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【摘要】随着我国老龄化的加剧，老年人越来越多，在遇到跌倒或疾病时，如果不对他们进行及时抢救，就可能会导致病情恶化，而且现在很多人对一些急救知识掌握不够完全，不能及时对老人发生的意外进行处理。在此背景下，针对老年人发生意外的情况，我们设计了一款基于树莓派（B+型）的智能老人监护系统，家人能在老人发生意外时，接收到提醒并查看老人当前的定位，第一时间前往进行救护。同时家人能接收到一些相关的急救知识，避免在救护老人的过程中造成一些不必要的伤亡事故，将伤害降低到最低程度，而且这个系统也可以让老人一键式联系家人。
【关键词】智能老人监护系统;树莓派;设计
中图分类号：TN929 文献标识码：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.03.13
随着我国老龄化的加剧，老年人越来越多，当老人遇到突发情况时，能够及时的通知并发送一些急救知识给他们的家人是很必要的。而我们所设计的这款智能老人监护系统的作用就是在老人发生意外时，系统声光报警10s，并在第一时间通知家人前往进行救护，同时给家人发送一些相关的急救知识与技能，在救助老人时避免二次伤害。这个系统还有一个优点，在紧急情况时老人可主动一键式联系家人。
我们设计的系统包括硬件部分和软件部分。硬件部分以树莓派（B+型）为主要控制芯片，通过计步自动检测，心率传感器，4Air530模块等硬件设备实现对老人的心率监测、实时定位，利用GSM模块把检测到的数据显示在显示屏上并通过云服务器ECS发送到手机微信小程序上。即小程序上进行数据的实时接收、显示服务端的监测数据等，让家人能随时了解老人的身体状况以及所在位置。
1. 系统总体方案设计
本次设计的智能老人监护系统由硬件系统、云服务器ECS、手机微信小程序三部分构成。硬件系统由以树莓派B+型为主要的控制芯片，嵌入心率传感器、4Air530模块等硬件设备。树莓派作为硬件系统的主控芯片，由GSM模块进行数据采集，把检测到的数据显示在显示屏上，GSM主要是在移动用户和远端的数据网络之间提供一种连接。云服务器ECS作为本系统的中转站与硬件系统交互数据信息，并对接收到的信息进行处理，当用户在客户端进行请求时将相关信息发送给用户，实现实时回传检测数据。当客户端中有控制请求信息时，对控制信息进行处理。微信小程序中包含登录界面、控制界面等，老人身体各方面信息的显示及位置显示均在控制界面中实现。
2. 系统硬件组成与结构设计
2.1 硬件组成
系统的硬件包括树莓派、MAX30102模块、GSM模块、4Air530模块等，因此分别对系统主控芯片和各硬件模块进行选型。
2.1.1 树莓派B+型
在本次设计中需要树莓派驱动各模块正常工作，且需要串口以便数据有效通信。树莓派早期有A和B两种型号，树莓派A型内置256MB内存，带一个USB端口，不带有线网接口。树莓派B型内置512MB内存，带两个USB端口，带100M有线网接口。2014年，树莓派分别推出了B+和A+两个型号，树莓派B+与B相比，虽然依然采用BCM2835处理器以及和上一代树莓派相同的系统软件，内存也依然是512MB，但是，却拥有更多的GPIO针脚（共有40针，老版本是26针），并用Micro SD插口替换了老的SD插口，拥有更低的功耗。在音频方面，也采用了专用的低噪音电源。综合考虑，本系统采用树莓派B+型作为主控芯片，就能很好的满足各个模块的驱动需求。
3. MAX30102模块
