基于窄带物联网的养老院智能系统设计

刘晓旭 吕志华 何润华

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.033

收稿日期：2023-05-31

基金项目：2022年山东省大学生创新创业训练计划平台申报项目（S202213857018）

摘  要：文章研究一种基于窄带物联网的养老院智能管理系统。首先，根据睡眠监控系统检测的老人血氧浓度、心率、体温、翻身次数等数据信息判断出老人一段时间内的睡眠质量和健康状况，系统通过物联网将老人的睡眠和健康情况及时反馈给医护人员和老人子女，并给出改善建议。其次，通过环境监控系统检测室内环境，执行系统可以根据室内空气质量标准自动控制消毒、开窗、增湿等控制设备，使室内空气质量达到标准要求。最后，借助云平台智能控制系统，随时随地能查看老人的健康状况、睡眠质量和室内环境质量，并依托互联网大数据做出最优调整。

关键词：老人健康检测；环境自主调节；窄带物联网；BC28

中图分类号：TN929.5  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2024）02-0154-04

Design of Intelligent System for Nursing Homes Based on Narrowband IoT

LIU Xiaoxu， LYU Zhihua， HE Runhua

（School of Electrical Engineering， Shandong Huayu University of Technology， Dezhou  253034， China）

Abstract： This paper studies an intelligent management system for nursing homes based on narrowband IoT. Firstly， based on the data information such as elderly's blood oxygen concentration， heart rate， body temperature， and number of turns detected by the sleep monitoring system， the sleep quality and health status of the elderly over a period of time are determined. The system timely feedbacks the elderly's sleep and health status to medical staff and children through the Internet of Things， and provides improvement suggestions. Secondly， by detecting the indoor environment through an environmental monitoring system， the execution system can automatically control disinfection， window opening， humidification and other control equipment according to the indoor air quality standards， so that the indoor air quality meets the standard requirements. Finally， with the help of cloud platform intelligent control systems， the health status， sleep quality of the elderly， and indoor environment quality can be viewed anytime and anywhere， and optimal adjustments can be made based on internet big data.

Keywords： elderly health testing; environmental self-regulation; narrowband IoT; BC28

0  引  言

隨着全球老龄化程度的加深，养老问题越来越引起人们的关注。在中国，老龄化问题也日益突出，养老院的建设和管理成为社会的重要问题。但是，传统养老院普遍存在着管理不规范、设施简陋、服务质量低下等问题。因此，如何提高养老院的管理水平，提高老人的生活质量，成为亟待解决的问题[1]。

随着物联网技术的不断发展和普及，智能化养老院管理系统得到了广泛的关注和应用。智能养老院管理系统可以通过传感器、网络通信等技术手段，实现老人的全天候监护、安全保障和健康管理，从而提高老人的生活质量和安全性。因此，本研究旨在设计一种基于物联网的养老院智能管理系统，以提高养老院的管理水平和服务质量，为老年人提供更好的生活保障[2]。本研究的意义在于：

1）提高养老院的管理水平和服务质量。通过引入物联网技术，可以实现对老人的全天监护和管理，从而提高养老院的管理水平和服务质量。

2）提高老人的生活质量和安全性。智能养老院管理系统可以实现老人的睡眠监测、环境监测和紧急报警等功能，从而提高老人的生活质量和安全性。

3）推动物联网技术在养老领域的应用。本研究以物联网技术为基础，将其应用于养老院管理中，为养老领域的发展提供了新的思路和途径，也有助于推动物联网技术在养老领域的应用和发展。

总之，本研究的研究背景和意义在于提高养老院的管理水平和服务质量，提高老人的生活质量和安全性，推动物联网技术在养老领域的应用。

1  系统硬件平台的设计与实现

本设计的硬件系统由电源模块、主控芯片、窄带物联网模块、传感器模块、执行模块等部分组成，主要分为睡眠监控系统硬件设计、环境监控系统硬件设计和紧急报警系统硬件设计三大部分[3]。其中硬件方案框架图如图1所示，硬件设计图如图2所示。

硬件设计部分包括：

1）紧急报警按钮：老人按下紧急报警按钮，病房主控室会报警，且手机客户端和云端也会收到紧急报警通知。

2）主控系统和电源：包括STM32主控芯片、BC26窄带物联网模块和12 V蓄电池供电模块，蓄电池接降压模块给STM32单片机和BC26物联网模块供电，实现对各种传感器的控制和数据上传云平台。

