基于智能语音健康养老系统的研究与设计

贺婧，苗中文，王魏帆，郭明海，姜雪，何爱华

（蚌埠学院，安徽蚌埠 233000)

0 引言

目前，我国人口老龄化问题日益加重。第七次人口普查数据显示，我国60岁及以上人口为2.6亿人，占总人口数量的18.70%，65 岁及以上人口为1.9 亿人，占总人口数量的13.5%[1]。随着人口老龄化的加剧发展，老年人日常照护、生存权利、健康服务、生命安全保障等需求也不断增长。同时，随着社会生产方式的改变，慰藉空巢老年人的数量也在日益上升。老年亟需相当一部分在生活和精神方面需要得到关心、帮助和慰藉，他们的身心健康问题显得愈发重要，急须更完善的保障。现如今市场上已经存在了很多智能医疗养老产品，但它们多数存在实时监测不到位、配套App功能单一、数据精确度较低和数据无法实时共享等功能短板，市场上暂时也没有真正完善的针对老年人身心健康的App[2]。

本系统基于以智慧化养老为发展趋势的社会背景，利用“互联网+”与养老服务不断融合发展，以互联网为技术核心为老年人提供智慧养老服务，满足老年人生活质量要求。

1 系统设计与实现

1.1 硬件部分

本系统以STM32F103系列单片机为核心处理器，通过对数据的计算处理、操控通信模块进行信息传输等过程，实现各个传感器的控制及精确的定位服务。系统通过心率血氧传感器、温度传感器对老年人的生命体征进行监测，通过加速度传感器监测老年人是否摔跤等。硬件监测部分将监测到的数据处理后通过4G通信模块实时稳定上传到云端，手环的软件部分通过与云服务器建立连接将数据下载至阿里云平台，并实时传输到移动设备端及Web网页端。该过程能够及时发现老年人健康安全问题，保障老年人的健康。充分体现了物联网系统的三层结构：感知层、网络层、应用层。

1.1.1 系统所实现的功能

1)监测老年人的体温、心率、血氧三项生命体征信息。

2)监测老年人是否摔倒。

3)获取老年人的位置信息。

4)将所有监测到的信息上传到云端，并实现实时在线查看所有信息。

5)实现报警功能，其中分为系统的自动报警和使用者的主动报警。

6)数据记录与统计，保存一段时间的生命体征信息数据并直观展示。

系统手环设计总体框架图如图1所示。

图1 系统手环设计总体框架图

1.1.2 关键技术

1)硬件端代码编写

此系统硬件端代码使用C 语言在Keil uvision5中进行编写及运行，不同传感器的驱动方式大不相同，本系统通过对I2C总线的操控，对芯片中断的判断、定时器和看门狗的使用、串口DMA 特殊处理等操作确保各传感器有条不紊地工作，防止数据混乱。

2)体温模块

监测体温需要精准度高，变化灵敏的传感器采集数据。因系统设计需要设备在37摄氏度上下一定范围内数据非常准确，所以本系统选择高灵敏、监测简单、体积小巧的DS18B20，其阻抗与温度有着相对应的关系，系统识别出阻抗的大小之后，将其转换为电平信号，再通过A/D 转换，由STM32核心处理器计算出所测体温的大小[3]。此传感器只需要一个控制线就可以操作并读取数据，功耗极低，以上特点保证了系统的低功耗，高性能。

3)心率血氧模块

本系统使用MAX301集成式心率血氧传感器，模块集成度高，方便使用。传感器上的光源会发出光，光线被待测物体反射至光敏元件后，经过STM32核心处理器计算后可得到精准的脉搏信号。同时人体血液在携带不同程度氧气的情况下对红绿光的吸收率不同，MAX301 通过再监测自身发出光线的吸收率来获取数据。MAX301经过长期的优化已经实现了小体积内的高度集成，这使得它在拥有高性能的同时具有低功耗的特性。