MAX30102是一个集成的脉搏血氧仪和心率监测仪生物传感器的模块。它集成了一个红光LED和一个红外光LED、光电检测器、光器件，以及带环境光抑制的低噪声电子电路。MAX30102采用一个1.8V电源和一个独立的3.3V用于内部LED的电源，主要应用于可穿戴设备来进行心率和血氧采集检测，可佩戴于手指、耳垂和手腕等处。标准的I2C兼容的通信接口可以将采集到的数值传输给Arduino、KL25Z等单片机进行心率和血氧计算。此外，该芯片还可通过软件关断模块，待机电流接近为零，实现电源始终维持供电状态。所以，MAX30102能以最大的准确性监测老人的心率和血氧信息。老人的运动量越大，心跳就越快，显示出的数据值就越大。
树莓派（B+）总体工作流程图
因此，通过MAX30102模块监测心率和血氧信息，能让家人更好的了解老人的心率变动。心率测量设置的周期是每10分鐘测量一次，并将数据存储在数据库中。当心率偏低或者偏高时会有预警通知，当老人发生摔倒时也会有SOS紧急联络功能，时刻监控老人的安全。
3.1 3GSM模块
GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。GSM模块具有发送SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等功能，基于GSM网络进行通信的所有基本功能使用ARM或者单片机通过RS232串口与GSM模块通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能，例如：发送短信，拨打电话，GPRS拨号上网等。因此，本次设计中，我们采用GSM模块连接服务器端和客户端，一旦老人发生意外，不仅在他们的家人那里会及时收到紧急通知，而且老人们还可以自己一键式报警。
3.2 Air530模块
Air530模块是一款高性能、高集成度的多模卫星定位导航模块。体积小、功耗低，可用于车载导航、智能穿戴、无人机等GNSS定位的应用中。而且提供了和其他模块厂商兼容的软、硬件接口，大幅减少了用户的开发周期。模块支持 GPS/Beidou/GLONASS/Galileo/QZSS/SBAS。采用了射频基带一体化设计，集成了 DC/DC、LDO、LNA、射频前端、基带处理、32位RISCCPU、RAM、FLASH存储、RTC和电源管理等功能。提供超高的性能，即使在弱信号的地方，也能快速、准确的定位。
3.3 系统硬件结构设计
对系统的各硬件结构进行设计也是十分重要的。本次设计的智能老人监护系统以树莓派B+型为主要的控制芯片，嵌入传感器MAX30102、Air530模块等硬件设备，GSM模块把检测到的数据及时发送到手机微信小程序上通过可显示屏显示心率、位置这些检测数据，最后如果有意外情况发生，装置发生报警。
本系统能定位老人的位置，会将位置信息和相关的急救知识在老人发生意外时显示到显示屏上和发送到家人的手机上，能做到防止老人走丢，并在老人发生意外情况时进行报警、在家人救护老人时防止发生二次伤害。
系统硬件连接实物图
4. 系统软件设计
系统软件设计包括对数据采集设备的软件设计、ECS云服务器的设计以及客户端界面的设计。本项目借助当下最火热的微信小程序进行数据显示，减少了很多不必要的设计。首先利用各传感器模块进行数据采集，采集到的数据统一由GSM模块发送到ECS云服务器。在客户端，我们主要借助微信小程序实现数据的接收和对老人的监控。小程序中主要包括心率监测、定位、语音通话和接收消息推送等功能。可实时接收由服务端反馈过来的数据，并显示在显示屏上。树莓派将信息通过串口发送给GSM通信模块，服务器端收到控制界面的控制指令时将数据信息通过网络传输到界面中显示，并通过无线通信方式控制树莓派进行操作，从而实现数据的采集、发送、处理、存储、显示、报警等系列功能。
5. 系统测试与验证
为测试系统设计的可靠性与有效性，需要分别针对位置信息的准确性、紧急状况下装置是否报警、是否能有针对性发送救护知识、是否可一键报警等问题进行模拟测试，由于条件有限，此处不进行具体展示。
6. 结束语
