智能家庭養(yǎng)老系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳秋燕，趙 杰，鄒慧淋，陳培亮

（福建江夏學(xué)院 電子信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108）

0 引 言

隨著老年人口數(shù)不斷增加，人口老齡化速度加快，家庭空巢現(xiàn)象陸續(xù)涌現(xiàn)。老人們渴望家庭的幸福，但年輕一輩由于上有老下有小，加之社會(huì)工作各方面的壓力，難以抽身照顧家中長輩。如何“養(yǎng)老”成了眾多家庭亟待解決的關(guān)鍵問題。在智能化和老齡化的大趨勢(shì)下，越來越多人致力于將現(xiàn)有科技成果加工集成，以期為養(yǎng)老領(lǐng)域帶來更多便利[1-4]。通過目前已知人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)技術(shù)和方法，將各傳感器與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相互融合[5-8]，能夠智能化地管理老人的生活起居和出行情況數(shù)據(jù)，同時(shí)也便于子女實(shí)時(shí)了解并查看老人的情況。

基于以上背景，本文致力于將最新科技研究結(jié)合安全養(yǎng)老理念，搭建一個(gè)智能化養(yǎng)老系統(tǒng)，從而在一定層面上和一定范圍內(nèi)對(duì)老人生活狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。為此，不僅要構(gòu)建一套相對(duì)完備的智能監(jiān)控體系，而且要采用綜合集成的方式打破設(shè)備壁壘形成統(tǒng)一平臺(tái)，為逐步向“智能化養(yǎng)老”道路邁進(jìn)助力。

1 采用技術(shù)

1.1 摔倒算法

人體摔倒時(shí)間歷程一般在1 s 以上，剛開始加速度曲線最大，接著降低，然后增加，直到最后趨于穩(wěn)定。摔倒會(huì)使人的重心在短暫時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化，且垂直位置的方向和速度都會(huì)發(fā)生改變，致使合成加速度和各個(gè)方向俯仰角也會(huì)發(fā)生變化。摔倒過程中有失重、靜止和超重三種狀態(tài)，下降過程中，合成加速度最大為2.6g，俯仰角、側(cè)翻角發(fā)生變化，多個(gè)姿態(tài)角度絕對(duì)值超過45°，且有兩個(gè)摔落閾值。因?yàn)樵陂_始下降時(shí)合成加速度最大，摔倒后人體的應(yīng)激反應(yīng)會(huì)降低加速度，所以先產(chǎn)生較大的觸發(fā)閾值，再出現(xiàn)較小的持續(xù)時(shí)間閾值。程序?qū)斎氲拿?0 個(gè)周期進(jìn)行判斷，若有85%的時(shí)間大于第二次下降閾值，且如果有兩個(gè)連續(xù)這樣的過程，則判定為下降；否則，下降判斷為假將被刪除。主要代碼如下：

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

1.2.1 實(shí)體圖模型設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫是必不可少的，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)既要便于數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，又要利于管理人員后期的維護(hù)和使用，所以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫時(shí)要兼顧準(zhǔn)確性、安全性和數(shù)據(jù)交互性[9-11]。實(shí)體圖模型可以清晰地展現(xiàn)每一個(gè)實(shí)體與實(shí)體之間的關(guān)系，所以在智能家庭養(yǎng)老系統(tǒng)中也采用了E-R 圖，如圖1 所示，其中包含的實(shí)體為：用戶、定時(shí)、智能設(shè)備和管理員。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫E-R 圖

1.2.2 關(guān)系模式設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系模式設(shè)計(jì)如下：

（1）用戶表：用戶號(hào)、姓名、登錄密碼、個(gè)人郵箱、權(quán)限、登錄時(shí)間、手機(jī)號(hào)、地址、操作地址。

（2）定時(shí)表：編號(hào)、用戶號(hào)、設(shè)備號(hào)、數(shù)據(jù)、定時(shí)器狀態(tài)、操作地址。

（3）設(shè)備表：編號(hào)、用戶號(hào)、設(shè)備號(hào)、數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、操作地址。

