基于物联网的智能老人管理系统研究

我国正加速进入老龄人社会，据统计，2016年60岁及以上人口达到2.42亿，占全国总人口的16.02%，预计到2030年，60岁及以上人口将达到3.8亿。由于独生子女家庭较多，更多的老年人需要独立应对生活起居和健康护理等问题［1］。许多“空巢老人”身体较为虚弱，难以自理，有的行动不便，甚至连最基本的简单物品的抓取都难以实现。老年人身体机能下降，为了更好保健养生，需要经常关注血压、脉搏、体温等健康指标，以此为依据调整饮食和生活习惯，高血压、糖尿病及心脏病等慢性疾病更是需要时时检测的健康指标。

现在，“宝贝不哭”已成为全院的自觉行动。无论何时何地，听见孩子哭声，医生护士都会停下来，看看孩子为什么哭？SPE组不再单枪匹马，这是马力最乐意看到的。

为了解决上述问题，设计并实现一套完善的智能老人管理系统，通过手机APP控制助理机器人实现简单物品的抓取，并可以实时查看监测由健康指标采集器采集的各项生理参数，如血压、体温及脉搏等健康指标。

1 总体方案设计

系统总体框架如图1所示，系统分为四层，分别是基于Android的手机客户端、云平台、通讯网关及智慧助理前端。

图1智慧助理前端包含带有机械臂的助理机器人和老人健康指标采集器；通讯网关负责通过Zigbee网络与智慧助理前端相连［2］，并将信息以无线WIFI的方式上传到云平台，实现Zigbee网络与以太网网络的报文双向转换；云平台提供数据的存储，为手机APP提供应用服务；手机客户端通过APP实现助理机器人的控制和健康指标的实时监控。

2 系统硬件设计

［3］FAN Xiongfei，CHENG Xiaodong，WEN Liping，et al.Intelligent meter based on ZigBee wireless transmission［J］.Sensors＆ Transducers， 2013 （8）：115-119.

2.1 助理机器人

助理机器人的硬件组成如图2所示。机器人上半部分为机械手臂，下半部分为智能履带车；头部配有hp720P的高清摄像头，实现远程视频通讯和远程视频监控功能［3］；机械臂配有6个数字舵机，包含1个LDX-335MC防烧舵机和2个LFD-07防堵舵机，共6个自由度，机械臂末端为铝合金机械爪。

助理机器人的主控芯片采用ATMega328芯片的Arduino控制板［4］。该芯片是一款集成大功率稳压的芯片模块，拥有丰富的外部资源接口，核心处理器是AVR，闪存容量为32 KB，每个芯片有4通道PWM输出。助理机器人采用两片ATMega328芯片，共产生8通道PWM输出来控制数字舵机，并将单片机ATmega16U2-MU作为转换芯片实现USB接口数据与ATMega328主控芯片串口数据的对接。同时，机器人还配有Zigbee网络收发模块，可以利用Zigbee网络实现无线信号传输。

  

图1 系统总体框架

  

图2 助理机器人硬件组成

2.2 健康指标采集器

其中：Qx=0，由于球杆系统在系统变量x上并未受到外力作用，小球在导轨上自由滚动。设δW为伺服电机做的虚功，则与电机驱动轴虚位移的关系有：

健康指标监测传感器通过串口与CC2530芯片相联［5］。其中，温度传感器采用安伏电子的Wtem752无线温度传感器，具有设计精度高、稳定性强及资源消耗小等特点，可以提供PT100 A级的测量精度；脉搏传感器采用PulseSensor，其光接收器采用了APDS-9008光感受器，可以提供极强的光敏度检测。同时，传感器佩戴方便，有开源的Arduino程序，非常适合二次开发；血压传感器采用MSecialties公司的MSVP1240传感器，其控制核心为C8152F08X单片机，可以实现误差范围小于4.2 mmHg的收缩压和舒张压，其高通滤波器可以有效滤除干扰信号。

健康指标采集器在Zigbee网络中，是一种Zigbee终端，当传感器采集到信息后，由CC2530的12位的单通道AD模块进行模数转换，并通过RF无线射频将信息以Zigbee报文形式发送到通讯网关。

通过硬件设计制作和软件开发完成了智能老人管理系统的搭建。老人可以借助手机APP实现助理机器人抓取物控制、一键求救、视频通话及视频监控等功能，监护人员通过手机APP获取温感、脉搏及温湿度等传感器提供的生理和环境信息，了解老人的生活情况。智能老人管理系统手机APP主界面及心率检测参数如图8所示。

