基于Android 的智能老人助理系统设计

邢 雪，李 磊

中国人口老龄化问题日益严重，在当今生活节奏下，子女不能长时间陪伴老人已成为重大社会问题之一［1-2］.很多子女为方便同老人的沟通，都会给老人配备智能手机.虽然智能手机的功能日趋强大，但受到自身因素的影响，老年人在使用智能手机时仍存在一定的不便性，尤其是按键输入方面.因此，面向老年人的生活需求，亟需一款手机APP，通过语音输入的方式，借助互联网和拥有智能传感器的辅助硬件设备（智能小车），智能化地改善老年人生活的质量［3-4］.

近些年，随着社会老龄化问题日渐加剧，许多研究已经侧重于为老年人群服务.文献［5］提出一种基于语音及手势控制的智能助老助残系统，系统的单片机底层通信采用NRF24L01 进行数据的收发，设计主体侧重于语音及手势识别.文献［6］和文献［7］提出针对老年人和有障碍人士的辅助设计.这些研究比较注重硬件的辅助能力，忽视了软件的强大服务功能.因此，本研究以服务老龄人群为目的，基于Android 技术开发了智能老人助理系统.该系统的软件部分为移动控制终端APP，安装于智能手机.通过语音控制或者图形化的操作界面使老人能够直观方便地操作APP，帮助老人实现事务备忘和提醒、查询与获取生活百科或媒体资讯、与他人通讯等需求.该系统硬件部分主要是智能硬件小车.该小车使用单片机作为核心处理芯片，受控于安装在智能手机上的软件，实现巡视房间、寻找物品、监控环境温度、湿度和危险气体等功能.

1 系统功能需求

系统根据老年人群的实际生活需求，并结合服务推荐策略［8］，辅助实现对老年人生活环境的状态监控、常用物品的管理、事物备忘及提醒、通过语音交互方式提供娱乐服务等功能.

状态监控实现手机应用对智能硬件小车的通讯连接，对智能硬件小车进行控制，以及监控和获取小车的各种实时状态，例如小车的连接状态、房间的温度状态、湿度状态，以及房屋中危险气体状态.在监控中发现危险气体时，系统进行报警提示，防止老人的安全受到威胁.

物品管理功能主要帮助老人确定所需生活物品的位置.物品管理功能首先需要帮助老人将生活中物品放置的各个位置进行标记和存储，利用小车加载的RFID 模块和超高频RFID 标签对物品进行标记.当老人忘记某件物品放置的位置时，可以通过软件下达对该物品进行查找的指令.智能小车收到查找指令后开始巡航并对房屋内物品进行扫描，扫描到指定物品的RFID 标记贴纸后，小车靠近并提示，以此实现系统对物品的管理和智能自动寻物的功能.

事务备忘提醒功能主要应对老人记忆力衰退导致的“忘事”状态，对吃药、看病、做饭、买菜等日常生活中的事情进行提醒.系统可以通过语音输入方式进行提醒事件记录，系统设定相应的时间将备忘的事务提醒给老人，方便老人的日常起居.

生活助理功能以语音交互方式，为老人的生活和娱乐提供相应的服务，功能上大致分为五类，包括生活辅助类、百科查询类、媒体资讯类、新闻广播类和娱乐音频类，让老人能够和年轻人一样享受网络时代带来的便利.

由于老人生活空间存在一定的复杂性，为了实现环境状态的监控和常用物品的管理，智能硬件小车应配置红外和超声波传感器，以及温湿度等传感器，能够自主检测障碍物并躲避.

2 系统设计

根据智能老人助理系统的功能需求、实际可行性需求和实用性需求，本系统将设计两个主要部分，它们分别为移动控制终端APP和智能硬件小车终端节点.用户通过Android手机上的软件客户端对本系统进行操作，客户端所在Android 手机及硬件智能小车需要同时连接相同的局域网，即连接相同的无线路由器.客户通过简洁的图形化界面和语音化操作来使用本系统的手机软件.

智能老人助理系统中移动控制终端APP的功能需要依赖广域互联网，所以要对互联网进行请求和连接.出于安全性的考虑，智能硬件小车以本地局域网方式运行.智能硬件小车不会连接和请求广域互联网，而是通过局域网与客户端APP 进行通讯.局域网和广域网两种数据通讯互相隔离，保证了硬件的安全性.

系统实现主要分为移动控制终端APP 和智能硬件小车两部分.整体功能结构如图1 所示.

