基于智能語音健康養(yǎng)老系統(tǒng)的研究與設(shè)計

賀婧，苗中文，王魏帆，郭明海，姜雪，何愛華

（蚌埠學(xué)院，安徽蚌埠 233000)

0 引言

目前，我國人口老齡化問題日益加重。第七次人口普查數(shù)據(jù)顯示，我國60歲及以上人口為2.6億人，占總?cè)丝跀?shù)量的18.70%，65 歲及以上人口為1.9 億人，占總?cè)丝跀?shù)量的13.5%[1]。隨著人口老齡化的加劇發(fā)展，老年人日常照護、生存權(quán)利、健康服務(wù)、生命安全保障等需求也不斷增長。同時，隨著社會生產(chǎn)方式的改變，慰藉空巢老年人的數(shù)量也在日益上升。老年亟需相當(dāng)一部分在生活和精神方面需要得到關(guān)心、幫助和慰藉，他們的身心健康問題顯得愈發(fā)重要，急須更完善的保障?，F(xiàn)如今市場上已經(jīng)存在了很多智能醫(yī)療養(yǎng)老產(chǎn)品，但它們多數(shù)存在實時監(jiān)測不到位、配套App功能單一、數(shù)據(jù)精確度較低和數(shù)據(jù)無法實時共享等功能短板，市場上暫時也沒有真正完善的針對老年人身心健康的App[2]。

本系統(tǒng)基于以智慧化養(yǎng)老為發(fā)展趨勢的社會背景，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”與養(yǎng)老服務(wù)不斷融合發(fā)展，以互聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)核心為老年人提供智慧養(yǎng)老服務(wù)，滿足老年人生活質(zhì)量要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 硬件部分

本系統(tǒng)以STM32F103系列單片機為核心處理器，通過對數(shù)據(jù)的計算處理、操控通信模塊進行信息傳輸?shù)冗^程，實現(xiàn)各個傳感器的控制及精確的定位服務(wù)。系統(tǒng)通過心率血氧傳感器、溫度傳感器對老年人的生命體征進行監(jiān)測，通過加速度傳感器監(jiān)測老年人是否摔跤等。硬件監(jiān)測部分將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)處理后通過4G通信模塊實時穩(wěn)定上傳到云端，手環(huán)的軟件部分通過與云服務(wù)器建立連接將數(shù)據(jù)下載至阿里云平臺，并實時傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備端及Web網(wǎng)頁端。該過程能夠及時發(fā)現(xiàn)老年人健康安全問題，保障老年人的健康。充分體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。

1.1.1 系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能

1)監(jiān)測老年人的體溫、心率、血氧三項生命體征信息。

2)監(jiān)測老年人是否摔倒。

3)獲取老年人的位置信息。

4)將所有監(jiān)測到的信息上傳到云端，并實現(xiàn)實時在線查看所有信息。

5)實現(xiàn)報警功能，其中分為系統(tǒng)的自動報警和使用者的主動報警。

6)數(shù)據(jù)記錄與統(tǒng)計，保存一段時間的生命體征信息數(shù)據(jù)并直觀展示。

系統(tǒng)手環(huán)設(shè)計總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)手環(huán)設(shè)計總體框架圖

1.1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)硬件端代碼編寫

此系統(tǒng)硬件端代碼使用C 語言在Keil uvision5中進行編寫及運行，不同傳感器的驅(qū)動方式大不相同，本系統(tǒng)通過對I2C總線的操控，對芯片中斷的判斷、定時器和看門狗的使用、串口DMA 特殊處理等操作確保各傳感器有條不紊地工作，防止數(shù)據(jù)混亂。

2)體溫模塊

監(jiān)測體溫需要精準度高，變化靈敏的傳感器采集數(shù)據(jù)。因系統(tǒng)設(shè)計需要設(shè)備在37攝氏度上下一定范圍內(nèi)數(shù)據(jù)非常準確，所以本系統(tǒng)選擇高靈敏、監(jiān)測簡單、體積小巧的DS18B20，其阻抗與溫度有著相對應(yīng)的關(guān)系，系統(tǒng)識別出阻抗的大小之后，將其轉(zhuǎn)換為電平信號，再通過A/D 轉(zhuǎn)換，由STM32核心處理器計算出所測體溫的大小[3]。此傳感器只需要一個控制線就可以操作并讀取數(shù)據(jù)，功耗極低，以上特點保證了系統(tǒng)的低功耗，高性能。

