血压等健康监测的功能。如今，大部分老年人都身患疾病，且大多数在遇到危险（如在家中跌倒）时不能及时报警，从而错过最佳抢救时机。目前，此系统经过持续地研发与测试，能够稳定运行并应用在实际生活中，这将极大地降低监护人的监护压力。在后续过程中，将会结合实际出现的问题对此系统进行优化更新，旨在为老年群体的健康问题作出更大贡献。

参考文献：

［１］ 任鲁涌，王津．基于５１ 单片机的居家环境智能监测系统设计［Ｊ］．集成电路应用，２０２１，３８（１１）：７?９．

［２］ 刘美辰，杜俊良，黄思琪，等．居家养老智能健康监测系统设计［Ｊ］．电子制作，２０２１（１９）：２１?２４．

［３］ 张震，郭晓金，刘煌．居家智慧养老监测系统的设计［Ｊ］．现代电子技术，２０２２，４５（１８）：１７１?１７６．

［４］ 袁标，陈天星，杨玉洁，等．一种居家隔离健康监测系统的研究［Ｊ］．科技创新与应用，２０２１，１１（３６）：６５?７４．

［５］ 李明．基于ＺｉｇＢｅｅ 的空巢老人居家安全监测系统研究［Ｄ］．牡丹江：牡丹江师范学院，２０２２．

［６］ 万珊．社区居家养老健康与环境传感监测系统设计［Ｊ］．微型電脑应用，２０２１，３７（４）：５９?６０＋６９．

［７］ 魏镳骅，陈旭，等．基于树莓派的独居老人远程智能监控报警系统［Ｊ］．电子世界，２０１７（８）：２０?２２．

［８］ 邱云明，甘倬溢，范恩，等．基于方位感知的老人居家行为监测系统及应用［Ｊ］．计算机系统应用，２０２２，３１（６）：１２５?１３１．

［９］ 徐虹．智慧居家养老安全监测系统架构标准化研究［Ｊ］．信息技术与标准化，２０２２（９）：５９?６３．

［１０］ 林俊强，唐艳凤，郑焕坡，等．基于物联网云平台的智能门禁系统设计［Ｊ］．物联网技术，２０２２，１２（１）：９５?９８．

作者简介：孙杰（２０００—），本科，研究方向：信息技术。