3）空气质量传感器：包括SDS011传感器检测PM2.5浓度，MQ135传感器检测室内空气质量。

4）溫湿度传感器：DHT11温湿度传感器，检测室内环境温湿度。

5）压力传感器1：HX711压力传感器感知老人的睡眠姿势和翻身次数。

6）压力传感器2：HX711压力传感器感知老人的睡眠姿势和翻身次数。

7）温湿度传感器1：DHT11温湿度传感器，检测老人睡眠时的温湿度。

8）血氧心率传感器：MAX30102血氧心率传感器检测老人的血氧和心率。

9）温湿度传感器1：DHT11温湿度传感器，检测老人睡眠时的温湿度。

10）压力传感器3：HX711压力传感器感知老人的睡眠姿势和翻身次数。

整体尺寸：190 cm×80 cm×10 cm

1.1  睡眠监控系统硬件设计

睡眠监控系统的硬件平台主要通过MAX30102血氧心率脉搏传感器检测血氧浓度和心率、XGZP压力传感器检测翻身次数。这些传感器的数据将通过单片机采集和处理后，上传到云平台上进行分析和处理[4]。

1.2  环境监控系统硬件设计

环境监控系统的硬件平台主要包括空气质量检测传感器MQ135、温湿度传感器DHT11、PM2.5传感器SDS011。空气质量检测传感器用于检测室内空气质量，温湿度传感器用于检测室内温度和湿度，PM2.5传感器用于检测室内PM2.5浓度[5]。这些传感器的数据将通过单片机采集和处理后，上传到云平台上进行分析和处理。

1.3  紧急报警系统硬件设计

紧急报警系统的硬件平台主要包括紧急报警按钮和主控室。紧急报警按钮可以放置在老人的床头或手边，一旦老人有紧急情况，可以按下按钮进行报警。主控室可以接收到紧急报警信号，并及时采取相应的措施。

硬件平台的实现主要包括电路设计、传感器选型、单片机编程、硬件调试等环节。实现过程中需要考虑系统的稳定性、可靠性、安全性等因素，确保系统能够正常运行和满足设计要求。在实现过程中，还需要进行系统测试和性能评估，确保系统的性能能够满足实际应用需求。

2  系统软件平台的设计与实现

本设计以STM32单片机为主控芯片，BC28为窄带物联网模块，综合多种传感器和自主调节模块，设计了基于窄带物联网的养老院智能管理系统。通过外接5 V电源给系统供电，之后各种传感器开始数据检测，包括老人心率、血氧、睡眠时翻身次数等数据，老人生活环境的温湿度、PM2.5浓度、烟雾浓度等，数据检测的同时BC28模块开始初始化，初始化完成后将检测数据实时上传至阿里云平台，并在OLED显示屏实时显示[6]。当室内环境的烟雾浓度或颗粒浓度高于阈值时，会打开风扇。当室内环境湿度低于阈值时，会打开水泵。当室内环境温度高于阈值时，会打开风扇。通过自主调节模块来自主调节室内环境。当发生特殊情况，如老人按下紧急报警按钮时，会启动声光报警，并将报警信息上传云平台。其中软件流程图如图3所示。

2.1  睡眠监控系统软件设计

睡眠监控系统的软件平台主要包括数据采集、数据存储、数据分析和数据显示等模块。数据采集模块负责从硬件平台中获取传感器数据，并将数据上传到云平台上[7]。数据存储模块负责将采集到的数据存储到数据库中进行管理。数据分析模块负责对采集到的数据进行分析，如分析老人的睡眠质量、健康状况等。数据显示模块负责将分析后的数据以图表或文本的形式展示出来，方便医护人员或老人子女进行查看和分析。

2.2  环境监控系统软件设计

环境监控系统的软件平台主要包括数据采集、数据存储、数据分析和数据显示等模块。数据采集模块负责从硬件平台中获取传感器数据，并将数据上传到云平台上。数据存储模块负责将采集到的数据存储到数据库中进行管理。数据分析模块负责对采集到的数据进行分析，如分析室内空气质量、温湿度等。数据显示模块负责将分析后的数据以图表或文本的形式展示出来，方便医护人员或老人子女进行查看和分析。

2.3  紧急报警系统软件设计

紧急报警系统的软件平台主要包括报警信息接收、报警信息处理和报警信息显示等模块。报警信息接收模块负责接收从硬件平台上传的报警信息。报警信息处理模块负责对接收到的报警信息进行处理，并及时通知医护人员或老人子女。报警信息显示模块负责在管理人员的电脑或手机上显示报警信息，方便管理人员及时处理紧急情况。

软件平台的实现主要包括程序编写、数据库设计、界面设计等环节。在实现过程中需要考虑系统的易用性、可靠性、安全性等因素，确保系统能够正常运行和满足设计要求。在编写程序时，需要根据系统的功能需求，采用合适的编程语言和开发工具，实现各个模块的功能。在数据库设计方面，需要设计合理的数据库结构，建立数据表和索引等，确保数据的存储和管理效率。在界面设计方面，需要设计简洁明了、易于使用的界面，方便管理人员进行操作。

