獨居老人智能監護系統

孫杰 馬雪健 龍明翔

摘要：由于當前市面上的獨居老人智能監護系統存在功能單一和智能化不足的缺陷，因此，文章設計了一種集遠程監控、跌倒檢測、定位、報警、血壓監測等多功能于一體的智能監護系統。該系統以樹莓派為基礎，結合人工智能云平臺的算法，能夠對獨居老人和殘疾人進行有效的監測和互動。利用面部表情和動作識別算法，可以及時地發現老人疾病、跌倒等危險情況，并進行報警和求助。實驗證明，該系統具有成本低廉、功能齊全、操作簡便等優點，是一種適合于獨居老人的智能監控系統。

關鍵詞：獨居老人；智能監護系統；樹莓派；智能云平臺

中圖法分類號：TP277 文獻標識碼：A

１ 引言

隨著時代的發展，物聯網技術已與人們的生活融為一體，在日常生活中已出現許多與人們的衣食住行相伴而生的智能設備。同時，智能監護也在人們的生活中發揮不可替代的作用。由于子女工作繁重，老人獨居家中的現象日益增多，尤其是患有高危疾病的老人，一次普通的跌倒或疾病發作都有可能造成生命危險。若能及時發現獨居老人是否遇到危險，則就能避免不堪設想的后果。因此，許多家庭聘請了專業的監護人員，但也會帶來較大的經濟壓力，于是獨居老人智能監護系統也就應運而生。目前，智能監護系統主要以Ｃ５１［１～２］ ，Ｓｔｍ３２［３～４］ 及Ｚｉｇｂｅｅ 為主控芯片［５～６］ ，它雖然具有低能耗的特點，但也存在功能單一、智能化不足等問題，從而導致市場普及率不高。

樹莓派是一種基于ＡＲＭ 的微型卡片式計算機，其由于優秀的擴展性和易于開發的特性，逐漸被應用到物聯網與智能監護系統中［７～８］ 。本文在智慧居家養老安全監測系統標準化［９］ 的基礎上，結合人工智能云平臺技術［１０］ ，設計了一種多功能且更人性化的智能監護系統。該系統集監控、報警、定位、監測等功能于一體，便于對獨居老人進行智能監護管理，從而提高獨居老人的生活質量。

２ 系統結構原理

系統的主要目標是針對獨居老人或無行動能力的人在無監護人看管的情況下，在遇到危險后能第一時間被發現或救助。系統流程如下，首先輸入特定用戶的人臉信息，通過跟蹤監測，當老人跌倒后，判斷其是否異常并發送特定人員的信息及跌倒畫面給監護人。該智能監護系統還能監測溫度、血壓等數據來判斷老人是否處于危險之中?！蔼毦永先酥悄鼙O護系統”在基于傳統的單片機智能監護的基礎上結合云平臺技術，在用戶識別和管理等方面變得更加智能化（如圖１ 所示）。

３ 系統模塊功能設計與實現

３．１ 電路設計

單片機電路設計圖如圖２ 所示。

３．２ 硬件設計

３．２．１ 樹莓派

樹莓派是本系統的核心硬件。目前，基于樹莓派的監控應用尚未普及，相關文獻內容也較少，其監控視頻數據的網絡部分實現方式都是通過開源的ＭＪＰＧ?ｓｔｒｅａｍｅｒ 實現，且具備安防功能，利用自己搭建的ＡＰＩ 開發接口系統實現遠程網絡傳輸與控制。

樹莓派部分有２ 個模塊，即Ｓｏｃｋｅｔ 數據接收模塊與步進電機控制系統及其安全防護模塊、Ｈｔｔｐ 信息服務系統及其安全防護模塊。前者主要包括如下功能：樹莓派部分Ｓｏｃｋｅｔ 數據接收與步進電機控制模塊的信息收到端、用戶信息系統管理與安全保護功能、由樹莓派部分Ｓｏｃｋｅｔ 數據接收與步進電機控制模塊的信息收到端訪問功能、由樹莓派Ｈｔｔｐ 信息服務提供的信息的讀取功能、開發用ＡＰＩ 的信息管理與調配機制，以及安全保護功能、前端系統、系統管理與開發者管理系統、數據存儲模塊。儲存形式又可分為數據庫儲存和數據庫保存，其中數據庫儲存則主要使用ＭｙＳＱＬ 數據庫。

３．２．２ 監測模塊

三軸加速度傳感器負責監測形體變化，判斷是否跌倒，主要利用壓阻式、壓電式和電容式原理，所形成的加速率正比于阻值、壓力和容量之間的變動，并利用適當的擴散和過濾系統加以收集。三軸運動加速度感應器能夠實現雙軸運動的正負９０°以及雙軸運動０～３６０°的傾角，并且通過校正后期準確度要優于傳統雙軸運動加速度感應器，大于測量角為６０°的情況。