图1 智能老人助理系统整体结构图

3 系统详细设计

3.1 硬件系统设计

硬件辅助系统采用基于单片机的智能避障小车对房间进行自动巡视.利用传感器获取房间中的各种数据信息（例如温度、湿度、烟雾及可燃气体状态），以及房屋中的物品标签搜索信息.通过Wi-Fi 模块将房间实时的状态信息，以及对智能小车的指令信息与客户端APP 进行数据通讯，使用户可以利用APP直观方便地对房间物品进行管理和查找，并对房间中的状态信息进行查看，在危险情况下向老人进行报警提示.单片机核心板选用STM32F103ZET6 最小系统板，该板是一种嵌入式微控制器的集成电路（IC），是ST 公司开发的STM32F1 系列之一［9］.

（1）电源供电系统及供电模块LM2596S外围电路.智能小车电源供电系统通过两节3.7 V 电压的18650 锂电池串联供电，通过电源开关控制通断.电压表测量电池电压以保证电池电量充足，通过滤波电容和LM2596S 降压模块，将电压降压为5 V.整体的电源供电系统电路及部分外围电路图如图2 所示，电源供电模块部分及外围电路的电路图如图3 所示.

（2）电机驱动芯片L293D 及外围电路.智能小车由四个轮子组成，分别用四个直流电机进行驱动，每个轮子都可独立进行转速控制和转动方向控制.电机驱动芯片选用两片L293D 对四个电机进行控制.单片机相应的管脚与两个电机驱动芯片的八个输入引脚进行连接，对四个电机的正反转进行控制.

图2 电源供电系统电路图

图3 电源供电模块电路图

四个车轮转动与单片机相应管脚对应的关系如表1 所示.电机驱动模块L293D 及相应的外围电路图如图4 和图5 所示.

图4 左侧电机驱动模块电路图

图5 右侧电机驱动模块电路图

表1 车轮转动与单片机管脚对应表

（3）智能小车搭配模块设计.在智能小车上搭载JT.2880 超高频RFID 模块，实现利用RFID 模块和RFID 标签完成物品标记和寻找功能［10］.选用DHT11 温湿度传感器模块获取房间内的温度和湿度.选用MQ-2 气体传感器模块检测房屋内烟雾和可燃气体，为老人生活安全提供保障.选用ESP8266 Wi-Fi 模块连接房屋Wi-Fi 局域网，实现与上位机APP 的通讯，接收上位机APP 下达的各类指令.

智能小车整体实物如图6 所示，小车四个车轮分别由四个独立的电机驱动，且可以独立控制每个车轮的旋转方向，由于四个轮子都是固定轮，所以智能小车的转向方式采取履带车转向模式，利用小车两侧车轮不同的旋转方向来控制小车的转向，通过单片机管脚输出相应的PWM 信号控制车轮的转速.

图6 智能小车整体实物图

智能小车的车头正中是一个舵机支撑起的超声波测距模块与RFID 模块及天线，通过控制舵机的转动，控制RFID 模块与超声波测距模块的朝向，以探测指定角度的障碍物与RFID 标签.智能小车的车头左右两侧为红外传感器模块，用来弥补车头中间超声波传感器测量角度的不足.

智能小车中部为小车的电源、电机驱动和外部引脚扩展板，扩展板通过针脚插座与上方STM32F103ZET6 最小系统板进行连接并为其供电.小车中部居左部分为MQ-2 烟雾及危险气体检测模块，居右部分为DHT11 温湿度检测模块，最上方的ESP8266 Wi-Fi 模块用来与局域网及上位机软件进行连接.

智能小车后部为18650 电池盒，可以将两节3.7 V 电压的18650 锂电池进行串联，串联后通过供电模块LM2596S 及外围电路为整个智能小车供电.为方便了解电池电量，与电池并联一个数码电压表，通过数码管实时显示电池电压.

3.2 软件系统设计

软件部分功能选用Android 应用技术实现［11-12］.移动控制终端APP 利用Wi-Fi 局域网与智能小车进行互联，实现对智能硬件小车的控制，指挥其完成房屋巡视、物品管理与寻找、房屋环境（温度、湿度、危险气体）监控等功能.APP 通过语音控制与简洁的图形化操作界面让老人能直观方便地操作，帮助老人实现事务备忘和提醒，查询与获取生活百科与媒体资讯等需求.

