基于Arduino的老人环境监测系统研究

柳亚输，李卫民，姜雯筠，关鸣九

（泰州职业技术学院机电学院，江苏泰州，225300）

0 引言

第七次全国人口普查数据显示，我国60岁及以上老年人口已达2.64亿，占总人口的18.7%，老龄化程度进一步加深，老年人对医养结合的健康养老服务需求日益增加[1]。预计到2040年，65岁及以上老年人口占总人口的比例将超过20%[2]。由于我国的文化习俗和城市化等方面的影响，越来越多的老人选择了居家养老。现在大多数家庭都是独生子女，越来越多的老人选择独居，这就使得老人居家养老的健康和安全问题变的日益突出。基于此本文采用Arduino控制板，融合多传感器和物联网技术，设计一种老人居家的远程健康智能监控系统，当出现异常情况时可以远程报警，对老人进行救助。

1 设计方案

本系统主要有主控板Arduino，由温湿度传感器、燃气传感器和颗粒物传感器构成的环境检测模块；由心率脉搏传感器构成生理检测模块；语音识别模块、物联网串口模块ESP8266和物联网平台构成（如图1所示）。本系统可以检测温度、湿度、燃气浓度和空气中有害颗粒物的浓度四种环境参数，心率和脉搏两种生理参数；通过乐为物联网平台将检测结果实时显示在手机、平板和触摸屏等终端上，当超过设定的安全值物联网平台就会发送短信到亲人手机实现报警的作用。

图1 系统框架图

2 系统硬件设计

控制板Arduino是一款开源硬件平台,核心设备是Atmega328的微控制器[3],具有32KBFlash、1KBEEPROM、14路数据I/O口(其中6路可作为PWM输出)和6路模拟输入口,内部封装了多种常用开发库以及多种常用传感器测量的库函数[4-7],选择Arduino的UNO板可以直接使用，简化了本系统的设计。

温湿度传感器采用DHT20温湿度传感器，该传感器具有功耗低、精度和稳定性都很高、抗干扰能力强，广泛应用于消费电子、智能空调、气象等方面，其温度测量误差为±0.5℃，湿度测量误差为±3%RH完全可以满足本设计的要求。

燃气传感器采用MQ2烟雾气敏传感器,可用于家庭和工厂的泄漏气体检测，可以检测液化气体、甲烷、丙烷、丁烷和烟雾等气体。这种传感器的检测浓度范围300-10000ppm（可燃气体），可以满足本设计的要求。

颗粒物传感器采用精讯畅通PM2.5/PM10颗粒物检测器，该传感器有两种工作方式，主动上报模式和问询模式；测量范围0-999微克/米3，分辨率为1微克/米3，最小检出粒子直径为0.3微米，响应时间小于1.5秒，工作温度在-10—60℃；完全满足本设计的要求。

语音识别传感器采用亚博智能语音识别模块，基于LD3320芯片实现汉语语音识别；采用语音唤醒词+命令词的方式让终端设备执行相应的命令；有3种识别模式：循环检测模式、口令触发模式和按键触发模式，有带有掉电保存功能；识别率达到96%，可以满足本设计的要求。

心率脉搏传感器采用PulseSensor传感器，这款传感器通过arduino控制板的串口上的上位机的processing软件可以实时显示出心跳和脉搏的数据；工作原理是通过绿光Led灯将信号传导到光感受器，经由滤波电路和放大电路，最终将光信号转换为电路的模拟信号输出。这款传感器的分辨率为bpm，放大倍数为330倍，满足了本设计的需要。

3 系统软件设计

3.1 环境检测程序设计

启动系统后，进行环境检测，检测室内的温度、湿度、燃气浓度和颗粒物浓度将检测结果（结果显示在用户手机app和Led屏上）与事先设定的预警值比较，当超过警戒值时候就通过物联网平台发送微信、短信和邮件给用户的手机进行报警。

3.2 生理检测程序设计

启动系统后，进行生理检测，检测室内的温度、湿度、燃气浓度和颗粒物浓度将检测结果（结果显示在用户手机app和Led屏上）与事先设定的预警值比较，当超过警戒值时候就通过物联网平台发送微信、短信和邮件给用户的手机进行报警。

3.3 语音控制程序设计

启动系统后，当输入语音指令时，就按照指令要求播报相应的环境、生理数据；还可以利用语音控制关闭、报警和重置整个系统；语音控制模块大大增强了系统的交互性，方便老人操控。

3.4 乐为物联网平台设计

乐为物联网是一个免费的云端管理系统，它能够实现数据存储、显示、分析、报警和分享灯功能。首先在该平台注册一个账号，然后添加传感器和控制器，设置相应的参数，设置完成后，物联网平台上就会实时出现传感器的数据；设置一个目标值，当传感器数值超过目标值时，平台就会通过微信、短信和邮件向用户报警，提醒用户及时处理。如图2所示是物联网平台上实时显示的室内颗粒物传感器检测检测出来的PM2.5数据，可以清楚看到从实时，最近1小时，一直到最近一个月的数据。

图2 物联网实时颗粒物浓度图

系统的软件采用Arduino IDE进行开发环境设计，程序设计调试完成之后下载到Arduino种进行运行。系统程序采用c语言进行编写，同时调用IDE中的一些函数实现各个模块的作用。程序的主要有主程序、初始化程序、环境检测程序、生理检测程序、语音控制程序灯共同构成，其流程图如3所示。

图3 软件系统流程图

4 功能性分析

本系统的一个显著特点是运用多种传感器、语音控制和物联网平台构成一个有机的整体从而在居住环境和生理指标两个主要的方面，实现了对居家老人的全面检测；增加了语音控制功能，可以方便实现人机交互，使得系统更加友好；通过物联网平台，将设备、手机、平板和电脑有机联通起来构建一张网，实现了信息实时的共享和报警。

经过反复试验证明，基于arduino的老人环境监测系统运行稳定，反馈信息及时。使用温湿度传感器、燃气传感器、颗粒物传感器、心率脉搏传感器、语音控制模块和物联网模块，构建一套智能老人居家养老环境监测系统。该系统具有自动监测环境和生理参数，可以语音控制，通过物联网平台实现报警和实时更新数据的功能。该系统适用于居家养老的老人，尤其适合于独自居家的老人，具有很大的使用价值和市场应用前景。