基于云服务器远端管理的老人看护系统*

刘 凯，王亚龙，强 威，张钧杰，靳全峰，高宏峰

(河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471023)

基于云服务器远端管理的老人看护系统*

刘 凯，王亚龙，强 威，张钧杰，靳全峰，高宏峰

(河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471023)

针对老人突发疾病及摔倒等情况，设计了一款智能老人看护系统。系统基于规模可控的云服务器架构，通过温度、心率、加速度传感器采集老人生理指标、生活起居信号以及运动数据，通过基于CC3200芯片设计的终端把数据发送到云服务器，云服务器对老人数据进行分析整理后存储在数据库中。用户可以通过手机客户端或网页浏览器，登陆网站实时查看老人生活相关信息。当系统检测到异常时，通过GSM模块将报警信息发送到看护人员的手机上。系统具有实时性高、扩展方便、维护成本低的特点。

云服务器；老人看护系统；CC3200；跌倒检测；MPU6050

从2015年以来，我国人口老龄化呈现快速发展的趋势[1]。近些年来在老年人群中高血压，心脏病，心脑血管梗塞等疾病频发。但是在老年人突发疾病或遇到紧急情况的时候，却很难得到及时有效的治疗。

目前市面上所见的老人看护系统或者具有看护功能的可穿戴设备，大多是通过运动传感器测量监控老人状态，通过WIFI或GPS定位技术确定老人位置，在老人遇到突发情况时发送报警信息。鉴于以上类型的老人看护系统大都是单机独立运作，功能单一、可维护性、扩展能力较差，本文设计一种以TI公司CC3200WIFI一体化微控制器作为主控的智能终端，并基于远程云服务器管理的看护系统。

CC3200微控芯片是TI公司生产的集合WIFI处理单元和ARM cortex-M4核心的单片机，它不仅集成了网络运输层的TCP/UDP协议，并且支持多种网络应用层协议，如HTTP、FTP等[2]。系统采用CC3200芯片设计看护终端具有集成度高、低功耗、低成本等特点。系统各个终端独立运作，由云服务器负责对各个终端进行协调管理工作，可满足大量老人看护用户的需求，降低了看护成本。

1 系统架构

老人智能看护系统的框图如图1所示，主要包括智能看护装置、无线路由器、云服务器及手机客户端。传感器节点即智能看护装置负责监控老人的身体状况，并通过CC3200芯片集成的HTTP通信协议向服务器发送POST表单提交数据。云服务器服务程序获取POST表单中的数据存储到数据库中，同时为手机客户端的访问提供服务。

图1 智能看护系统的总体框图

系统总共分为三个层次：数据采集处理及传输、云服务器平台、用户终端访问。数据采集处理及传输层包括分散运作的一个个传感器节点。每个节点主要由温度、心率、加速度传感器，GPS、GSM模块，CC3200主控芯片组成；云服务器平台包括数据库和服务器程序；用户终端单元包括系统配套的Android APP和网页浏览器。云服务器负责接收各个传感器节点上传的数据，并同时为手机客户端提供查询服务。

2 看护装置设计

智能看护装置的硬件结构如图2所示，微控制器CC3200通过I2C总线驱动MPU6050加速度传感器与红外温度传感器。装置通过计算加速度信息的变化量，记录老人走路步数以及判断老人是否跌倒。当发生紧急情况时，微控制器使能片内WiFi无线处理模块,将相应的报警信息通过GSM模块发送给监护人。心率传感器与CC3200芯片的AD转换端口连接，CC3200通过AD采样后可计算出心率。另外GSM和GPS与CC3200的UART端口相连，前者用于发送报警短信，后者用于获取老人位置。

图2 看护装置硬件结构图

软件主要包括温度、心率传感器处理、报警、跌倒检测及计步子程序。

图3为温度、心率传感器处理子程序流程图，如果温度、心率超过设定的阈值，就执行报警程序。

图4为报警子程序流程图。如果检测到指标超出阈值，就判断是否出现误警，若为误警，则按取消键。否则使能GPS获取坐标，将信号发送到云端。

图3 温度心率监控服务程序 图4 报警子程序

跌倒检测算法如下：

通过计算9轴运动传感器MPU6050实时测量得到的X，Y，Z三个方向的加速度和角度的动态变化范围判断是否跌倒。下面公式中ax表示人体前后方向上的加速度，ay表示人体左右方向上的加速度，az表示人体竖直方向上的加速度，SVM表示人体的合加速度[3]。

经过分析实际测量得到的数据可知，每次人体摔倒都会出现一个SVM<3的时间段，同时人体摔倒在地后，人体在X轴或Y轴方向上的角度变化将会超过60度。所以每次看护装置检测到SVM<3时，间隔1s后读取X轴，Y轴角度，如果某一个方向上的角度变化超过60度，判断老人摔倒并启动报警铃声，如果老人在20s内不能取消报警，看护装置立即发送报警短信。

