基于物联网的智慧养老系统设计与实现

姜 妍

(长春师范大学 国际交流学院,吉林 长春 130032)

0 引言

智慧养老在普通养老的基础上,利用相关技术进一步完善养老体系,提高老年人的生活质量,提升幸福指数。刘奕祈等[1]通过利用互联网等技术,整合现有养老资源,解决老年人多样化的养老需求。彭露露等[2]提出居家智慧健康养老服务最核心的部分是运行平台,根据智慧养老各参与方的职责与功能对平台进行模块划分,整合保洁家政、医疗救治及康复、技能人员培养等多项功能,全方位满足老年人需求。

本文设计的基于物联网的智慧养老系统可以使老年人在众多养老服务中找到切合自身的智慧养老服务,并有效地减轻养老服务供给的压力,推动我国养老事业和养老体系的发展。

1 系统功能分析与设计

1.1 系统功能概述

智慧养老新模式以智慧云平台、小程序、电子信息档案为基础,多方信息互通为途径、老年人为核心,形成了完整的养老系统架构。

此新模式的建立是以居家为基础,社区为依托,机构为辅助的完备服务结构。以老城区作为总部,实现社区驿站、老年人、子女、政府、医疗机构的多方连接,用“触手可及”小程序作为信息载体,提供系统化服务以及器械购买、配送餐食、健康检测、实时定位等一系列的个性化服务。社区驿站会对老年人的身体数据进行处理、分类和储存,建立老年人的专属电子信息档案,并连接政府和医疗机构的内部系统,开通老年人的专属就医通道。该智慧养老系统的整体关系结构如图1所示。

图1 智慧养老系统整体架构

1.2 智能产品的应用

“厚米”智能手环不仅采取轻便小巧的外形,还能够感知老年人体内血液颜色和行为动作,并配合手环中的心率血氧传感器和加速度传感器,实现对老年人身体数据的检测。其中的GPS定位模块和导航指令,不仅能够让社区工作人员随时关注到老年人的位置状态,还可以为老年人提供到达目的地的最优路线。“厚米”智能音箱为“厚米”智能手环提供数据接口和蓝牙,实现基础控制和数据互通。

1.3 微信小程序分析与设计

子女可以随时随地在小程序中实时查询老年人近期的身体健康数据,也可以通过手环对老年人进行实时呼叫;小程序也具备联系社区的功能,可以了解老年人心理状态、近期需求;追踪老年人的活动轨迹、途经地点以及当前定位;子女或老年人可以选择生活基础服务和家庭维修服务;子女可在商城进行保健产品或医疗器械的购买;还可以为老年人预约单项检查和体检。

2 系统硬件设计

2.1 嵌入式控制模块设计

系统硬件部分为“厚米”智能手环,其核心技术为实时的行为数据采集和判断。通过分析对比,该系统最终采用STM32L151C8T6作为“厚米”智能手环的主控芯片。STM32L151C8T6是一款低功耗、高性能的32位ARM Cortex-M3微控制器,具有80 MHz的主频,64 kB的Flash存储器和16 kB的SRAM存储器。此外,该芯片还具有低功耗模式,非常适合用于需要长时间运行的低功耗应用。

2.1.1 加速度传感器模块

该系统采用MPU6050传感器,采集人体行为信息中的加速度信息和姿态角速度信息。该传感器是一款集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计的数字式运动处理器,采用MEMS技术,体积小、功耗低、性能优良。MPU6050的三轴加速度计可测量物体在3个方向上的加速度,而三轴陀螺仪可测量物体在3个方向上的角速度。MPU6050还集成了数字运动处理器(DMP),可实现复杂的运动处理和数据滤波,简化了系统设计和软件开发难度。

2.1.2 GPS模块

“厚米”手环使用的ublox neo GPS模块是一种高精度GPS模块,可以提供准确的位置、速度和时间信息,适用于各种移动应用。模块采用了u-blox自主研发的LEA-6 T芯片,支持多种GNSS卫星系统和多种通信接口,可以方便地集成到各种嵌入式系统中。本文使用ublox neo GPS模块获取了实验数据,验证了其高精度和可靠性,并对其性能进行了评估和分析。