4)加速度模块

为实现摔倒监测本系统使用了ADXL345 三轴加速度传感器，其加速度变换会改变内部电压电阻以及电容的变化情况。其监测到的信号直接以数字形式传输到STM32核心处理器，不需要使用A/D模块进行转换。使用者在行走时，身体会有上下起伏，微控制可读取该传感器的三组模拟量，通过算法分析处理数据，将数据合成为运动信息[4]。ADXL345 数字式传感器具有精度高、稳定、反应快等优点，故此传感器被各个领域广泛使用，非常适合智能手环这样的穿戴移动设备。

5)定位模块

为实现稳定的定位，本系统选取可以接收GPS和北斗导航卫星信号的模块，此模块通过串口与核心处理器建立通信。此外本系统使用高性能天线，保证定位模块可以稳定工作。

6)显示模块

智能手环的系统必不可少的是显示信息，此系统中使用TFT 屏幕进行基础信息显示，其屏幕由STM32F103核心处理器直接驱动，各个传感器监测到的基础生命体征数据、地理位置、是否摔倒等信息可以快速展示在屏幕上。

7)报警功能

手环表盘内部设置震动装置，由于手环自带的GPS 芯片，可以实现定位功能，这样就可以在老年人遭遇意外的撞击或者摔倒时，通过体征监测系统的监测和定位系统的定位功能，确定老年人所处的位置，并且第一时间向子女的移动设备发送警报。当老年人需要紧急联系家人时，也可以长时间按住三秒手环电源键，第一时间对子女的移动设备发出信号。当监测到智能手环上有按键动作时，监测所述按键动作，判断所述按键动作是否属于长时间按住操作，若是，则令智能手环及子女的移动设备进入警报状态且实时获得老年人的状态信息；若否，则令智能手环继续执行正常工作模式。监测报警系统可以对老年人摔倒进行识别，当发现异常情况时，以最快的方式进行警报，联系亲友。

1.2 软件部分

1.2.1 App系统功能

本系统App 主要包括5大功能模块，分别为注册登录、暖心推荐、孝心互动、健康记录、安全维护等。暖心推荐模块包括推送文章、科普视频等。孝心互动模块包括语音聊天、以儿女声音制成的语音包等。健康记录模块包括实时心率、体温、血氧数据显示等。安全维护模块包括实时定位、报警系统等。本系统总体功能如图2所示。

图2 系统App总体功能图

1)注册登录

软件打开后，未注册用户先进行注册登录。然后通过GSM 和GPRS 网络检查是否注册成功,成功后即可建立手环与App 的连接[5]。已注册用户直接用账号密码登录。

2)暖心推荐

首页每天推送不同的文章及视频，不仅会根据老年人的兴趣爱好确定推送内容，如戏曲、小品等。还会每天推送不同的科普常识内容，既有日常生活中可以用到的生活小妙招，又有人们容易忽略的健康小常识，营造一个绿色健康的App运营环境。

3)孝心互动

在App 聊天时，老年人可以发送语音消息，与子女进行实时互动，解决有些老年人不会使用智能手机但想和子女聊天的困境。该系统可以录制儿女声音语音包，作为日常生活提醒信息，如提醒老年人按时吃药、锻炼等，方便老年人使用。

4)健康记录

系统通过手环的核心处理器设备实时监测老年人生命体征及安全情况，进一步把监测到的数据传到云端，再实时从云端把数据取出通过App页面及Web页面显示。系统实时将记录到的心率、血氧、体温三项重要指标与预设的正常值进行对比判断，若数值情况异常，则会在子女移动终端和Web 页面同时发出警报。

5)安全维护

该系统具有实时定位功能及报警系统。报警模式分为两种，一种是摔倒监测，即在监测到老年人摔倒时，在相关页面发出醒目警报。另一种是一键报警，即在老年人不舒服或遇到危险时，主动按下相应按钮，使各界面实时显示报警信号。另外，在危机解除后，可通过一键复位功能将警报解除。