计步算法：分析实际测量数据可知：人体在走路和跑步时合加速度会呈现规律性的变化，接近正弦波形，通过计算波峰的个数即可得出人体运动的步数。

干扰问题：主要有两种干扰影响计步，杂波干扰和高频抖动干扰。经过测试可知，人体走路的过程中合加速度值最小为12，所以只统计峰值超过12的波峰个数，排除杂波干扰。人体步行和跑步的频率范围在0.2～5Hz之间，步伐之间的最小时间间隔为0.2s[4]。所以看护装置利用CC3200单片机的定时器中断，记录每次出现波峰的时间，如果相邻的时间小于0.2s就不计步，排除高频干扰。

3 云服务器设计

云服务器简称ECS，可以为中小企业用户提供处理能力可弹性变化的计算服务[5]。本系统使用阿里云平台的服务器，可以随着用户规模的变化扩大或减小服务器的处理核心数量、租用的带宽和流量，具有成本可控、扩展性强的优点。系统选用Linux作为后台服务系统，使用阿里云平台兼容的MySQL数据库储存数据。

图5是云服务器的主要架构。云服务器作为本系统的核心层，同时为Web端、手机客户端和传感器节点(即看护装置)提供接口支持，主要负责处理存储传感器节点上传的数据，以及为用户访问提供注册与登录，权限管理，老人信息查询，设备管理，紧急情况报警等服务。

图5 云服务器架构

手机客户端访问：用户可通过Android客户端完成注册账号，添加和删除设备，查询老人信息，设置报警联系电话等操作。

Web浏览器访问：Web端除了提供上述功能外，为系统管理机构提供了权限管理，系统使用多级管理模式，每个系统管理员拥有各自的管理权限，不得越权管理。

4 手机客户端设计

Android APP采用MVC分层开发模式，有效降低了各个模块程序的耦合度，便于后期维护工作。图6是APP的架构图。

图6 Android客户端架构

界面层负责人机交互，由3个Activity界面分别负责不同的功能，使操作更加方便。业务层负责处理来自界面层数据，并在需要时从数据层数据库中读取数据传送到界面层显示。数据层负责使用网络连接云服务器获取数据然后存储到Android系统中的SQLite数据库中，在接到业务层请求时从数据库

中查询数据并发送到业务层处理。

5 结束语

本文介绍了一种可独立运作又能远程统一管理的老人看护系统。系统以CC3200为核心芯片，支持多种网络应用层协议，采用分层架构增强了系统的扩展性。系统能够实时监控并记录老人的健康状况及运动状况，并且可在老人发生紧急情况时及时报警。实验结果表明，该系统具有实时性高、扩展方便、建设和维护成本低的特点。

[1] 穆光宗，张团.我国人口老龄化的发展趋势及其战略应对[J].华中师范大学学报(人文社会科学版),2011(5)：29-36.

[2] 沈建华.CC3200WI-FI微控制器原理及实践[M].北京：北京航空航天大学出版社,2015.11.

[3] 卓从彬，杨龙频，周林，等.基于MPU6050加速度传感器的跌倒检测与报警系统设计[J].电子器件,2015,38(4):821-825.

[4] 刘程，阳洪.自适应计步检测算法研究[J].压电与声光,2015,37(2):258-270.

[5] 杨智宇.PHPS+MySQL动态网站开发指南[M].北京：科学出版社,2008.6.

Elderly Nursing System Based on Cloud Server’s Remote Management

Liu Kai, Wang Yalong, Qiang Wei, Zhang Junjie, Jin Quanfeng, Gao Hongfeng

(CollegeofInformationEngineering,HenanUniversityofScienceandTechnology,LuoyangHenan471023,China)

This paper designs an intelligent elderly nursing system to solve the problem of accident illness and falling of the elders. The system is based on cloud server architecture whose size can be managed. The system collects physical signs, living signal and exercise data of elderly by temperature sensor, heart rate sensor and acceleration sensor. The data is sent to cloud server by the terminal that is designed with CC3200 chip. The cloud server analyzes, organizes and stores data in database. User can login in website to browse the elderly information by mobile phone client or web browser. When abnormal behavior is detected, the system sends alarm messages to mobile by GSM module. Experiment shows that the system has characters of high real-time, easy to extend, low costs of maintenance.

cloud server; elderly nursing system; CC3200; fall detecting; MPU6050

2016-11-11

2016年度河南科技大学大学生研究训练计划资助(2016036)；2015年河南科技大学教学改革项目(2015YBZD-004)；2016年国家级大学生创新创业训练项目(201610464020)

刘 凯(1996- )，男，河南驻马店人，本科生，主要研究方向为嵌入式开发。

1674- 4578(2017)01- 0026- 03

TP 277

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