（4）管理員表：管理員號(hào)、管理員名、密碼、權(quán)限、登錄時(shí)間。

1.2.3 系統(tǒng)功能

（1）用戶登錄功能

用戶在Web 頁面中根據(jù)提示在登錄頁面輸入賬號(hào)和密碼，用戶只有在登錄正確的賬號(hào)、完成跟系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的身份信息匹配的情況下才能登錄系統(tǒng)使用里面的功能。用戶登錄系統(tǒng)時(shí)，可以利用系統(tǒng)分配的對(duì)應(yīng)權(quán)限操作功能模塊或調(diào)取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的用戶類型來分配不同的權(quán)限，根據(jù)系統(tǒng)分配的不同權(quán)限，用戶可以操作不同的功能模塊和調(diào)取數(shù)據(jù)。

（2）智能操縱功能

系統(tǒng)后臺(tái)智能設(shè)備管理需要在登錄成功后，才可以展示所有可操縱設(shè)備，依據(jù)用戶的角色享有不同的設(shè)備管理權(quán)限。用戶通過相關(guān)頁面可以對(duì)權(quán)限內(nèi)的智能設(shè)備進(jìn)行增刪改查操作。用戶也可以點(diǎn)擊智能設(shè)備列表中的不同設(shè)備以進(jìn)入設(shè)備的詳細(xì)頁，查看智能設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

（3）設(shè)備定時(shí)功能

智能設(shè)備的定時(shí)功能是為了滿足用戶的個(gè)性化需求，用戶可以在智能設(shè)備的詳細(xì)頁中對(duì)設(shè)備進(jìn)行定時(shí)操作，如可以讓空調(diào)在特定時(shí)間關(guān)閉，讓家里的燈在特定時(shí)間開啟。系統(tǒng)會(huì)記錄用戶的歷史定時(shí)信息，然后對(duì)信息進(jìn)行讀取，通過Web 頁面展示給用戶，以簡化用戶的定時(shí)操作。

2 硬件設(shè)計(jì)

智能養(yǎng)老系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)依托于成熟可靠的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在當(dāng)前技術(shù)背景下，實(shí)現(xiàn)智能養(yǎng)老系統(tǒng)主要通過可視化的硬件技術(shù)以及云端服務(wù)器。

2.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)是針對(duì)某一功能擁有高性能的微型控制器，與傾角傳感器連接組合即可具有高可靠性、小體積、低能耗、低價(jià)格和方便使用等優(yōu)點(diǎn)[12-15]，還可連接其他模塊便于靈活擴(kuò)展其他功能。

2.2 ZigBee 多設(shè)備接入

在智能養(yǎng)老系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)中，由于是居家環(huán)境，就有低功耗、低時(shí)延、高可靠性的嚴(yán)格要求。選擇統(tǒng)一高效的傳輸協(xié)議，協(xié)調(diào)好與云端的信息匹配，顯得尤為重要。為適應(yīng)自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，并且對(duì)于小型設(shè)備具有可嵌入性，ZigBee 無線通信技術(shù)被廣泛應(yīng)用于相對(duì)應(yīng)領(lǐng)域，例如智能燈、智能傳感器[16-19]。主要優(yōu)勢(shì)包括：在低功耗模式下，待機(jī)時(shí)長超長，可達(dá)半年到一年時(shí)間；ZigBee 通過AES 加密算法保護(hù)數(shù)據(jù)和防止不良攻擊，保全了數(shù)據(jù)完整性。

總體實(shí)現(xiàn)方法：采用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的智能設(shè)備獲取用戶相關(guān)信息認(rèn)證之后，通過智能設(shè)備采集用戶身體狀況信息、居家環(huán)境信息等；利用智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以WiFi 形式發(fā)給云端數(shù)據(jù)庫；云端服務(wù)器接收相關(guān)信息進(jìn)行解析并在Web 頁面、APP 頁面進(jìn)行圖文顯示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)急設(shè)備

系統(tǒng)自身涵蓋相關(guān)智能化設(shè)備，尤其是以應(yīng)急設(shè)備為主，例如應(yīng)急燈、緊急呼叫按鈕等。應(yīng)急燈具結(jié)合智能識(shí)別設(shè)備和時(shí)間控制為老年人提供相關(guān)智能服務(wù)；緊急呼叫結(jié)合智能醫(yī)療設(shè)備為獨(dú)居老人提供緊急救護(hù)預(yù)警。