2.3 通讯网关

通讯网关属于嵌入式Internet网关，实现Zigbee网络与Internet网络报文的交换，本系统采用Raspberr Pi+Zigbee协调器的设计架构［6］，Raspberr Pi单板机具有 ARM A9架构的处理器，1.5 GB的内存，拥有USB、RS232及Ethernet接口，具有强大的扩展和处理能力。

本系统的助理机器人的硬件基于Arduino开源平台，Arduino程序主要实现助理机器人硬件驱动。Arduino程序采用Arduino IDE 平台开发［8］，开发语言是Arduino1.5.6-r2，该语言基于C 语言，将Arduino硬件平台的参数设置、命令解析及执行函数化处理，提供了结构清晰、编写调试方便及扩展性强的软件设计框架。程序的开发基于模块化结构设计，由主程序和子程序库组成。其中，主程序负责监听由手机APP客户端发送并经通讯网关转发的控制命令，对命令进行解析，根据命令执行相关子程序；子程序库主要由方向运动子程序、机械手臂子控制子程序及自动避障子程序组成，实现助理机器人方向控制移动、手臂抓取物等功能。Arduino程序的流程图如图5所示。

  

图3 健康指标采集器结构图

其硬件结构如图4所示，Raspberry Pi是通讯网关的中心，通过UART接口与Zigbee协调器相联，接收Zigbee终端发送的信息，并经过Raspberry Pi内置开源的Z-Stack协议栈完成Zigbee协议与TCP／IP协议的转换［7］，最后由USB接口无线WIFI或者RJ45有线接入的方式将数据上传到云平台。同时，Raspberry Pi提供HDMI接口，可以实现可视化编程。

  

图4 通讯网关硬件结构

3 系统软件设计

从软件层面看，系统的软件框架主要包含Arduino程序、通讯模块及手机APP应用程序组成，共同实现数据的传输、存储管理及应用控制。

3.1 Arduino 程序设计

相关性分析结果 与非心力衰竭患者相比，HFpEF组患者发生中-重度低氧血症的可能性更高(OR=2.02，95%CI=1.34～3.11，P<0.001)。矫正年龄、性别、高血压、糖尿病、冠心病、肾功能不全、吸烟史等混杂因素后，HFpEF 与非心力衰竭患者发生中重度低氧血症的可能性仍显著偏高(OR=1.85，95%CI=1.20～2.90，P=0.006)。HFpEF 与 HFrEF和HFrEF 与 无心力衰竭患者发生中-重度低氧血症的概率差异无统计学意义(表3)。

健康指标采集器基于CC2530嵌入式芯片，该芯片采用 0.18 μm CMOS 生产工艺，整合了 2.4 GHz的 Zigbee 射频前端、微控制器、最大 256 KB的闪存及 8 KB的RAM，完全满足数据采集存储需求。其结构如图3所示。

3.2 通讯模块设计

通讯模块由通讯网关中的服务端程序和Zigbee终端的客户端程序组成，实现数据传输、报文格式转换及上传功能。通讯程序的软件框架如图6所示。

  

图5 Arduino程序的流程图

  

图6 通讯模块的软件框架

服务端程序部署在通讯网关，基于Z-Stack开源库、Linux Socket库及Linux系统调用开发。程序执行完初始化之后，会扫描建立Zigbee网络，当Zigbee节点加入网络，会向云平台发送带有ZB_NEW_DEVICE_IN命令的Socket包，接收云平台的控制命令，并向云平台传输由Zigbee终端发送经Z-Stack协议栈转换的TCP／IP报文。

客户端程序部署在Zigbee终端，程序采用IAR Embedded Workbench开发环境搭建［9］。程序在初始化完成之后，查找Zigbee协调器，并加入Zigbee网络，接收通讯网关发送的控制命令，并传输诸如健康指标传感器采集的信息。通讯模块的服务端和客户端程序流程如图7所示。

  

图7 通讯网关和Zigbee终端通讯程序流程图

3.3 手机APP程序设计

设计实现了基于物联网和云平台技术的智能老人管理系统，借助手机APP控制助理机器人帮助老人完成物品的抓取，并实时监测老人健康指标，有效解决老人行动不便难以取物的问题，也为老人健康指标的实时监测提供帮助。通过实验测试，系统运行正常，达到系统设计目标。

