曹燕燕，张克辉，吴 冲，高 宇，孙兴华，程 鹏

(1.河北北方学院 信息科学与工程学院，河北 张家口 075000；2.河北建筑工程学院 电气工程学院，河北 张家口 075000；3.山西医科大学 第二医院，山西 太原 030001)

0 引 言

智慧养老，是新近流行的一种养老概念[1]。中国正加速进入老龄化社会，预计到2030年，60岁及以上人口将会达到3.8亿，预计到2050年将达到35.1%[2]。由于独生子女家庭较多，且养老服务供需矛盾突出，更多的老年人需要独立应对生活起居和健康护理等问题[3-4]。许多老年人身体虚弱，记忆力减退，行动不便，连最基本的简单物品的抓取都难以实现；为了更好的保健养生，需要经常关注心率，提醒吃药，调整食谱；遇到紧急情况，需要及时求救。

为了解决以上问题，本文提出一种基于Andriod智能手机和Arduino平台的老人智能助理系统，利用移动互联技术和物联网技术，通过智能感知、识别技术，最大限度地实现各类传感器的实时连接，满足独居老人的日常生活所需。

1 总体方案设计

图1 系统总体架构

老人智能助理系统总体架构如图1所示，包括Android智能手机、Arduino单片机、无线传感网和WiFi串行通信4部分组成。手机App客户端实现系统控制和实时监控，基于开源的Arduino单片机作为系统开发的核心，速度快，价格低，与手机终端对接方便。Android智能手机通过WiFi串行通信传递控制指令，由Arduino单片机驱动系统各功能模块完成相应的操作。不同功能的无线传感器构成无线传感网，实时感知老人居住环境的各种监测对象，并完成数据采集和处理[5-6]。

老人智能助理系统主要分为两大模块，老人助手和智能家居助手。老人助手又分为6个子模块，分别是药不能停、心率测试、联系人、地图、个人信息、吃点什么；智能家居助手分为4个模块：巡视小车、机械手臂、智能监测、智能遥控器。总体功能结构如图2所示。

图2 系统总体功能结构

2 系统硬件设计

系统的硬件主要指智能家居模块[7]，由巡视小车、机械手臂、各种传感器和智能遥控器组成，如图3所示。其中，巡视小车负责接收手机App客户端的控制命令，进行巡视房间；机械手臂完成小件物品的抓取[8]；各类传感器负责采集环境指标；智能遥控器模仿实际空调遥控器，实现控制。

图3 系统主要硬件组成

巡视小车采用超声波避障模块、超声波云台、视频模块、红外接收模块、无线充电模块、降压器、循迹模块、直流电机、Arduino UNO单片机进行连接，通过手机App经WiFi串行通信，控制小车的前进后退、左转右转、循迹避障、自动充电等功能的实现[9]。Arduino UNO单片机采用ATMega328主控芯片，可以集成大功率稳压，拥有丰富的外部资源接口，闪存容量为32 kB，4通道PWM输出[10]。其自动充电功能主要是由小车前方的5个红外接收器、无线充电接收模块，以及车库里相应的5个红外发射器、无线充电模块发射模块来对接完成，指引小车自动开进车库，进行对接充电。同时，小车电源旁有电源显示模块实时监测小车电量。

在巡视小车上加载机械臂装备，以方便老人取物。该机械臂采用4个伺服舵机、蓝牙模块和Arduino模块相连接，通过手机App中的前、后、左、右、夹取、放下、抬高、降低8个键，控制机械臂动作，使所有舵机的关节都能灵活动作，让老人隔空取物成为现实，然后通过智能巡视小车运送到老人手里。

该系统的智能监测主要完成开门控制、烟雾报警和火焰报警[11]。采用红外避障模块、伺服舵机、蜂鸣器模块、WiFi模块与Arduino UNO单片机连接，将红外避障模块置于门前，当门前有人时，红外避障模块为高电平状态，蜂鸣器报警，通过WiFi模块返回手机App。手机App收到信号后，按钮闪动，同时显示报警照片，通过按动按钮，控制舵机开门，同时驱动巡视小车去迎接客人。厨房硬件采用烟雾传感器、火焰传感器、蜂鸣器、WiFi模块、伺服电机和Arduino UNO单片机连接，实现厨房炉火或者煤气泄露报警，以防老人因记忆力减退，忘记关闭炉火或煤气造成严重后果。