3.2 個(gè)性化交互

系統(tǒng)能夠根據(jù)老年人的實(shí)際生活需要，結(jié)合網(wǎng)頁、系統(tǒng)界面、檢索查看、運(yùn)動(dòng)軌跡分析，進(jìn)行大數(shù)據(jù)整合，實(shí)現(xiàn)老人與系統(tǒng)的個(gè)性化交互。通過互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)整合位置周圍的醫(yī)院看護(hù)資源，在緊急情況下通過智能分析及時(shí)發(fā)現(xiàn)并有效發(fā)送求救信息。實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)老人的運(yùn)動(dòng)近況，實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)其位置軌跡，將監(jiān)護(hù)信息進(jìn)行加密保存，在需要的時(shí)候可以由家屬和護(hù)士獲取查看，并對(duì)其進(jìn)行先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)主用戶登錄云端服務(wù)器后，可對(duì)一切權(quán)限范圍內(nèi)的智能設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的增、刪、改、查操作。

3.3 語音交互

語言識(shí)別技術(shù)是集語言學(xué)、概率論和信息論以及模式智能識(shí)別的交叉性技術(shù)[20-22]?？紤]到老年人對(duì)于智能設(shè)備操作的局限性和畏難感，摒棄過于復(fù)雜繁瑣的操作流程，改用語音方式與系統(tǒng)進(jìn)行交互，更實(shí)用便捷。本系統(tǒng)集成了智能語音模塊，用戶通過它不僅可以語音操縱家中設(shè)備，還可以欣賞音樂、查閱天氣、智能聊天和查詢實(shí)時(shí)時(shí)間等，達(dá)到優(yōu)化獨(dú)居老人的生活方式的目的。

3.4 倒地事件的檢測(cè)與識(shí)別

識(shí)別獨(dú)居老人的倒地事件是本系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，通過智能骨骼識(shí)別技術(shù)，在充分進(jìn)行隱私保護(hù)的前提下，及時(shí)發(fā)送相應(yīng)報(bào)警信息，在第一時(shí)間內(nèi)尋求幫助。用戶可通過網(wǎng)頁前端交互頁面執(zhí)行該功能，結(jié)果也將呈現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫中。

4 系統(tǒng)測(cè)試

將若干名測(cè)試員分成五組，每一組分別帶上實(shí)驗(yàn)手表，將他們帶入寬闊的場(chǎng)地，第一組在指定范圍內(nèi)正常行走，記錄網(wǎng)頁端數(shù)據(jù)反饋及手表響應(yīng)情況；第二組人員在指定范圍行走然后倒下，記錄網(wǎng)頁端數(shù)據(jù)反饋及手表響應(yīng)情況；第三組人員在指定范圍行走然后倒下再馬上站起，記錄網(wǎng)頁端數(shù)據(jù)反饋及手表響應(yīng)情況；第四組人員在指定范圍行走然后倒下，經(jīng)過10 min 后緩慢站起，記錄網(wǎng)頁端數(shù)據(jù)反饋及手表響應(yīng)情況；第五組人員在指定范圍行走然后倒下，一直不站起，記錄網(wǎng)頁端數(shù)據(jù)反饋及手表響應(yīng)情況，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行兩到三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果見表1 所列。

表1 系統(tǒng)測(cè)試

5 結(jié) 語

隨著社會(huì)人口老齡化程度的不斷加深，解決獨(dú)居老人的養(yǎng)老問題已經(jīng)刻不容緩。為此，本文設(shè)計(jì)將單片機(jī)模塊與數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)模塊集成到智能家庭養(yǎng)老系統(tǒng)中，分析人體摔倒各項(xiàng)數(shù)據(jù)變化情況，捕捉異常數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)警報(bào)功能，提高老年人居家養(yǎng)老智能化和安全性，滿足了實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)防老人跌倒的要求。最后進(jìn)行了系統(tǒng)功能測(cè)試，警報(bào)、發(fā)送信息和定位等功能如期實(shí)現(xiàn)。然而系統(tǒng)功能后續(xù)仍需拓展，爭取為養(yǎng)老領(lǐng)域帶來更多便利。