3)心率血氧模塊

本系統(tǒng)使用MAX301集成式心率血氧傳感器，模塊集成度高，方便使用。傳感器上的光源會發(fā)出光，光線被待測物體反射至光敏元件后，經(jīng)過STM32核心處理器計算后可得到精準的脈搏信號。同時人體血液在攜帶不同程度氧氣的情況下對紅綠光的吸收率不同，MAX301 通過再監(jiān)測自身發(fā)出光線的吸收率來獲取數(shù)據(jù)。MAX301經(jīng)過長期的優(yōu)化已經(jīng)實現(xiàn)了小體積內(nèi)的高度集成，這使得它在擁有高性能的同時具有低功耗的特性。

4)加速度模塊

為實現(xiàn)摔倒監(jiān)測本系統(tǒng)使用了ADXL345 三軸加速度傳感器，其加速度變換會改變內(nèi)部電壓電阻以及電容的變化情況。其監(jiān)測到的信號直接以數(shù)字形式傳輸?shù)絊TM32核心處理器，不需要使用A/D模塊進行轉(zhuǎn)換。使用者在行走時，身體會有上下起伏，微控制可讀取該傳感器的三組模擬量，通過算法分析處理數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)合成為運動信息[4]。ADXL345 數(shù)字式傳感器具有精度高、穩(wěn)定、反應(yīng)快等優(yōu)點，故此傳感器被各個領(lǐng)域廣泛使用，非常適合智能手環(huán)這樣的穿戴移動設(shè)備。

5)定位模塊

為實現(xiàn)穩(wěn)定的定位，本系統(tǒng)選取可以接收GPS和北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信號的模塊，此模塊通過串口與核心處理器建立通信。此外本系統(tǒng)使用高性能天線，保證定位模塊可以穩(wěn)定工作。

6)顯示模塊

智能手環(huán)的系統(tǒng)必不可少的是顯示信息，此系統(tǒng)中使用TFT 屏幕進行基礎(chǔ)信息顯示，其屏幕由STM32F103核心處理器直接驅(qū)動，各個傳感器監(jiān)測到的基礎(chǔ)生命體征數(shù)據(jù)、地理位置、是否摔倒等信息可以快速展示在屏幕上。

7)報警功能

手環(huán)表盤內(nèi)部設(shè)置震動裝置，由于手環(huán)自帶的GPS 芯片，可以實現(xiàn)定位功能，這樣就可以在老年人遭遇意外的撞擊或者摔倒時，通過體征監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測和定位系統(tǒng)的定位功能，確定老年人所處的位置，并且第一時間向子女的移動設(shè)備發(fā)送警報。當(dāng)老年人需要緊急聯(lián)系家人時，也可以長時間按住三秒手環(huán)電源鍵，第一時間對子女的移動設(shè)備發(fā)出信號。當(dāng)監(jiān)測到智能手環(huán)上有按鍵動作時，監(jiān)測所述按鍵動作，判斷所述按鍵動作是否屬于長時間按住操作，若是，則令智能手環(huán)及子女的移動設(shè)備進入警報狀態(tài)且實時獲得老年人的狀態(tài)信息；若否，則令智能手環(huán)繼續(xù)執(zhí)行正常工作模式。監(jiān)測報警系統(tǒng)可以對老年人摔倒進行識別，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時，以最快的方式進行警報，聯(lián)系親友。

1.2 軟件部分

1.2.1 App系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)App 主要包括5大功能模塊，分別為注冊登錄、暖心推薦、孝心互動、健康記錄、安全維護等。暖心推薦模塊包括推送文章、科普視頻等。孝心互動模塊包括語音聊天、以兒女聲音制成的語音包等。健康記錄模塊包括實時心率、體溫、血氧數(shù)據(jù)顯示等。安全維護模塊包括實時定位、報警系統(tǒng)等。本系統(tǒng)總體功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)App總體功能圖