ＭＡＸ３０２０５ 人體溫度傳感器測量體溫，通過網絡通信協議上傳到智能云平臺再發送到終端。

ＭＡＸ３０２０５ 的平均體溫感應器能精確測量平均體溫并給出超溫警告／ 暫停／ 關斷輸入輸出數據信息，還利用高分辨率模數轉換器（ＡＤＣ）將平均體溫檢測數據轉化為數值形狀，單次和關斷模式都可以降低耗電量。

同時，通過Ｉ２Ｃ 的兼容２ 路串行接口實現通信，具有高精度和低電壓操作有助于幫助設計人員滿足出錯和電力預算。單次和關斷模式有助于降低用電量，６００ μＡ（典型值）工作供電電流，數字化功能更容易集成到任何系統的特性。

３．２．３ 智能云平臺

現階段的智能云系統已具備用戶無處不在、低進入成本、為用戶選擇應用等優勢，表現為可伸縮、集中管理、負載均衡、增加資金利用率等特點。當系統運行時可將硬件設備檢測的數據實時傳輸到智能云平臺（阿里云、華為云）之上，通過網絡通信協議發送到用戶終端，可使監護人實時查看監測數據。

３．３ 系統流程

系統以樹莓派為核心主板，包含監控模塊、報警模塊、云平臺、手機終端以及人體溫度監測等模塊，與各項通信串口協議相結合，以完成系統總體工作，其大致的運行流程如圖３ 所示。

４ 系統測試

４．１ 硬件測試

通電前進行硬件測試，按照電路圖檢查所有的電路，按照電路接線，按照規定的次序逐個檢測已配置好的電路，用萬用表檢查電源的輸入阻抗，判斷電源是否故障，檢測元器件安裝情況，使用萬用表檢測有極性的元器件連接情況。上電后進行硬件測試，通電后觀察電路有無異常情況，再進行靜動態調試，最后進行總體系統運行測試，查看系統是否正常運行。

４．２ 軟件測試

終端實現實時數據的傳送，用戶可自主登錄云平臺實時監測或操控并分析各個傳感器的數據，首先進行模塊化測試，分別對監控、監測、識別、報警模塊的數據傳輸的連續性、傳輸數據的速度、傳輸數據的穩定性進行測試，保證數據的丟包率在誤差允許范圍內，速度能達到要求且能長時期運行。其次進行系統的集成測試，確定函數的輸入輸出接口，寫完函數后，模擬輸入變量判斷輸出內容是否是預期功能。判斷函數的地址是否正確，內存有無越界，是否是野指針，輸入參數是否合法，輸出參數或返回值是否正常。

５ 結束語

研發獨居老人智能監護系統的目的在于可以更加方便地利用現代化智能技術來監護獨自在家的老人。本系統實現的核心功能包括監護功能、危險報警功能，其他功能包括人體溫度監測功能和血壓等健康監測的功能。如今，大部分老年人都身患疾病，且大多數在遇到危險（如在家中跌倒）時不能及時報警，從而錯過最佳搶救時機。目前，此系統經過持續地研發與測試，能夠穩定運行并應用在實際生活中，這將極大地降低監護人的監護壓力。在后續過程中，將會結合實際出現的問題對此系統進行優化更新，旨在為老年群體的健康問題作出更大貢獻。

參考文獻：

［１］ 任魯涌，王津．基于５１ 單片機的居家環境智能監測系統設計［Ｊ］．集成電路應用，２０２１，３８（１１）：７?９．

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［３］ 張震，郭曉金，劉煌．居家智慧養老監測系統的設計［Ｊ］．現代電子技術，２０２２，４５（１８）：１７１?１７６．

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［６］ 萬珊．社區居家養老健康與環境傳感監測系統設計［Ｊ］．微型電腦應用，２０２１，３７（４）：５９?６０＋６９．

［７］ 魏鑣驊，陳旭，等．基于樹莓派的獨居老人遠程智能監控報警系統［Ｊ］．電子世界，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為監測系統及應用［Ｊ］．計算機系統應用，２０２２，３１（６）：１２５?１３１．

［９］ 徐虹．智慧居家養老安全監測系統架構標準化研究［Ｊ］．信息技術與標準化，２０２２（９）：５９?６３．

［１０］ 林俊強，唐艷鳳，鄭煥坡，等．基于物聯網云平臺的智能門禁系統設計［Ｊ］．物聯網技術，２０２２，１２（１）：９５?９８．

作者簡介：孫杰（２０００—），本科，研究方向：信息技術。