2.1.3 蜂鸣器报警模块

蜂鸣器也是智慧养老系统中的一部分,在老年人摔倒警告提示中扮演着重要角色,可提醒行人及时给予老年人帮助。该电路提高了蜂鸣声的作用,具体设计是:将蜂鸣器的正极一端连接于5 V的供电端,而另一端连接于三极管的集电极,三极管的基极则由单片机的一根引脚通过与门进行控制。在引脚为低的情况下,与非门的输出为高电平,三极管处于接通状态,通过这种方式,蜂鸣器产生的电流就会产生声音。在引脚是高的情况下,与非门的输出为低电平,三极管断开,蜂鸣器不响。

2.2 通信模块设计

系统使用的蓝牙模块是HC-05蓝牙模块,通过TX和RX引脚,支持使用标准AT命令[3],该系统主要用到的AT相关指令说明如表1所示。该模块体积小巧(3.57 cm×1.52 cm),套有透明热缩管,防尘美观,且具有一定的防静电能力。模块可将报警信息传送至手机客户端。

表1 HC-05蓝牙模块相关指令

3 系统软件设计

3.1 软件架构模式

智慧养老系统采用C/S与B/S相结合的混合架构方案。其中,B/S架构用于浏览器客户端和服务器之间,C/S架构用于手机客户端、家庭养老控制器与服务器之间。

3.1.1 C/S软件架构

C/S架构是一种常见的客户端/服务器架构,将软件系统分成客户端和服务器两部分,客户端和服务器之间通过网络进行通信。客户端是用户交互的界面,负责向服务器发起请求并接收响应,而服务器则负责处理请求并返回响应结果。C/S架构的优点是具有较高的安全性、可靠性和可扩展性,同时能够提供较高的性能和用户体验。此外,C/S架构还能够支持多个客户端连接到同一个服务器,实现医院、社区、家庭子女端协同工作。

3.1.2 B/S软件架构

B/S架构是一种基于浏览器和服务器的软件架构模式,它将应用程序的前端和后端分离,通过浏览器提供用户界面,通过服务器提供数据处理和存储。在B/S架构中,浏览器通过HTTP协议向服务器发送请求,服务器接收请求后进行数据处理,并将结果通过HTTP协议返回给浏览器。由于B/S架构基于标准化的HTTP协议,因此具有跨平台、跨浏览器、易扩展和易维护等优点。此外,B/S架构还可以实现远程访问和数据共享,为智慧养老的信息化建设提供有力的支持。

3.2 智慧养老系统基础平台实现

对外而言,提供统一的API接口,且访问方式相同,可同时支持B/S和C/S架构(智慧养老系统终端),如图2所示。其中B/S架构具有优越的跨平台能力,利于社区管理员能够在任意的浏览器登录系统Web客户端,C/S架构具备优越的流畅性,能够提升老年人的服务体验。如若检测出老年人的状态存在异常,则报警模块接收单片机的AT命令,蜂鸣器报警进行报警操作。

4 结语

智慧养老新模式用“厚米”智能产品作为输入端,“触手可及”小程序作为操作端,不但能提升老年人的生活质量,提高老年人安全系数,还可以实现多方信息互通,消除老年人和科技社会之间的隔阂。在科技时代,只有在当前已有的智慧化养老的基础上,进一步完善智慧养老新模式并大范围普及,才能真正实现老有所依的智慧化养老。

[1]刘奕祈,邓嵘.智慧居家养老服务设计策略探究[J].设计,2019(20):116-118.

[2]彭露露,杨彤蕾,余剑.“互联网”背景下居家智慧健康养老模式的探究[J].价值工程,2019(4):164-166.

[3]李刚.基于NB-IoT的校园宿舍智能锁控制系统设计与实现[D].杭州:浙江理工大学,2020.