1)注冊登錄

軟件打開后，未注冊用戶先進行注冊登錄。然后通過GSM 和GPRS 網(wǎng)絡(luò)檢查是否注冊成功,成功后即可建立手環(huán)與App 的連接[5]。已注冊用戶直接用賬號密碼登錄。

2)暖心推薦

首頁每天推送不同的文章及視頻，不僅會根據(jù)老年人的興趣愛好確定推送內(nèi)容，如戲曲、小品等。還會每天推送不同的科普常識內(nèi)容，既有日常生活中可以用到的生活小妙招，又有人們?nèi)菀缀雎缘慕】敌〕ＷR，營造一個綠色健康的App運營環(huán)境。

3)孝心互動

在App 聊天時，老年人可以發(fā)送語音消息，與子女進行實時互動，解決有些老年人不會使用智能手機但想和子女聊天的困境。該系統(tǒng)可以錄制兒女聲音語音包，作為日常生活提醒信息，如提醒老年人按時吃藥、鍛煉等，方便老年人使用。

4)健康記錄

系統(tǒng)通過手環(huán)的核心處理器設(shè)備實時監(jiān)測老年人生命體征及安全情況，進一步把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳到云端，再實時從云端把數(shù)據(jù)取出通過App頁面及Web頁面顯示。系統(tǒng)實時將記錄到的心率、血氧、體溫三項重要指標與預(yù)設(shè)的正常值進行對比判斷，若數(shù)值情況異常，則會在子女移動終端和Web 頁面同時發(fā)出警報。

5)安全維護

該系統(tǒng)具有實時定位功能及報警系統(tǒng)。報警模式分為兩種，一種是摔倒監(jiān)測，即在監(jiān)測到老年人摔倒時，在相關(guān)頁面發(fā)出醒目警報。另一種是一鍵報警，即在老年人不舒服或遇到危險時，主動按下相應(yīng)按鈕，使各界面實時顯示報警信號。另外，在危機解除后，可通過一鍵復(fù)位功能將警報解除。

1.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)開發(fā)平臺

本系統(tǒng)采用APICloud 平臺進行環(huán)境搭建以及產(chǎn)品開發(fā)。這種混合型App開發(fā)平臺具有前端開發(fā)、后端開發(fā)、產(chǎn)品系統(tǒng)、要求分析、定制專屬服務(wù)等功能[6]。使用HTML5 技術(shù)開發(fā)Android、iOS 原生應(yīng)用，降低了很多時間和人工成本，縮減開發(fā)過程中繁雜重復(fù)性工作[7]。其功能強大，支持硬件加速，原生UI 模塊功能和Html代碼完全融合，跟隨頁面滾動，模塊很多，調(diào)用也極其方便。

2)語音聊天設(shè)置

本系統(tǒng)語音聊天部分采用了TTS技術(shù)，并且借助于科大訊飛提供的語音庫和微軟的Microsoft Speech SDK 5.1 語音開發(fā)包作為開發(fā)工具[8]。本語音聊天系統(tǒng)可以將外部輸入的語音信息和手環(huán)等設(shè)備產(chǎn)生的文字信息轉(zhuǎn)換為標準的漢語。

3)語音包設(shè)置

科大訊飛提供了比較成熟的語音技術(shù)，其所具有的語音識別、語音合成，語音+等免費服務(wù)都非常適合本系統(tǒng)的研究與設(shè)計[9]。經(jīng)過多次實踐與比較，本系統(tǒng)決定使用訊飛語音提供的Software Develop Kit 來進行語音包的設(shè)置。

1.3 App與手環(huán)連接部分

1.3.1 所完成的功能

STM32F103 核心處理器將處理后的數(shù)據(jù)通過4G模塊和MQTT 協(xié)議與阿里云建立連接，再從云端向移動設(shè)施傳輸，在相應(yīng)Web網(wǎng)頁和App均可看到實時數(shù)據(jù)情況。