1.2.2 关键技术

1)开发平台

本系统采用APICloud 平台进行环境搭建以及产品开发。这种混合型App开发平台具有前端开发、后端开发、产品系统、要求分析、定制专属服务等功能[6]。使用HTML5 技术开发Android、iOS 原生应用，降低了很多时间和人工成本，缩减开发过程中繁杂重复性工作[7]。其功能强大，支持硬件加速，原生UI 模块功能和Html代码完全融合，跟随页面滚动，模块很多，调用也极其方便。

2)语音聊天设置

本系统语音聊天部分采用了TTS技术，并且借助于科大讯飞提供的语音库和微软的Microsoft Speech SDK 5.1 语音开发包作为开发工具[8]。本语音聊天系统可以将外部输入的语音信息和手环等设备产生的文字信息转换为标准的汉语。

3)语音包设置

科大讯飞提供了比较成熟的语音技术，其所具有的语音识别、语音合成，语音+等免费服务都非常适合本系统的研究与设计[9]。经过多次实践与比较，本系统决定使用讯飞语音提供的Software Develop Kit 来进行语音包的设置。

1.3 App与手环连接部分

1.3.1 所完成的功能

STM32F103 核心处理器将处理后的数据通过4G模块和MQTT 协议与阿里云建立连接，再从云端向移动设施传输，在相应Web网页和App均可看到实时数据情况。

1.3.2 关键技术

1)通信模块

此系统硬件端的最重要任务之一是保证稳定实时的数据通信。因为4G覆盖广，且4G传输速度高延时低，选取4G通信可以保证通信无死角，通信实时性高。本系统在系统中使用STM32F103 的串口2 和4G模块进行数据通信，STM32F103核心处理器将处理后的数据通过4G模块上传到云端。因为数据传输需要实时进行，且远程数据通信功耗大，在系统设计时需要配合软件代码科学工作。当今我国4G 发展已经非常成熟，在越来越多的物联网应用中使用4G 模块，模块联网只需要插入普通SIM 卡，使用方便。相比NB 模块，4G 模块具有信号普及范围广、速度快、延时低、稳定性高一系列优点。

2)云服务器

本系统选取阿里云平台作为服务器。STM32 核心处理器计算处理各路传感器收集到的数据后，通过4G模块使用MQTT协议与阿里云建立连接，设备三元组与自己私有云端进行识别并建立准确连接，将硬件端数据代码与阿里云端进行统一，最终通过字符串重组将硬件端数据转换为json 格式的数据发送给阿里云，阿里云通过解析json格式数据将不同传感器数据分离并对号入座，至此完成数据从硬件设备端到云端的传输，再通过阿里云传输到移动设备终端，阿里云平台效果展示如图3所示。

图3 阿里云平台页面展示

3)终端数据显示

终端数据显示采用Web和App两种方案，保证用户实时查看。显示界面提供了历史数据和实时数据，通过统计图进行直观显示。显示的数据直接从阿里云获取，网页和App 亦通过MQTT 协议和阿里云建立连接。网页端与App端页面展示如图4、图5所示。

图4 Web 网页展示

图5 App页面展示

2 结论

综上所述，本系统设计了一款针对呵护老年人身心健康的智慧语音健康养老系统。硬件部分通过各类传感器对老年人的心率、血氧、体温等生命体征及安全情况进行实时监测，并将这些数据通过4G 模块及云服务器同步到移动设备端和Web网页端，当老年人异常时设置警报。软件部分则通过APICloud平台、HTML5 技术、TTS 技术以及Microsoft Speech SDK 5.1语音开发包等开发工具设置了很多拓展性功能，通过互联网为老年人提供线上养老服务，提升智慧养老水平。相对市场上现有智慧养老类产品而言，该系统的设计使用更便捷、功能更齐全，非常适合运用于老年人长期的身心健康护理，在使用过程中会产生很大的成效。另外，受时间和团队经验的限制，研究与设计还有一些不足之处，下一步笔者将完善系统功能、美化系统外观、提升客户满意度等。希望可以通过此系统，促进养老服务高质量发展，提高养老服务的水平，从而有助于保障老年人身心健康。