219388448_基于树莓派的独居老人健康监护系统

第８期２０２３年４月无线互联科技
ＷｉｒｅｌｅｓｓＩｎｔｅｒｎｅｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｎｏ ８Ａｐｒｉｌ，２０２３
作者简介：屈硕（１９９６ ），男，陕西渭南人，硕士研究生；研究方向：电子信息工程㊂
基于树莓派的独居老人健康监护系统
屈㊀硕，邱力军，张秦伟
（西京学院，陕西西安７１０１２３）
摘要：近几年，随着我国经济社会发展和人民生活水平的日益提高，人口老龄化的趋势日益增长明显㊂第四次中国城乡老年人生活状况抽样调查显示，我国 空巢老人 人数已突破１亿㊂老龄化㊁少子化㊁经济发展带来的工作流动，让老人们独居成了普遍状态㊂独居老人是特殊的老年群体，他们缺少亲人的陪伴，一旦发生意外很容易出现救助不及时的情况㊂鉴于上述原因，独居老人的平安居家养老问题已经成为社会需要解决的问题之一㊂文章提出了一种基于树莓派软件平台来监护老人健康的系统，实现了对独居老人远程实时的健康监护㊂系统通过接收传感器节点采集到老人的血压信息㊁血氧信息和体表温度信息，通过对数据的解析给出老人健康质量报告㊂如果发生老人摔倒等突发事件，系统会自动发送设置好的短信和邮件通知其紧急联系人㊂关键词：独居老人；树莓派；健康监护中图分类号：ＴＰ２７４㊀㊀文献标志码：Ａ
０㊀引言
㊀㊀随着人口增长放缓与人口老龄化的进程加快，我国老年人口比例越来越大，尤其是大城市的老龄化趋势越来越明显［１］㊂伴随着第一批独生子女的父母逐渐步入老年，独生子女也已进入中年㊂他们面临着４个老人的赡养与１个孩子的抚养，家庭负担越来越重［２］㊂在如今快节奏的生活方式下，子女或其他家人的生活习惯㊁作息时间跟老人之间有很大不同，这也使得更多的老年人成为独居老人［３］，面临着居家养老的许多生活不便或者困难，甚至是安全风险隐患㊂为化解独居老人的居家养老安全风险，更好地满足基本养老服务需求，使用智能系统实现对独居老人的实时动态健康监测显得尤为重要㊂１㊀系统设计
１ １㊀系统总体框架
㊀㊀该系统选用树莓派４代Ｂ作为开发主板㊂树莓派４Ｂ是一种基于ＡＲＭ的微型便携电脑主板，可搭载Ｌｉｎｕｘ系统，并且在处理器速度上与树莓派２／３Ｂ相比有明显提升㊂除了具备计算机的基本功能外，该主板还配备ＧＰＩＯ接口㊂通过ＧＰＩＯ接口可以外接体温传感器㊁心率血氧传感器以及药品压力传感器等外围设备，采集老人体温㊁心率㊁血压㊁药品重量等数据，并将采集的数据存储在ＳＱＬｉｔｅ数据库中［４］㊂为了实时监测老人的居家情况，该系统使用外接摄像头将目标检测视频传输至Ｗｅｂ服务器，用户可以利用手机㊁电脑㊁平板等设备通过网络连接到Ｗｅｂ服务器上进行查看㊂该树莓派４代Ｂ平台集Ｗｅｂ服务器㊁数据库㊁控制系统于一体，形成Ｂ／Ｓ工作模式，灵活小巧便于用户远程监控㊂系统总体框架流程如图１所示㊂１ ２㊀硬件设计
㊀
㊀本系统是通过通信技术将控制设备㊁体温传感器㊁心率血压传感器㊁红外感应传感器㊁压力传感器㊁摄像
图１㊀系统总体框架流程
头舵机台等连接在一起，具有以下多种功能作用㊂１ ２ １㊀树莓派控制模块
㊀㊀选取树莓派４Ｂ作为本次系统控制器，使用ＳＤ卡作为 硬盘 具有移动便携性㊂树莓派通过自身ＧＰＩＯ引脚连接各项传感器，能够有效地将各项传感器监测的数据传输到数据库中，并且将数据上传到Ｗｅｂ服务器，使监护人能够实时关注老人的各项体征指标㊂本次设计采用Ｌｉｎｕｘ操作系统，搭载ＯＰＥＮＣＶ环境完成目标检测功能，实时传输目标监控到监护人移动终端和ＯｎｅＮＥＴ平台㊂１ ２ ２㊀体温检测模块
㊀㊀体温检测模块使用红外测温，主要应用于红外测温仪㊁测温门系统㊁人脸识别一体机等㊂通过体温检测器内部的光学系统，在探测部位转化为电信号，将该信号转化为温度数据返回到树莓派数据库㊂红外测温器具有高精度㊁响应快的特点，对于独居老人体温的检测会更加准确快捷㊂１ ２ ３㊀心率血压检测模块
