智能家庭养老系统的设计与实现

吴秋燕，赵 杰，邹慧淋，陈培亮

（福建江夏学院 电子信息科学学院，福建 福州 350108）

0 引 言

随着老年人口数不断增加，人口老龄化速度加快，家庭空巢现象陆续涌现。老人们渴望家庭的幸福，但年轻一辈由于上有老下有小，加之社会工作各方面的压力，难以抽身照顾家中长辈。如何“养老”成了众多家庭亟待解决的关键问题。在智能化和老龄化的大趋势下，越来越多人致力于将现有科技成果加工集成，以期为养老领域带来更多便利[1-4]。通过目前已知人工智能、机器学习与深度学习技术和方法，将各传感器与物联网设备相互融合[5-8]，能够智能化地管理老人的生活起居和出行情况数据，同时也便于子女实时了解并查看老人的情况。

基于以上背景，本文致力于将最新科技研究结合安全养老理念，搭建一个智能化养老系统，从而在一定层面上和一定范围内对老人生活状况进行实时监控。为此，不仅要构建一套相对完备的智能监控体系，而且要采用综合集成的方式打破设备壁垒形成统一平台，为逐步向“智能化养老”道路迈进助力。

1 采用技术

1.1 摔倒算法

人体摔倒时间历程一般在1 s 以上，刚开始加速度曲线最大，接着降低，然后增加，直到最后趋于稳定。摔倒会使人的重心在短暂时间内发生变化，且垂直位置的方向和速度都会发生改变，致使合成加速度和各个方向俯仰角也会发生变化。摔倒过程中有失重、静止和超重三种状态，下降过程中，合成加速度最大为2.6g，俯仰角、侧翻角发生变化，多个姿态角度绝对值超过45°，且有两个摔落阈值。因为在开始下降时合成加速度最大，摔倒后人体的应激反应会降低加速度，所以先产生较大的触发阈值，再出现较小的持续时间阈值。程序对输入的每50 个周期进行判断，若有85%的时间大于第二次下降阈值，且如果有两个连续这样的过程，则判定为下降；否则，下降判断为假将被删除。主要代码如下：

1.2 系统数据库设计

1.2.1 实体图模型设计

一个完整的系统，数据库是必不可少的，数据库的设计既要便于数据库的逻辑结构转换，又要利于管理人员后期的维护和使用，所以设计数据库时要兼顾准确性、安全性和数据交互性[9-11]。实体图模型可以清晰地展现每一个实体与实体之间的关系，所以在智能家庭养老系统中也采用了E-R 图，如图1 所示，其中包含的实体为：用户、定时、智能设备和管理员。

图1 系统数据库E-R 图

1.2.2 关系模式设计

数据库中的关系模式设计如下：

（1）用户表：用户号、姓名、登录密码、个人邮箱、权限、登录时间、手机号、地址、操作地址。

（2）定时表：编号、用户号、设备号、数据、定时器状态、操作地址。

（3）设备表：编号、用户号、设备号、数据、设备状态、操作地址。

（4）管理员表：管理员号、管理员名、密码、权限、登录时间。

1.2.3 系统功能

（1）用户登录功能

用户在Web 页面中根据提示在登录页面输入账号和密码，用户只有在登录正确的账号、完成跟系统数据库的身份信息匹配的情况下才能登录系统使用里面的功能。用户登录系统时，可以利用系统分配的对应权限操作功能模块或调取数据。系统会根据不同的用户类型来分配不同的权限，根据系统分配的不同权限，用户可以操作不同的功能模块和调取数据。

（2）智能操纵功能

系统后台智能设备管理需要在登录成功后，才可以展示所有可操纵设备，依据用户的角色享有不同的设备管理权限。用户通过相关页面可以对权限内的智能设备进行增删改查操作。用户也可以点击智能设备列表中的不同设备以进入设备的详细页，查看智能设备的实时状态。

（3）设备定时功能

智能设备的定时功能是为了满足用户的个性化需求，用户可以在智能设备的详细页中对设备进行定时操作，如可以让空调在特定时间关闭，让家里的灯在特定时间开启。系统会记录用户的历史定时信息，然后对信息进行读取，通过Web 页面展示给用户，以简化用户的定时操作。