智能遥控器模块，只需Android智能手机有红外发射设备，就可以完全模仿实际空调遥控器界面，使用方便，还可以自定义遥控器，控制电视等电器的开关，有相当方便的学习功能。

3 系统软件设计

图4 Arduino程序流程

本系统采用Arduino程序、通讯模块和手机App程序共同完成软件设计，实现数据的传输、存储管理和应用控制。系统硬件主要是基于Arduino开源平台，实现硬件驱动。Arduino程序流程如图4所示，程序的开发基于模块化的结构设计，主程序负责监听手机App客户端发送的控制命令，并执行解析命令，随后调用相应的子程序，实现巡视小车、机械臂及各种传感器检测模块的硬件控制[12]。

基于Android智能手机App的应用以其方便快捷、界面简洁实用的优势在智能服务方面得到了广泛应用[13]。该系统的老人助手模块完全基于Android Studio开发，包括6个子模块。①药不能停模块：可以手动添加吃药提醒，包括一天吃药的次数、药品名称、设置提醒时间。还可以管理吃药提醒，主要是对已添加的提醒进行控制和管理，如更改时间、删除提醒，解决当老人生病时子女不在身边，老人容易忘记吃药的问题。②心率测试模块：实时心率的测试设置了延时程序，在此时间内可将手指按住手机的闪光灯和摄像头，力度不要太大，适中即可，即可在屏幕上显示实时心率，测试时间大约10 s左右，且测试记录会保存在个人信息中，心跳次数超标会报警。③联系人模块：可将老人子女设置成第一联系人，还可添加老人手机里其他人的联系方式。④地图模块：可以实现实时定位、一键紧急呼救和定位追踪，解决老人出门容易迷路的问题，一旦出现紧急情况，第一时间通知第一联系人。该功能是运用百度地图配置提供的API来进行移动端的开发，实现经纬度的地理编址和地图的定位显示。⑤个人信息模块：显示老人的心率测试历史结果，实现预警提示。心率正常显示蓝色心形图标;心率测试结果不在正常设置范围，则会显示警告图标。个人数据页面可手动添加老人的身体健康情况及老人的家庭地址，防止当老人晕倒时由于不了解老人病情而产生的错误急救。当老人走失时，警方可通过查看其家庭地址，护送老人回家，全方面保障老人安全。⑥吃点什么模块：输入食材，即可检索出食谱，帮助老人制作美味可口的饭菜。

需要注意的是，判断是否联网可以通过ConnectivityManager类的isAvailable()方法判断，调用时需要加入权限。实时动态计算心率用到了getSmallestPreviewSize方法和private static PreviewCallback previewCallback = new PreviewCallback()函数。

4 系统测试

通过硬件设计制作、软件开发及软硬件联调完成了智能老人助理系统的搭建。老人可以借助手机App实现联系子女、吃药管理、心率测试、实时定位、搜索食谱、管理个人数据，还可以实现巡视小车的视频监控、循迹避障、自动充电，机械臂抓取物品控制，开门、开灯控制，厨房的煤气、炉火检测，以及对空调等电器的智能遥控。智能家居模块和老人助手模块测试如图5～6所示。

图5 智能家居模块测试 图6 老人助手模块测试

5 结 论

当前社会进入人口深度老龄化阶段，独居老人家庭看护功能持续弱化[14-15]。基于此，本文设计实现了基于Android智能手机和Arduino平台的老人智能助理系统，经过实验测试，系统运行正常，达到了系统设计目标，能够较好地照顾老人的居家生活。本系统的研制，为解决独居老人照顾不周的社会问题提供了较为可行的方案，为新型智慧养老模式提供了有力保障。