1.3.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)通信模塊

此系統(tǒng)硬件端的最重要任務(wù)之一是保證穩(wěn)定實時的數(shù)據(jù)通信。因為4G覆蓋廣，且4G傳輸速度高延時低，選取4G通信可以保證通信無死角，通信實時性高。本系統(tǒng)在系統(tǒng)中使用STM32F103 的串口2 和4G模塊進行數(shù)據(jù)通信，STM32F103核心處理器將處理后的數(shù)據(jù)通過4G模塊上傳到云端。因為數(shù)據(jù)傳輸需要實時進行，且遠程數(shù)據(jù)通信功耗大，在系統(tǒng)設(shè)計時需要配合軟件代碼科學(xué)工作。當(dāng)今我國4G 發(fā)展已經(jīng)非常成熟，在越來越多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用4G 模塊，模塊聯(lián)網(wǎng)只需要插入普通SIM 卡，使用方便。相比NB 模塊，4G 模塊具有信號普及范圍廣、速度快、延時低、穩(wěn)定性高一系列優(yōu)點。

2)云服務(wù)器

本系統(tǒng)選取阿里云平臺作為服務(wù)器。STM32 核心處理器計算處理各路傳感器收集到的數(shù)據(jù)后，通過4G模塊使用MQTT協(xié)議與阿里云建立連接，設(shè)備三元組與自己私有云端進行識別并建立準確連接，將硬件端數(shù)據(jù)代碼與阿里云端進行統(tǒng)一，最終通過字符串重組將硬件端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為json 格式的數(shù)據(jù)發(fā)送給阿里云，阿里云通過解析json格式數(shù)據(jù)將不同傳感器數(shù)據(jù)分離并對號入座，至此完成數(shù)據(jù)從硬件設(shè)備端到云端的傳輸，再通過阿里云傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備終端，阿里云平臺效果展示如圖3所示。

圖3 阿里云平臺頁面展示

3)終端數(shù)據(jù)顯示

終端數(shù)據(jù)顯示采用Web和App兩種方案，保證用戶實時查看。顯示界面提供了歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計圖進行直觀顯示。顯示的數(shù)據(jù)直接從阿里云獲取，網(wǎng)頁和App 亦通過MQTT 協(xié)議和阿里云建立連接。網(wǎng)頁端與App端頁面展示如圖4、圖5所示。

圖4 Web 網(wǎng)頁展示

圖5 App頁面展示

2 結(jié)論

綜上所述，本系統(tǒng)設(shè)計了一款針對呵護老年人身心健康的智慧語音健康養(yǎng)老系統(tǒng)。硬件部分通過各類傳感器對老年人的心率、血氧、體溫等生命體征及安全情況進行實時監(jiān)測，并將這些數(shù)據(jù)通過4G 模塊及云服務(wù)器同步到移動設(shè)備端和Web網(wǎng)頁端，當(dāng)老年人異常時設(shè)置警報。軟件部分則通過APICloud平臺、HTML5 技術(shù)、TTS 技術(shù)以及Microsoft Speech SDK 5.1語音開發(fā)包等開發(fā)工具設(shè)置了很多拓展性功能，通過互聯(lián)網(wǎng)為老年人提供線上養(yǎng)老服務(wù)，提升智慧養(yǎng)老水平。相對市場上現(xiàn)有智慧養(yǎng)老類產(chǎn)品而言，該系統(tǒng)的設(shè)計使用更便捷、功能更齊全，非常適合運用于老年人長期的身心健康護理，在使用過程中會產(chǎn)生很大的成效。另外，受時間和團隊經(jīng)驗的限制，研究與設(shè)計還有一些不足之處，下一步筆者將完善系統(tǒng)功能、美化系統(tǒng)外觀、提升客戶滿意度等。希望可以通過此系統(tǒng)，促進養(yǎng)老服務(wù)高質(zhì)量發(fā)展，提高養(yǎng)老服務(wù)的水平，從而有助于保障老年人身心健康。