㊀㊀心率血压检测模块用来检测独居老人每日健康状况，并将数据传输到云端㊂当老人心率血压出现突发性异常时，会迅速发送短信提醒监护人㊂模块可分
为两部分㊂一部分为模拟信号采集电路，检测模块通过ＲＥＤ和ＩＲ灯发出特定固有波长光，并且采集反射光，经过光电二极管将光信号转化为电信号，最终经过Ａ／Ｄ转换器将模拟信号转化为数字信号㊂另一部分为数字处理电路，将Ａ／Ｄ转换出来的原始数据进行滤波处理后放置于数据缓冲区内，树莓派通过ＩＩＣ接口读写芯片内部寄存器并读取相应的数据㊂
１ ２ ４㊀红外感应模块
㊀㊀红外感应模块用于每日语音播报，提醒老人在固定时间服药，便于老人感应驱动舵机自动取药的操作㊂红外感应传感器通过热释电原理进行工作，当感应到老人取药时，药盒自动打开，取走药品后药盒自动关闭㊂１ ２ ５㊀压力传感检测模块
㊀㊀药盒下方置有薄膜压力传感器，药盒中的药品余量不足时，设定药品压力阈值通过压力检测出药物量多少，并向监护人发送 药量不足，请补充 的短信提示㊂压力传感器主要工作原理是通过阈值设定在起始阶段，当压力突破一定压力阈值之后，导通电阻有一个限定范围，设定阈值之前ＦＳＲ相当于一个开关㊂当超过设定阈值时，ＦＳＲ的电阻与压力之间就呈现一种连续变化的关系㊂
１ ２ ６㊀舵机云台模块
㊀㊀树莓派４Ｂ含有摄像头内置驱动，只需外接一个摄像头和舵机云台的搭建，进行配置组装与树莓派驱动处相连即可㊂摄像头云台监控含有目标检测和ＹＯＬＯｖ５使用，需要进行模型训练，首先通过对实时视频监控数据进行预处理，接着引入领域信息，将其输入ＹＯＬＯｖ５网络进行对老人发生突发事件的实时监控检测㊂
１ ３㊀软件设计
㊀㊀此系统采用Ｌｉｎｕｘ作为树莓派的操作系统㊂在官网上镜像下载Ｌｉｎｕｘ系统包，可以迅速搭建Ｌｉｎｕｘ系统㊂本次设计采用的ＶＮＣ工具是ＶＮＣｖｉｅｗｅｒ㊂只需在ＶＮＣｖｉｅｗｅｒ的登录界面输入树莓派的ＩＰ地址，输入树莓派的用户名和密码，便可远程访问树莓派界面进行通信㊂
本设计主要完成体征监测㊁提醒服药㊁目标检测和监控功能，因此在设计时依照功能需求对系统程序进行模块化设计㊂体征检测和提醒服药程序设计流程如图２所示㊂
具体工作如下：当每日设定服药时间到达时，语音播报提醒老人按时服药㊂若在此时通过传感器信息测得老人的生理参数包括体温㊁心率㊁血氧等发生异常，将迅速通过信息提醒监护人老人身体状况㊂若此时药品重量小于阈值，则通过信息提醒监护人须及时补充药品㊂该系统在此环节中还设置了一键求救功能，若老人发生紧急意外或突然跌倒无法起身，但具备自主意识时，使用者可以通过一键求救功能，将 我需要帮助 信息发送至监护人移动端㊂目标检测功能程序如图３所示
㊂
图２㊀
体征检测和提醒服药程序设计流程
图３㊀目标检测功能程序流程
树莓派联入网络后可以将每日检测到的老人体温㊁心率㊁血氧等数据上传至ＯｎｅＮＥＴ云端，监护人可随时通过手机移动端进行查看㊂移动端通过访问树莓派实时目标监控画面进行实时监控㊂云端服务器流程如图４所示㊂
图４㊀云端服务器流程
２㊀软硬件调试
２ １㊀系统测试
㊀㊀本系统主要由树莓派平台及其外围模块（薄膜压力传感器㊁舵机云台摄像头）组成㊂其中，树莓派为中心控制器，进行网络信息的传输和对各外围模块采集到信息的处理㊂各外围模块分别进行下述各类信息的收集：体温传感器检测老人实时体温；心率血压传感器检测老人心率血氧情况；红外感应传感器用来感应药盒开关；舵机云台摄像头模块进行实时目标监测等㊂２ ２㊀功能实测分析
