基于大数据技术的老人环境监测系统研究*

柳亚输 李永波 杜振龙

泰州职业技术学院机电学院 江苏 泰州 225300

引言

“2019年底，我国65周岁及以上人口已达17603万人（约1.76亿）”[1]。伴随着医疗技术进步和交通系统的日渐完善，我国逐渐迈入老龄化社会，越来越多的老年人选择居家养老。目前由于独生子女家庭占比较大，加之社会节奏加快、工作压力加大、很多居家老人绝大多数时间处于独居状态；这导致了他们独居时的环境无法实时反馈给子女和医护机构，无法保证老人独居时的健康和安全。正是基于这个原因，我们设计基于大数据技术的老人环境监测系统，以监测老人独居时的环境，从而保证老人的健康。

1 系统总体设计

此次设计采用Arduino控制板，Arduino是一款开源的硬件开发控制板，2005年在意大利面世[2]，利用传感器采集影响独居老人健康的温度、湿度、光照、空气中颗粒物浓度和心率等参数。Arduino 单片机的主要功能就是连接不同类型的传感器来获取外界环境的信息，然后根据获取的信息向执行元件发出相应的指令，达到改变外部环境的目的[3]。

通过无线通信模块将实时的环境参数上传到物联网平台，可以实现远程监控，同时可以利用物联网平台实现参数的存储和分析利用，建立老人的专门的健康数据库，有利于疾病的预防和健康状态的动态实时监测。采用功能模块设计，对于后续的维修和检测提供了极大的便利。该系统的结构如图1所示。

图1 系统框架图

2 系统核心元件选型

2.1 Arduino控制板

控制板Arduino是一款开源硬件平台,核心设备是Atmega328的微控制器[4]，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[5]，选择Arduino的UNO板可以直接使用，简化了本系统的设计。

2.2 温度/湿度传感器

对于老年人而言，其居住的环境大多数住在较低的楼层，很多老人是居住在一楼甚至平房里。他们的居住空间相对较小，楼层低，很多网线，电源线接口都在他们居住的范围

内，因此对温度/湿度传感器的抗干扰能力要求较高；根据以上要求选择DHT11温湿度传感器模块（如图2所示）。该传感器占用面积非常小，精度达到0.2，采用单总线数据传输方式，抗干扰性能强，常用于家庭温度控制、工业测温等方面，适合于小空间进行数字温度检测。该传感器的湿度测量范围，20%～90%RH（0～50℃温度补偿），温度测量方位是0～50℃，响应时间＜5s。

图2 DHT11温湿度传感器

图3 GY302光照传感器

2.3 光照传感器和颗粒物传感器

采用关照传感器监测独居老人的居住环境，从而根据其居住环境的光线变化提醒老人起床和睡眠。要求该传感器接近人眼视觉灵敏度，从而更容易观察，精度要求高，对环境光源变化敏感，综合以上要求选择GY302光照传感器，其光照度范围：0-65535勒克斯，采用数字输出，省略复杂的计算，接近于视觉灵敏度的分光特性，对于常见家具环境的光亮度进行1勒克斯的高精度测定。

2.4 颗粒物传感器和心率传感器

大气污染物种类繁多，目前我国环境保护部门监测大气污染物时采用PM10这个指标。其定义是监测环境空气中尘埃或飘尘的空气，当量直径为10μm的尘埃或飘尘在环境空气中的浓度。目前天气雾霾的最主要原因是PM2.5，也是影响人体健康的主要原因之一，其浓度越高，导致的呼吸疾病和心血管病的发病率也越高。对于独居老人而言，这两项疾病也是他们健康的最主要威胁，因此必须对独居老人居住环境的PM2.5进行检测。综合考虑后，选择ZH03B型PM2.5颗粒物传感器，它是一个小型化激光粉尘传感器模组，具有良好的一致性、准确性和稳定性，体积小，便于集成应用，检测范围是0.3-10微米，响应时间是1秒。

图4 ZH03B颗粒物传感器

图5 MDL0025脉搏传感器

直接精确测量人体的心率目前是无法实现的，脉搏和心率是正向相关的，目前普遍通过测量脉搏来间接测试心跳速率。本文选择的5MDL0025脉搏传感器，该传感器可以戴在手指或者耳垂上，通过开源的App程序，实时显示出人体的心率。

2.5 显示模块和报警模块

显示屏模块，因为显示的内容不多，所以选择1.3寸的显示屏模块，4针支持I2C接口，显示白光或者蓝光，外形尺寸35.4*31.7*2.7mm，工作温度-30～70℃。

报警模块，采用Risym无源蜂鸣器模块，低电平触发，尺寸32*13mm，设置有固定螺栓孔，方便安装。

3 程序设计及运行效果

本套装置接通电源后，arduino控制芯片进行初始化设置，随后各种传感器初始化设置，该过程大约持续10秒左右，随后显示屏显示当前信息，然后通过按键设置温度、湿度、PM2.5浓度和心率的报警值，如图6所示。随后整个系统开始工作，各个传感器收集环境和人体的参数值，同时通过无线模块将信息发给手机和云平台，云平台会实时记录各个参数，形成一个关于老人身体健康和居住环境的健康和环境监测数据库。一旦某项参数超出设定值，就会触发蜂鸣器报警，同时通过手机app和云平台会将报警信息发送给子女、医护人员、社区工作人员及急救中心寻求帮助和救护。

图6 温湿度结果

系统设计、组装调试后，对系统的功能进行了测试，通过实验可以看到显示的温度、湿度、PM2.5浓度和心率的监测结果，实现检测表明该系统的响应时间在10秒以内，完全能够满足独居老人日常环境监测和紧急情况下的自动救助需求。

4 结束语

本文以居家老人的环境为研究对象，通过物联网云平台、手机App和温、湿度、颗粒物等多种传感器共同构成一个监测独居老人居住环境的监测系统，实现了监测参数实时传送到云平台和手机，能够有效监测老人的居住环境；一旦出现紧急情况可以通过手机App和云平台，向相关的社区和医护机构及其子女，发送求助信息，从而确保老人的健康。