胃切除术引起的体内神经-内分泌紊乱可导致继发性PEI[8]。胃切除患者体内碳酸氢盐和脂肪酶分泌显著降低。胃部分切除患者 PEI的发生率约70%，全胃切除患者PEI发生率高达100%[9]。

4 系统测试

天峻地区春季干旱对牧业造成的影响主要表现在牧草发育期，从表4可以看到，在2006、2007年和2014年春季，相对湿润度指数(M指数)和标准化降水指数(SPI指数)都显示天峻地区出现干旱，而当年的草原牧草返青期与常年平均返青期相比出现了推迟，2014年甚至是比正常年份返青期推迟了22d。草原牧草返青期的推迟极大的影响了牧草的生长，造成牧草产量的下降，使草原牲畜饱青期推后，从而不利于膘情恢复，对个别膘情不好的牲畜，特别是老弱病畜增加了度春的难度。而对于牧民群众来说，返青期的推迟意味需要大量购入饲草料用来保畜，从而增加了饲养成本，很大程度上减少了全年的收入。

5 结论

基于手机APP的应用以其方便快捷、简洁实用及客户体验好等优势，广泛应用于各种系统建设之中，代表着健康管理和智能服务的技术潮流。本系统的手机APP分为客户端和服务器端两个部分，服务器端基于Eclipse IDE开发，部署在云平台，负责接收通讯网关发送的由助理机器人和健康指标采集器等Zigbee终端采集的数据，并对数据进行存储和管理，一方面为手机APP客户端提供信息查询、助理机器人远程控制及统计分析等应用服务，另一方面响应手机APP客户端的请求，向通讯网关发送控制命令，获取Zigbee终端信息。手机APP客户端基于Android Studio开发，同时为了适应移动设备多变的网络环境和解决信息的通讯实时问题，采用MQTT协议与手机APP服务端进行通讯。

  

图8 手机APP端功能主界面和心率检测图

参考文献：

采用SPSS 18.0统计学软件对数据进行处理，计量资料以“±s”表示，采用t检验；计数资料以百分数（%）表示，采用x2检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

［1］吴军.智能时代：大数据与智能革命重新定义未来［M］.北京：中信出版社，2016.

［2］崔阳，张维华，白云峰.一种基于Arduino的智能家居控制系统［J］.电子技术应用，2014（4）：123-125.

系统的硬件由助理机器人、健康指标采集器及通讯网关组成。其中，助理机器人负责接收手机APP客户端的控制命令，完成小件物品的抓取；采集器负责采集老人温度、血压及脉搏等健康指标；通讯网关实现报文的传输和格式转换。

［4］王恒，赵晓瑞，王平.无线传感网网关Web服务中间件的设计与实现［J］.计算机工程与设计，2014（6）：1978-1982.

［5］王秀平.物联网技术在空巢老人生活与健康服务中的应用［J］.中国老年学杂志，2012（7）：1549-1551.

［6］张雅楠，杨璐，郑丽敏.基于Android手机的远程视频监控系统的设计与开发［J］.计算机应用，2013（1）：283-286.

［7］ LI Jianqi，WANG Fuwen，LI Xiaofeng，et al.Wireless monitoring system based on the non-uniform stratified WSN in viticulture［J］.Journal of Networks， 2014 （2）：244-251.

就这样，我每个星期四的晚上，都会出现在鲍老师的研究生课堂上，大家从不排斥任何一位旁听的同学，鲍老师还特意嘱咐她的助教每次多复印一份讲义给我，还让我抽空多看看《北大教育评论》上面的文章。有时课下，她会询问我有没有什么问题。有时，我也会就自己的疑问向她请教，她总能给出令我惊喜的解答。

不同地质因素对煤矿掘进的影响各异，煤矿掘进过程中支护措施是保证煤矿安全生产的根本策略。在操作过程中，须针对具体地质条件采用合适的支护措施，确保安全可靠掘进。在前期勘测设计时就应该避开断层构造，并将其优先布置在煤层倾角较小的采区，并根据地质中顶底板的具体岩性状况选择科学合理的支护方案，及时调整掘进方式，并做好瓦斯清除方面工作，避免由于对机械化采煤中对复杂地质条件处理不当，而影响正常采煤生产。

［8］刘强，黄小红，冷延鹏，等.一种面向物联网的无线传感器网络优化部署策略（英文）［J］.中国通信（英文版），2011（8）：111-120.

［9］张继飞.智能家居中的ZigBee技术应用与移动终端开发［D］.邯郸：河北工程大学，2015：75.