（1）状态监控模块.在状态监控模块中，通过Wi-Fi 模块，以及同一个局域网下的手机APP，完成手机同智能小车的连接，将小车的状态信息反馈到APP 界面上.通过智能小车上的各种传感器模块，可以获取房间内的温度、湿度信息，以及房屋中是否存在危险气体，防止老人因为煤气、天然气、烟雾等有害气体而发生危险.状态监控模块如图7 所示.

图7 状态监控模块

（2）房间寻物模块.物品管理及寻物功能中数据存储目录级别分为三级，第一级为房间，第二级为位置，第三级为具体物品.首先需要对老人所在房屋的具体房间信息进行添加，例如卧室、客厅、厨房等.对房间进行分类管理如图8（a）所示.在房间管理选项卡中，点击相应的房间，会进入相应房间的下一级目录，即位置的管理.在使用前需要对老人所在房屋中的具体物品存放位置信息进行添加，例如各种柜子、箱子等.对物品位置进行分类管理如图8（b）所示.

图8 房间寻物模块界面

在位置管理选项卡中，点击相应的位置，会进入相应位置的下一级目录，即具体的物品管理.在使用前对所在房屋中的具体物品信息进行添加.非重要物品可以直接输入物品信息作为备忘录使用，重要物品则需要将RFID 标签粘贴于物品表面，点击添加按钮，在小车正常连接的情况下，即可以根据弹出提示驱动小车对标签中的数据信息进行读取，将物品与标签进行绑定.寻物过程中即可利用智能小车对物品进行找寻，物品管理界面如图8（c）所示.

（3）生活助理模块.生活助理模块接入了科大讯飞的开放平台接口，利用其提供的接口实现语音识别功能，为老人的生活和娱乐提供相应的服务.本模块主要实现事件提醒功能、广播电台功能、相声小品功能、戏曲评书功能、健康知识功能、菜谱查询功能、电话通信功能、天气查询功能、百科查询功能、语音计算器查询功能、万年历查询功能和梦境解析功能，具体界面如图9 所示.

图9 生活助理界面

4 系统调试

4.1 状态监控模块调试

使手机与智能小车连接在同一Wi-Fi 局域网下，打开老人助手APP，通过菜单栏进入状态监控模块，手机端开启连接模式等待智能小车连接.通过智能小车的电源开关开启智能小车，小车鸣笛自检.小车自动连接Wi-Fi成功后，会自动尝试查找局域网内是否存在上位机建立的TCP Server.小车成功连接后，APP 自动获取到小车的状态，并在状态监控界面中更新显示，APP 成功显示获取到环境的温度、湿度、危险气体的状态，完成本模块调试功能.

4.2 房间寻物模块调试

智能小车连接操作进行之后，小车会自动进入等待状态，等待上位机APP 对其发送相应指令.此时通过APP 进入房间寻物模块.在房间寻物界面有三级选项卡，在房间选项卡中通过对话框中用语音输入的方式，填写房间名称和备注说明.在房间列表中成功添加相应的房间，添加房间功能测试成功.同理添加房间中位置和管理物品的设置.物品需要先标记再寻找，所以将RFID 标签对准智能小车头部的扫描天线，在APP 中确定扫描图标按钮，小车在读取到前方的RFID 标签时会将数据返回到APP 中，至此RFID 标记完成.将标签贴在待管理和标记的物品上，完成物品标记.

在APP 物品选项卡中选择寻找的物品，APP 中会显示物品的名称，以及建立物品标记时对物品的备注说明.若需要命令小车对物品进行寻找，则点击对话框下方的寻找物品按钮，此时界面上的小车状态会变成“小车寻物中……”，小车收到指令后在房屋中进行自动避障行驶并寻找相应的物品.当小车找到物品后，蜂鸣器鸣笛提示已寻找成功，APP界面上提示物品已成功找到.

4.3 生活助理模块调试

在生活助理界面中按照设计功能进行调试，对生活助理提出相应功能的问题及要求，测试反馈正确并显示在界面上，完成生活助理模块调试.

5 结语

本文设计了基于Android 的智能老人助理系统.通过本系统综合利用Android、单片机、各类传感器等技术，可以为老人监测房屋的环境，预警可能发生的煤气泄漏等风险，解决因遗忘导致的寻物困难、忘记吃药等生活困难，便利老人生活，让老人能够轻松地使用智能产品，享受互联网带来的便利，提高老人生活的安全指数和幸福感.