随着人口老龄化的加剧，老人的安全问题逐渐得到重视，如何有效防止不必要伤害的发生也成为人们广泛关注的问题。该系统基于树莓派（B+型）设计制作了一款老人监护系统，将各个模块采集到的数据通过GSM模块传送到服务器中，服务器将数据发送并显示在手机微信小程序上，用户通过显示屏可以查看老人的具体位置、当前身体状况等。研究及结果表明，该系统具有一定的应用和发展前景。
【关键词】智能老人监护系统;树莓派;设计
中图分类号：TN929 文献标识码：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.03.13
随着我国老龄化的加剧，老年人越来越多，当老人遇到突发情况时，能够及时的通知并发送一些急救知识给他们的家人是很必要的。而我们所设计的这款智能老人监护系统的作用就是在老人发生意外时，系统声光报警10s，并在第一时间通知家人前往进行救护，同时给家人发送一些相关的急救知识与技能，在救助老人时避免二次伤害。这个系统还有一个优点，在紧急情况时老人可主动一键式联系家人。
我们设计的系统包括硬件部分和软件部分。硬件部分以树莓派（B+型）为主要控制芯片，通过计步自动检测，心率传感器，4Air530模块等硬件设备实现对老人的心率监测、实时定位，利用GSM模块把检测到的数据显示在显示屏上并通过云服务器ECS发送到手机微信小程序上。即小程序上进行数据的实时接收、显示服务端的监测数据等，让家人能随时了解老人的身体状况以及所在位置。
1. 系统总体方案设计
本次设计的智能老人监护系统由硬件系统、云服务器ECS、手机微信小程序三部分构成。硬件系统由以树莓派B+型为主要的控制芯片，嵌入心率传感器、4Air530模块等硬件设备。树莓派作为硬件系统的主控芯片，由GSM模块进行数据采集，把检测到的数据显示在显示屏上，GSM主要是在移动用户和远端的数据网络之间提供一种连接。云服务器ECS作为本系统的中转站与硬件系统交互数据信息，并对接收到的信息进行处理，当用户在客户端进行请求时将相关信息发送给用户，实现实时回传检测数据。当客户端中有控制请求信息时，对控制信息进行处理。微信小程序中包含登录界面、控制界面等，老人身体各方面信息的显示及位置显示均在控制界面中实现。
2. 系统硬件组成与结构设计
2.1 硬件组成
系统的硬件包括树莓派、MAX30102模块、GSM模块、4Air530模块等，因此分别对系统主控芯片和各硬件模块进行选型。
2.1.1 树莓派B+型
在本次设计中需要树莓派驱动各模块正常工作，且需要串口以便数据有效通信。树莓派早期有A和B两种型号，树莓派A型内置256MB内存，带一个USB端口，不带有线网接口。树莓派B型内置512MB内存，带两个USB端口，带100M有线网接口。2014年，树莓派分别推出了B+和A+两个型号，树莓派B+与B相比，虽然依然采用BCM2835处理器以及和上一代树莓派相同的系统软件，内存也依然是512MB，但是，却拥有更多的GPIO针脚（共有40针，老版本是26针），并用Micro SD插口替换了老的SD插口，拥有更低的功耗。在音频方面，也采用了专用的低噪音电源。综合考虑，本系统采用树莓派B+型作为主控芯片，就能很好的满足各个模块的驱动需求。
3. MAX30102模块
MAX30102是一个集成的脉搏血氧仪和心率监测仪生物传感器的模块。它集成了一个红光LED和一个红外光LED、光电检测器、光器件，以及带环境光抑制的低噪声电子电路。MAX30102采用一个1.8V电源和一个独立的3.3V用于内部LED的电源，主要应用于可穿戴设备来进行心率和血氧采集检测，可佩戴于手指、耳垂和手腕等处。标准的I2C兼容的通信接口可以将采集到的数值传输给Arduino、KL25Z等单片机进行心率和血氧计算。此外，该芯片还可通过软件关断模块，待机电流接近为零，实现电源始终维持供电状态。所以，MAX30102能以最大的准确性监测老人的心率和血氧信息。老人的运动量越大，心跳就越快，显示出的数据值就越大。