3  系统测试与分析

系统测试与分析是智能养老院管理系统开发的重要环节，本部分将介绍本研究的系统测试与分析结果。

3.1  系统测试

本研究的智能养老院管理系统经过了多次测试，包括功能测试、性能测试和稳定性测试等。在功能测试方面，系统能够准确地监测老人的睡眠、健康状况和室内环境等信息，并及时报警处理[8]。在性能测试方面，系统能够快速、准确地采集和处理数据，并实现数据的实时显示和管理。在稳定性测试方面，系统能够稳定运行，并保持正常的工作状态，不会出现崩溃或数据丢失等情况。功能测试数据如表1至5所示，系统测试图如图4所示。

3.2  系统分析

通过对系统测试结果的分析，本研究得出了以下结论：

1）系統的功能能够满足实际应用需求。系统能够准确地监测老人的睡眠、健康状况和室内环境等信息，并及时报警处理，能够有效提高养老院的管理水平和服务质量。

2）系统的性能较好。系统能够快速、准确地采集和处理数据，并实现数据的实时显示和管理，能够满足养老院管理人员的需求。

3）系统的稳定性较高。系统能够稳定运行，并保持正常的工作状态，不会出现崩溃或数据丢失等情况，能够满足长期稳定运行的需求。

综上所述，本研究的智能养老院管理系统经过了多次测试和分析，能够满足实际应用需求。通过测试和分析，可以发现系统的功能、性能和稳定性等方面都表现较好，能够为养老院的管理和老人的生活提供良好的保障。

4  系统性能优化

系统性能评估和优化是智能养老院管理系统开发的重要环节，本部分将介绍本研究的系统性能评估和优化结果。

本研究对系统性能进行了优化，主要包括硬件优化和软件优化两个方面：

1）硬件优化：硬件优化主要涉及硬件选型和硬件布局等方面。通过优化硬件选型和硬件布局等，可以提高系统的数据采集和处理效率，提高系统的整体性能[9]。

2）软件优化：软件优化主要涉及程序优化和数据库优化等方面。通过对程序进行优化和对数据库进行优化等，可以提高系统的响应速度和数据处理效率，提高系统的整体性能[10]。

通过性能优化，本研究的智能养老院管理系统的性能得到了进一步提升，能够更好地满足实际应用需求。需要注意的是，系统性能优化是一个持续的过程，需要不断地进行优化和改进。

5  结  论

本研究的智能养老院管理系统采用物联网技术和云平台技术，实现了老人睡眠和健康状况监测、室内环境监测和紧急报警等功能，能够为养老院的管理和老人的生活提供良好的保障。多次测试和分析表明，该系统具有较好的功能、性能和稳定性等方面表现，并能够满足实际应用需求。同时，本研究的智能养老院管理系统为养老领域的发展提供了新的思路和途径，有助于推动物联网技术在养老领域的应用和发展。

参考文献：

[1] 李莉.基于物联网技术的智能养老服务系统设计 [J].工业控制计算机，2023，36（8）：54-55+57.

[2] 卢佳欣，陈柏祥，丁子建.基于物联网技术的智慧家庭监测系统设计 [J].科技与创新，2023（21）：105-107+110.

[3] 池长会.智能化技术在互联网+智慧养老服务模式中的应用 [J].电子技术，2023，52（7）：328-330.

[4] 姜妍.基于物联网的智慧养老系统设计与实现 [J].无线互联科技，2023，20（14）：29-31.

[5] 韩雨涝.医养结合型智慧养老服务平台设计 [J].计算机时代，2023（4）：157-160.

[6] 亓璐璐.基于WiFi技术的远程养老看护系统设计 [D].吉林：东北电力大学，2022.

[7] ST先进的MEMS传感器助力开启Onlife时代 [J].单片机与嵌入式系统应用，2022，22（5）：95.

[8] 李哓慧.基于华为云平台的智慧养老系统的研究与设计 [D].沈阳：沈阳师范大学，2023.

[9] 李威.基于NB-IoT的环境智能监控系统 [D].南京：南京航空航天大学，2020.

[10] 孙万里.基于云平台和NB-IoT的物联网监控系统开发 [D].杭州：浙江大学，2021.

作者简介：刘晓旭（2001—），男，汉族，山东济宁人，本科在读，研究方向：自动化；吕志华（1980—），女，汉族，山东德州人，副教授，本科，研究方向：电气工程及其自动化；何润华（2000—），男，汉族，山东日照人，本科在读，研究方向：电气工程及其自动化。