㊀㊀在体温心率检测中，温度区间设置为３６ ３７ ５ħ，经测试超出设置温度区间时报警信息发送到手机端㊂当老人心率血压超过医学参考范围，数据被传送到ＯｎｅＮＥＴ，并且将信息发送到监护人手机端㊂语音播报将在规定的时间段内提醒老人进行药物服药，若药盒的压力传感器检测到药品重量小于设定阈值，通过手机端提醒监护人 药量不足，请补充 ㊂目标检测监控实现了对老人的动态监测，发生㊀㊀突发事件便于及时的处理㊂提前进行算法模型训练，主要通过先对实时视频监控数据进行预处理，接着引入领域信息，将其输入ＹＯＬＯｖ５网络进行对老人发生突发事件的实时监控检测㊂将通过各项功能检测到的数据上传到ＯｎｅＮＥＴ云端并保存，通过电脑㊁手机端都可查看㊂
３㊀结语
㊀㊀独居老人健康监护系统是提升独居老人幸福感㊁增加独居老人子女安全感的重要途径，本系统主要将树莓派结合传感器技术和摄像头舵机云台物联网技术运用于老人健康监护㊂该系统使用多种传感器，实现了对老人健康检测等数据的采集，通过压力传感器对药品量进行实时控制，使用摄像头舵机云台实现目标检测实时监控，所获取的数据具有良好的实时性与准确性㊂该系统主要运用了各种数据库和Ｗｅｂ服务器，便于研究人员调用编写和测试，并使用ＯｎｅＮＥＴ云端以及ＩＦＴＴＴＡｐｐ进行监控提示和数据的通信，便于监护人监护㊂
参考文献
［１］张朕．智慧医养护一体化服务平台分析与设计［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２０２０．
［２］周真宇．子女支持对城市空巢老人精神健康的影响［Ｄ］．重庆：重庆工商大学，２０２１．
［３］蒋承钰．高校社区高知空巢老人健康保障服务介入［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２０２０．
［４］张自豪．基于可穿戴设备的社区监护系统［Ｄ］．南宁：广西师范大学，２０２１．
（编辑㊀王雪芬）
ＨｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｅｌｄｅｒｌｙｌｉｖｉｎｇａｌｏｎｅｂａｓｅｄｏｎＲａｓｐｂｅｒｒｙＰｉ
ＱｕＳｈｕｏ ＱｉｕＬｉｊｕｎ ＺｈａｎｇＱｉｎｗｅｉ
ＸｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｘｉ ａｎ７１０１２３ Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ ｗｉｔｈｔｈｅｅｃｏｎｏｍｉｃａｎｄｓｏｃｉａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣｈｉｎａａｎｄｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｐｅｏｐｌｅ ｓｌｉｖｉｎｇｓｔａｎｄａｒｄｓ ｔｈｅｔｒｅｎｄｏｆｐｏｐｕｌａｔｉｏｎａｇｉｎｇｈａｓｂｅｃｏｍｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｏｂｖｉｏｕｓ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆｏｕｒｔｈｓａｍｐｌｅｓｕｒｖｅｙｏｎｔｈｅｌｉｖｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｅｌｄｅｒｌｙｉｎＣｈｉｎａ ｓｕｒｂａｎａｎｄｒｕｒａｌａｒｅａｓ ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆ ｅｍｐｔｙｎｅｓｔｅｒｓ ｉｎＣｈｉｎａｈａｓｅｘｃｅｅｄｅｄ１００ｍｉｌｌｉｏｎ．Ｔｈｅａｇｉｎｇ ｃｈｉｌｄｌｅｓｓｎｅｓｓａｎｄｊｏｂｍｏｂｉｌｉｔｙｂｒｏｕｇｈｔｂｙｅｃｏｎｏｍｉｃｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｈａｖｅｍａｄｅｔｈｅｅｌｄｅｒｌｙａｃｏｍｍｏｎｓｔａｔｅｆｏｒｔｈｅｅｌｄｅｒｌｙ．