树莓派（B+）总体工作流程图
因此，通过MAX30102模块监测心率和血氧信息，能让家人更好的了解老人的心率变动。心率测量设置的周期是每10分鐘测量一次，并将数据存储在数据库中。当心率偏低或者偏高时会有预警通知，当老人发生摔倒时也会有SOS紧急联络功能，时刻监控老人的安全。
3.1 3GSM模块
GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。GSM模块具有发送SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等功能，基于GSM网络进行通信的所有基本功能使用ARM或者单片机通过RS232串口与GSM模块通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能，例如：发送短信，拨打电话，GPRS拨号上网等。因此，本次设计中，我们采用GSM模块连接服务器端和客户端，一旦老人发生意外，不仅在他们的家人那里会及时收到紧急通知，而且老人们还可以自己一键式报警。
3.2 Air530模块
Air530模块是一款高性能、高集成度的多模卫星定位导航模块。体积小、功耗低，可用于车载导航、智能穿戴、无人机等GNSS定位的应用中。而且提供了和其他模块厂商兼容的软、硬件接口，大幅减少了用户的开发周期。模块支持 GPS/Beidou/GLONASS/Galileo/QZSS/SBAS。采用了射频基带一体化设计，集成了 DC/DC、LDO、LNA、射频前端、基带处理、32位RISCCPU、RAM、FLASH存储、RTC和电源管理等功能。提供超高的性能，即使在弱信号的地方，也能快速、准确的定位。
3.3 系统硬件结构设计
对系统的各硬件结构进行设计也是十分重要的。本次设计的智能老人监护系统以树莓派B+型为主要的控制芯片，嵌入传感器MAX30102、Air530模块等硬件设备，GSM模块把检测到的数据及时发送到手机微信小程序上通过可显示屏显示心率、位置这些检测数据，最后如果有意外情况发生，装置发生报警。
本系统能定位老人的位置，会将位置信息和相关的急救知识在老人发生意外时显示到显示屏上和发送到家人的手机上，能做到防止老人走丢，并在老人发生意外情况时进行报警、在家人救护老人时防止发生二次伤害。
系统硬件连接实物图
4. 系统软件设计
系统软件设计包括对数据采集设备的软件设计、ECS云服务器的设计以及客户端界面的设计。本项目借助当下最火热的微信小程序进行数据显示，减少了很多不必要的设计。首先利用各传感器模块进行数据采集，采集到的数据统一由GSM模块发送到ECS云服务器。在客户端，我们主要借助微信小程序实现数据的接收和对老人的监控。小程序中主要包括心率监测、定位、语音通话和接收消息推送等功能。可实时接收由服务端反馈过来的数据，并显示在显示屏上。树莓派将信息通过串口发送给GSM通信模块，服务器端收到控制界面的控制指令时将数据信息通过网络传输到界面中显示，并通过无线通信方式控制树莓派进行操作，从而实现数据的采集、发送、处理、存储、显示、报警等系列功能。
5. 系统测试与验证
为测试系统设计的可靠性与有效性，需要分别针对位置信息的准确性、紧急状况下装置是否报警、是否能有针对性发送救护知识、是否可一键报警等问题进行模拟测试，由于条件有限，此处不进行具体展示。
6. 结束语
随着人口老龄化的加剧，老人的安全问题逐渐得到重视，如何有效防止不必要伤害的发生也成为人们广泛关注的问题。该系统基于树莓派（B+型）设计制作了一款老人监护系统，将各个模块采集到的数据通过GSM模块传送到服务器中，服务器将数据发送并显示在手机微信小程序上，用户通过显示屏可以查看老人的具体位置、当前身体状况等。研究及结果表明，该系统具有一定的应用和发展前景。