2 硬件设计

智能养老系统的实现依托于成熟可靠的网络技术，在当前技术背景下，实现智能养老系统主要通过可视化的硬件技术以及云端服务器。

2.1 单片机模块

单片机是针对某一功能拥有高性能的微型控制器，与倾角传感器连接组合即可具有高可靠性、小体积、低能耗、低价格和方便使用等优点[12-15]，还可连接其他模块便于灵活扩展其他功能。

2.2 ZigBee 多设备接入

在智能养老系统的技术实现中，由于是居家环境，就有低功耗、低时延、高可靠性的严格要求。选择统一高效的传输协议，协调好与云端的信息匹配，显得尤为重要。为适应自动化控制和远程控制等领域，并且对于小型设备具有可嵌入性，ZigBee 无线通信技术被广泛应用于相对应领域，例如智能灯、智能传感器[16-19]。主要优势包括：在低功耗模式下，待机时长超长，可达半年到一年时间；ZigBee 通过AES 加密算法保护数据和防止不良攻击，保全了数据完整性。

总体实现方法：采用ZigBee 网络中的智能设备获取用户相关信息认证之后，通过智能设备采集用户身体状况信息、居家环境信息等；利用智能网关进行数据处理，以WiFi 形式发给云端数据库；云端服务器接收相关信息进行解析并在Web 页面、APP 页面进行图文显示。

3 软件设计

3.1 应急设备

系统自身涵盖相关智能化设备，尤其是以应急设备为主，例如应急灯、紧急呼叫按钮等。应急灯具结合智能识别设备和时间控制为老年人提供相关智能服务；紧急呼叫结合智能医疗设备为独居老人提供紧急救护预警。

3.2 个性化交互

系统能够根据老年人的实际生活需要，结合网页、系统界面、检索查看、运动轨迹分析，进行大数据整合，实现老人与系统的个性化交互。通过互联网数据实时整合位置周围的医院看护资源，在紧急情况下通过智能分析及时发现并有效发送求救信息。实时监护老人的运动近况，实时跟踪监测其位置轨迹，将监护信息进行加密保存，在需要的时候可以由家属和护士获取查看，并对其进行先进的数据分析。系统主用户登录云端服务器后，可对一切权限范围内的智能设备进行相应的增、删、改、查操作。

3.3 语音交互

语言识别技术是集语言学、概率论和信息论以及模式智能识别的交叉性技术[20-22]。考虑到老年人对于智能设备操作的局限性和畏难感，摒弃过于复杂繁琐的操作流程，改用语音方式与系统进行交互，更实用便捷。本系统集成了智能语音模块，用户通过它不仅可以语音操纵家中设备，还可以欣赏音乐、查阅天气、智能聊天和查询实时时间等，达到优化独居老人的生活方式的目的。

3.4 倒地事件的检测与识别

识别独居老人的倒地事件是本系统的重点和难点，通过智能骨骼识别技术，在充分进行隐私保护的前提下，及时发送相应报警信息，在第一时间内寻求帮助。用户可通过网页前端交互页面执行该功能，结果也将呈现在数据库中。

4 系统测试

将若干名测试员分成五组，每一组分别带上实验手表，将他们带入宽阔的场地，第一组在指定范围内正常行走，记录网页端数据反馈及手表响应情况；第二组人员在指定范围行走然后倒下，记录网页端数据反馈及手表响应情况；第三组人员在指定范围行走然后倒下再马上站起，记录网页端数据反馈及手表响应情况；第四组人员在指定范围行走然后倒下，经过10 min 后缓慢站起，记录网页端数据反馈及手表响应情况；第五组人员在指定范围行走然后倒下，一直不站起，记录网页端数据反馈及手表响应情况，每组实验进行两到三次重复实验。系统测试结果见表1 所列。

表1 系统测试

5 结 语

随着社会人口老龄化程度的不断加深，解决独居老人的养老问题已经刻不容缓。为此，本文设计将单片机模块与数据互联网模块集成到智能家庭养老系统中，分析人体摔倒各项数据变化情况，捕捉异常数据，实现及时警报功能，提高老年人居家养老智能化和安全性，满足了实时监控预防老人跌倒的要求。最后进行了系统功能测试，警报、发送信息和定位等功能如期实现。然而系统功能后续仍需拓展，争取为养老领域带来更多便利。