Ａｓｔｈｅｅｌｄｅｒｌｙｇｅｔｏｌｄｅｒ ｔｈｅｉｒｐｈｙｓｉｃａｌｆｉｔｎｅｓｓａｎｄｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓｂｅｃｏｍｅｗｅａｋｅｒ ａｎｄｔｈｅｒｉｓｋｏｆｄｉｓｅａｓｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．Ｔｈｅｅｌｄｅｒｌｙｌｉｖｉｎｇａｌｏｎｅａｒｅａｓｐｅｃｉａｌｇｒｏｕｐｏｆｅｌｄｅｒｌｙｐｅｏｐｌｅｗｈｏｌａｃｋｔｈｅｃｏｍｐａｎｙｏｆｔｈｅｉｒｒｅｌａｔｉｖｅｓａｎｄａｒｅｐｒｏｎｅｔｏｕｎｔｉｍｅｌｙａｓｓｉｓｔａｎｃｅｉｎｃａｓｅｏｆａｃｃｉｄｅｎｔｓ．Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅａｂｏｖｅｒｅａｓｏｎｓ ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｈｏｍｅ－ｂａｓｅｄｃａｒｅｓｅｒｖｉｃｅｓｓａｆｅｌｙｆｏｒｔｈｅｅｌｄｅｒｌｙｌｉｖｉｎｇａｌｏｎｅｈａｓｂｅｃｏｍｅｏｎｅｏｆｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｔｈａｔｓｏｃｉｅｔｙｎｅｅｄｓｔｏｓｏｌｖｅ．ＴｈｉｓｔｈｅｓｉｓｐｒｏｐｏｓｅｓａｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＲａｓｐｂｅｒｒｙＰｉｓｏｆｔｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｔｏｍｏｎｉｔｏｒｔｈｅｈｅａｌｔｈｏｆｔｈｅｅｌｄｅｒｌｙ ｗｈｉｃｈｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｒｅｍｏｔｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｔｈｅｅｌｄｅｒｌｙｌｉｖｉｎｇａｌｏｎｅ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｒｅｃｅｉｖｅｓｔｈｅｂｌｏｏｄｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂｌｏｏｄｏｘｙｇｅｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｂｏｄｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｌｄｅｒｌｙｆｒｏｍｔｈｅｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅｓ ａｎｄｇｉｖｅｓｔｈｅｈｅａｌｔｈｑｕａｌｉｔｙｒｅｐｏｒｔｏｆｔｈｅｅｌｄｅｒｌｙｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｄａｔａ．Ｉｎｃａｓｅｏｆｕｎｅｘｐｅｃｔｅｄｅｖｅｎｔｓｓｕｃｈａｓｆａｌｌｓ ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｓｅｎｄｓｅｔＳＭＳａｎｄｅｍａｉｌｔｏｎｏｔｉｆｙｔｈｅｉｒｅｍｅｒｇｅｎｃｙｃｏｎｔａｃｔｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｅｌｄｅｒｌｙｐｅｏｐｌｅｌｉｖｉｎｇａｌｏｎｅ Ｒａｓｐｂｅｒｒｙｐｉ ｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ。