老年照护机器人感知系统开发

题目:老年照护机器人感知系统开发老年照护机器人感知系统开发摘要：随着人们生活水平的提高，科学技术的发展，人们已经不再局限于温饱的问题，而舒适、便捷、智能化的生活成为了人们现在的追求目标，从而智能穿戴和物联网技术也随之产生与兴起。据调查，目前市场上还没有针对老年人而设计的护理机器人。如今，人们对安全越来越重视。预计到2050年，中国老年人口将达到4.8亿，老龄问题将为中国社会经济发展和转型带来新挑战。而老人一人在家的报道也频频出现。此款护理机器人的设计，一方面能够陪伴老人，另一方面，通过实时监测老人的所处的情况，如老人需要帮助，通过APP端提醒，监护人将及时采取相应措施。关键词：智能机器人；老年看护；远程监控；环境监测目录第一章绪论 41.1本课题研究背景及意义 41.2本课题国内外发展情况 5第二章相关技术简介 62.1系统软硬件开发工具 62.2相关开发技术及软件 62.2.1FileZilla软件简介 62.2.2Spring框架 62.2.3MyBatis数据库框架 62.2.4基于NativeSystem系统层的框架 72.2.5系统功能简介 错误!未定义书签。第三章系统需求分析 83.1设备功能需求分析 83.3系统功能需求分析 83.3.1微信小程序端功能需求 83.3.2Web后台管理功能需求 8第四章系统设计 104.1数据库设计 104.2系统网络 124.3管理系统功能模块设计 134.4管理系统核心功能设计 14第五章老年照护机器人感知系统功能实现 185.1微信小程序实现 195.1.1主界面与个人中心 195.1.2设备控制 205.1.3预警阈值设置 215.2Web端后台管理实现 23第六章总结与展望 276.1总结 276.2展望 27参考文献 28致谢 29第一章绪论物联网（TheInternetofThings）是基于互联网发展起来的，物物相连的网络。物联网能够让独立的物理个体实现互联互通，从而形成信息采集、信息传输、远程控制的智能化网络[1]，为人们的生活、生产带来极大便利，使人们在智能化研究的道路上更进一步。物联网的概念最早是由美国KevinAshton教授在1999年的“移动计算和网络国际会议”中提出的。随后，中国提出“互联网+”和“中国制造2025”等战略，足以证明物联网在中国经济发展及产业转型中产生的重要作用。如今物联网已经开始改变人们的生产和生活，而物联网在中国的发展也开始取得一定成效。物联网的应用十分广泛，例如家居、穿戴、农业、工业的智能化。通过智能照护设备，人们可以实时了解自己的健康情况，于是基于物联网的智能设备就迅速发展起来了，而且因为需求量大所以具有广泛的市场前景。随着物联网的发展，智能护理快速普及，智能看护机器人的概念被众多企业家提出。本毕业设计利用物联网技术，开发了一套老年照护机器人感知系统。设备通过WiFi连接网络后将数据进行传输存储。用户使用手机终端对老年照护机器人感知系统设备进行管理，比如实时监测数据、实时监控以及反向控制等。1.1本课题研究背景及意义中国正处在高速发展阶段，在人们生活质量不断提高的同时，科学技术发展也取得重大突破，“互联网+”时代已经到来。在人们感受到科技带来的便捷生活后，便不再满足于繁杂、不便的生活方式，于是开始追求更舒适、更智能化的生活、生产方式。这也推动了物联网技术的发展，从而以物联网技术为核心的智能化产业随之产生与兴起。在中国进入小康社会后，人们对弱势群体的安全越来越重视。据统计，预计到2020年，中国老年人口将达到27478万人[6]，老龄问题将给中国社会发展和经济转型带来新挑战。如今，独生子女家庭的数量持续增长，子女在外工作，家中老人无人看管导致意外频频发生，所以人们对安全越来越重视。预计到2050年，中国老年人口将达到4.8亿，老龄问题将为中国社会经济发展和转型带来新挑战。老口老龄化的问题愈发严重，以及大多数独生子女家庭无暇照顾老人，催生出此款智能护理机器人的设计，一方面能够陪伴老人，另一方面，通过实时监测老人的所处的情况，如老人需要帮助，通过APP端提醒，监护人将及时采取相应措施。面对庞大的老年人群体，相信此款老年机看护机器人会有广阔的市场前景。1.2本课题国内外发展情况随着全球老年化的极速发展，开发更加人性化、智能化的机器人已经是各国为了解决此问题的迫切需求。在国内，关于老年的照护设备主要是智能轮椅，护理机以及一些辅助老年人日常需求的智能设备，这些设备往往功能单一，而且实用性不强，不能很好满足大多数消费者的需求。在国外，很多国家也有自己应对老口极速老化，护理人手不足等问题的研究。例如日本研究的沟通型机器人，可以满足老年人入浴、排泄、饮食、阅读等需求，但是对于其他一些发达国家关于老年人的照护设备则是更多偏向于医用，而对于居家的设备其价格相对昂贵，不能很好满足大多数家庭的消费能力。1.3研究内容及系统介绍本毕业设计主要包含老年照护机器人感知系统设备、移动终端以及Web后台管理的设计与实现。该系统介绍如下：（1）老年照护机器人感知系统设备所监测的老年生活环境的温湿度、空气中烟雾浓度的数据，通过WiFi连接将数据存储到阿里云服务器上，管理员通过账号登录到后台管理系统，可以对实时获取到的数据进行相关操作。用户也可以通过账号登录移动终端管理设备，了解老年人当前生活环境的情况。（2）当环境中的温湿度或者烟雾浓度超过预先设置的阈值时，系统会出警报，并且自动开启该设备中的处理方式。(3)用户可以通过移动端或者web端实时查看检测到的相关数据，远程查看老年人当前生活情况，也可以通过远程监控，实时了解到老年人当前生活动态。(4)在设备的使用过程中用户也可以将遇到的问题反馈给管理员，即时解决，做好设备的维护。第二章相关技术简介2.1系统软硬件开发工具老年照护机器人感知系统的开发涉及物联网技术、Web开发技术、传感器技术。其中，在设备硬件方面利用putty软件对树莓派进行系统烧录，热点设置，运行数据采集程序。在Web端利用eclipse开发工具以及Tomcat9.0服务器，运用JS、HTML、CSS等前端技术设计页面，后台设计则使用Spring框架，同时利用MySQL做为收集老年照护机器人感知系统的数据库。客户端采用微信开发者工具进行微信小程序的设计2.2相关开发技术及软件2.2.1FileZilla软件简介FileZilla是一个免费开源的FTP软件，分为客户端版本和服务器版本，具备所有的FTP软件功能。可控性、有条理的界面和管理多站点的简化方式使得Filezilla客户端版成为一个方便高效的FTP客户端工具，而FileZillaServer则是一个小巧并且可靠的支持FTP&SFTP的FTP服务器软件。FileZilla是一种快速、可信赖的FTP客户端以及服务器端开放源代码程式，具有多种特色、直接的接口。FileZilla在2002年11月获选为当月最佳推荐专案。2.2.2Spring框架Spring框架[11]运用基本的JavaBean来取代EJB，它是为解决软件开发的复杂性而创建的。它由轻量级控制反转(IoC)和面向切面(AOP)的容器框架两部分构成。Spring框架用途广泛，由于它简化开发流程、降低开发难度、方便程序测试以及兼容各种优秀框架等特点，而受到许多开发者的青睐。2.2.3MyBatis数据库框架MyBatis框架是一款优秀的数据库持久层框架，它具有提供XML标签、提供对象关系映射标签、应用灵活、简单易学等优点[12]。此外，MyBatis框架拥有属于自己的代码生成器，它可以封装JDBC，利用反射打通Java类与sql语句之间的相互转换，因此使用时只要引入依赖的库文件，就可以实现接口绑定，使用更加方便。MyBatis框架还可以对数据库进行增删改查，让我们在执行sql语句时，对输入输出的管理更方便。但MyBatis框架也存在工作量大、字段多、移植性差等缺点。2.2.4基于NativeSystem系统层的框架微信Web开发工具是一种基于NativeSystem系统层的框架。微信小程序[13]的两个线程分别是AppserviceThread和ViewThread，它们可以同时进行、并行加载，这就加快了小程序的响应速度，从而减少用户的等待时间。在编写程序流程上微信Web开发者工具使用“同步本地文件+开发调试+编译预览+上传+发布”一整套流程，简化开发。第三章系统需求分析3.1设备功能需求分析本系统的老年照护机器人感知设备主要包含了树莓派核心处理模块、电源模块，串口模块、WiFi通讯模块、温湿度传感器模块、烟雾浓度传感器模块、继电器模块等。树莓派核心处理模块可用于存储程序和数据；老年人的生活环境的数据则是通过温湿度和烟雾浓度传感器来获取到相应的数据；通讯模块使用的是WiFi通信方式，用来传输温湿度和空气中烟雾浓度的数值；串口模块采用USB串口线给设备供电，继电器模块用于控制电路，起到一种自动开关的作用，来达到控制设备3.2系统功能需求分析3.2.1微信小程序端功能需求微信小程序的功能包括：微信授权、系统更新、产品绑定、烟雾、温湿度传感器数据查看、警报提醒、个人资料修改、密码修改以及查看公告等，相关功能叙述如下：登录功能：开始是利用获取微信登录的账号信息进行登录到小程序中；显示数据：能够通过页面显示其传感器的相关数据；扫码添加：打开微信，通过二维码扫描即可进入小程序；操作日志：可以在页面上显示一些敏感的操作日志，可查看用户每次登录时间；设备控制：可以通过小程序进行一些反向控制的操作，远程开启小风扇；报警功能：当温湿度或烟雾浓度超过一定值时启动报警功能；日常生活提醒：用户可以设置好一天某个时间段需要做的事情，如晨跑，用药，该设备会自动提醒用户，并记录当天情况；设备管理：可以添加删除设备，对其设备进行相应的管理；信息公告：可以接收到相关设备的相关信息通告；10）反馈信息：用户通过对使用的产品情况进行问题反馈和相关建议；3.2.2Web后台管理功能需求Web后台管理功能主要包括：登录注册、个人信息管理、数据管理、设备管理、系统日志、用户反馈等，相关叙述如下：（1）用户管理：设定超级管理员对普通管理员的操作权限超级管理员可以对管理员进行管理。普通管理员信息查看与修改：超级管理员可以对普通管理员的信息进行查看与修改。普通管理员管理：超级管理员拥有对普通管理员进行增、删、改、查的权限。普通管理员可以修改个人信息。普通管理员只能查看其他管理员信息，无权修改他人信息。（2）设备管理：管理员可以添加新设备的序列号，让用户进行绑定。管理员可以查看感知系统实时数据。(3)注册登录：账号、密码、电话、等进行注册，账号和密码通过注册后进行检测登录；(4)数据查看：可实时查看当前和历史的温湿度、烟雾浓度信息并以折线图的形式呈现；(5)设备管理：可查看当前设备的状态和对设备进行阈值设置和反向控制的操作；(6)系统公告：管理员可以发布一些相关设备的通告和查看历史公告信息；(7)反馈信息：对于用户反馈出来的信息进行管理管理；(8)日志信息：页面上显示一些敏感的操作日志，登录时间，记录相应的操作；(9)监控功能：通过树莓派上的摄像头对老年人生活状态进行实时监控；(10)短信报警：当收集到异常数据时，web端将发送短信到用户绑定的手机号码，提醒用户及时采取相应措施。

系统设计4.1数据库设计(1)用户信息表，用于存储用户相关信息。用户信息表包括：序号、用户名、密码、电话、邮箱、绑定的设备名称以及操作时间，其中序号是主键。具体信息如表4-1所示。表4-1用户信息表中文名字段类型长度空值备注序号Idint20否主键用户名UsernameVarchar100否密码PasswordVarchar100否电话PhoneVarchar20否(2)设备数据表，用于存储所有设备采集的数据信息信息。设备数据表包括：设备的序列号、温湿度、烟雾浓度、以及数据获取时间。具体信息如表4-2所示。表4-2设备数据表中文名字段类型长度空值备注序号idint11否主键温湿度typeDouble20否烟雾浓度smokeDouble20否获取时间timeTimestamp20否(3)公告表，用于存储着管理员对用户的公告通知。公告表包括：序号、公告发布时间、公告内容、公告发布者，其中序号是主键。具体信息如表4-3所示。表4-3公告表中文名字段类型长度空值备注序号Idvarchar50否主键时间Timevarchar50否内容Messagevarchar50否发布者namevarchar50否（4）管理员管理表，用于存储对管理员的操作信息。管理员登录表包括：登录序号、登录帐号、操作、角色、操作时间，其中帐号是主键。具体信息如表4-4所示。表4-4管理员管理表中文名字段类型长度空值备注序号idint36否自动递增帐号adminnamevarchar36否主键操作Operatevarchar36否角色Role_namevarchar32否时间Timetimestamp36否(5)管理员信息表，用于存储管理员的信息。管理员信息包括：帐号、密码、邮箱、昵称，其中帐号是主键。具体信息如表4-5所示。表4-5管理员信息表中文名字段类型长度空值备注帐号adminnameVarchar36否主键昵称NameVarchar36是邮箱EmialVarchar36是密码PasswordVarchar36否(6)通知表，用于存储超级管理员对普通管理员的通知信息。包括：序号、时间、内容，其中序号是主键。具体信息如表4-6所示。表4-6通知表中文名字段类型长度空值备注序号idint36否主键，自动递增时间timevarchar36否内容Informationvarchar36否4.2系统网络拓扑结构图老年照护机器人感知系统设备通过USB接口连接电脑，打开电源开关设备通电后，预先配置好的WiFi模块会自动连接网络，将监测到的老年人生活环境情况数据传输存放在阿里云服务器上。用户打开老年照护机器人管理设备微信小程序之后就可以对设备进行相关操作，管理员通过电脑访问对应的Web即可进行对应的操作。该系统的网络拓扑以图4-2所示图4-2老年照护机器人感知系统网络拓扑图

4.3管理系统功能模块设计照护机器人感知系统包含两个主要模块，客户端使用微信小程序，可以实现用户的注册登录、实时数据查看、历史数据列表查看、视频监控等功能。管理员使用Web端，可以实现管理员的登录注册、数据查看、视频监控、用户反馈等功能。该系统具体管理模块设计如图4-3所示图4-3管理系统功能模块图4.4整体电路设计本设计的老年照护机器人感知系统设备是采用树莓派作为控制模块，其中整体电路组成主要包括了核心控制模块、WiFi通信模块、温湿度度传感器模块、模数转换模块、烟雾传感器模块、摄像头模块、继电器模块等七大模块。老年照护机器人感知系统设备整体电路如图4-4所示。图4-4整体电路设计图4.5系统功能模块设计4.5.1核心控制模块核心控制模块采用的是树莓派BCM2837芯片，在本系统中起到完成运算和处理任务的作用。该芯片是一种低成本，全高清多媒体应用处理器，用于先进的移动和嵌入式应用，电源效率经过了不断优化，同时也具有16kb指令和数据的高速缓存，它具有定时器、中断控制器、DMA、PWM等外设可以被ARM安全使用，是功耗效率最高的ARM应用处理器。BCM2837芯片具体实物如图4-3所示。图4-3核心模块实物图4.5.2WiFi通信模块(1)本系统的通信模块是博通BCM43438WiFi/BLE芯片，BCM43438是一个高度集成的单芯片解决方案，能为各种设备提供最低的RBOM。此通信模块的数据传输速率高达200Mbps，所以本系统中对于数据的传输以及交互都是通过次模块实现。具体实物图为图4-4图4-4通信模块实物图(2)硬件部署用使用该通信模块需要电脑热点设置为ssid：123密码：yejiawen，树莓派上电自动搜寻该热点进行连接（热点SSID与密码已经事先配置在树莓派系统中，若想修改连接的热点可以做如下操作： <1>执行sudonano/etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf<路径可能有偏差，注意wpa_supplicant.conf文件即可>； <2>类似的修改内容，可添加多个网络：network={ ssid="raspi" psk="123456789"}network={ ssid="tangtang" psk="tang123456"} 配置完之后每次上电自动查找可用的wifi热点；4.5.3温湿度传感器模块监测老年人生活环境的温湿度采用的是DHT11传感器，传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并于一个高性能8位单片机相连，该传感器以数字信号输出，具有反响速度快，抗干扰能力强的特点，使用时体积较小，连接方便，其实物图如4-5。4-5温湿度传感器实物图4.5.4.烟雾浓度传感器模块该感知系统设备通过MQ-2烟雾传感器来检测空气中烟雾浓度是否超过预设值，其主要原理是通过空气中的烟雾浓度来影响电阻，输出电阻越低，输出模拟信号越大。其实物图如4-64-6烟雾浓度传感器实物图4.5.5摄像头模块摄像头模块采用第三方usb摄像头，像素130万，最高分辨率1280*1024，接口USB2.0过对老年照护机器人上的树莓派安装监控系统，就可以在树莓派上搭载摄像头，实时了解老年人生活情况。实物图4-7。4-7摄像头模块实物图老年照护机器人感知系统功能测试与实现5.1系统测试系统测试的主要目的是为了检测系统是否符合需求文档中提出的要求和内容。系统测试的工作在本系统的开发过程中其实是一直存在的，为让整个系统开发完成后能正常运行，还应该对于该系统进行严格的整体测试，在测试中发现问题，然后针对这些问题，进一步进行修改和完善，确保所需要的功能是否达到要求。本章是主要对于老年照护机器人感知系统进行了功能性测试。5.1.1系统测试方案本设计的老年照护机器人感知系统设备以树莓派为核心板，每一个模块都先单独连接，用代码先测试其工作是否正常，确认每一个都正常后再整合到一起。一旦某个模块出现问题，就要停止下一步骤操作，马上查看问题所在，及时解决问题。本设计的Web后台管理系统测试使用的是功能测试，在每次完成一个功能都要进行测试，看实现的功能是否正常，比如点击按钮是否会跳转到相关页面，是否能查找到相关数据等，如果发现某个部分没有实现预期的效果，那么马上就进行错误的查找进行修正，这样保证了整个系统的稳定。系统测试的硬件环境包括：一个装有Raspbain系统的树莓派。一台装有Windows10系统的电脑。一部安装微信应用的Android手机。系统测试的软件环境包括：eclipse集成开发环境。微信开发者工具。Navicat数据库可视化工具。谷歌浏览器。系统测试数据的部分代码：5.2微信小程序实现微信小程序具有占用内存低、保密性强、安全稳定、开发成本低等优势，因此，该感知系统以微信小程序作为客户终端。用户可通过微信小程序进行相关操作，具体有：微信授权登入、设备绑定、实时数据查看、公告查看、修改信息等。用户可以在主界面查看监测数据、控制设备、个人日志、操作日志、公告等。微信小程序中，用户可通过查看设备，查看数据的感知系统具体数据5.2.1系统登录与个人中心模块实现微信小程序界面功能简单，易操作。用户可以在主界面查看监测数据个人日志、操作日志、公告等，实现效果如图5-1所示。个人中心界面用户可进行信息管理、意见反馈、常见问题解答，实现效果如图5-2所示。图5-1微信小程序主页界面图5-2微信小程序个人中心界面5.1.2设备控制模块实现当感知系统设备检测到数据异常时会发出警报，用户则可以通过客户端进行设备控制，实现效果图如图5-3所示。5-3设备控制5.1.3预警阈值设置模块实现通过设置温湿度、烟雾浓度的具体警报阈值，当检测到老年人生活环境达到此阈值时发出警报，具体效果图如图5-4所示。图5-4阈值设置5.1.3数据信息查看模块实现通过此界面查看老年人生活环境的具体数据信息，具体实现效果如图6-5所示。图5-5数据信息5.2Web端后台管理实现Web端后台管理系统是针对照护机器人设备经营者和设备管理人员开发的。主要包括管理员登录，管理员对感知系统及数据的添加、删除、管理，管理员对用户的添加、删除、管理以及发布公告等。Web端主要有系统公告、用户管理、数据查看、设备管理、查看安全日志等功能。用户管理界面，管理员可以查看所有用户的用户名、邮箱及联系方式，并且可以查找、删除、添加用户超级管理员可以编辑系统公告，并对公告进行更新，管理员可查看公告。管理员（超级管理员也可）对产品进行管理，包括添加产品序列号、删除产品、查看产品详细信息等。在后台管理界面主要实现数据的显示，历史数据信息，老年人以及老年生活的实时监控。5.2.1登录注册功能实现管理员可以通过自己注册好的账户密码进入后台进行操作，实现效果如图6-1、6-2所示。图5-1用户登录界面图5-2用户注册界面5.2.2老年人实时监控功能的实现通过web端可以实时查看老年人的生活状况，具体效果如图5-3所示。图5-3老年人生活监控画面5.2.3用户管理功能的实现用户管理界面，管理员可以查看所有用户的用户名、邮箱及联系方式，并且可以查找、删除、添加用户。实现效果图如图5-4所示。图5-4所有注册用户信息5.2.4系统公告发布功能的实现超级管理员通过此界面发布系统信息公告，管理员可以实时查看，具体效果如图5-5所示。图5-5系统公告查看界面5.2.5设备添加功能的实现超级管理员可以通过设备添加界面，添加新用户的设备信息，具体效果如图5-6所示。图5-6设备添加第六章总结与展望6.1总结为解决当下我国人口老龄化出现的一些老人生活安全问题，设计了本款针对老年人的照护机器人感知系统。现总结如下：本次毕业设计通过本人的不懈努力以及老师的细心指导，克服了诸多阻力，解决了一个又一个的难题，基本完成老年照护机器人感知系统开发的软件及硬件设计。通过这次毕业设计，很好的运用到大学这几年所学的专业课知识，对自己的专业技能水平有了一个叫较为清晰的认识，对今后的发展方向有了更加清晰的目标。物联网工程会在今后成为各个行业的主流技术，所以在今后的学习工作中，更加应该不断提升自我，开拓创新，走在时代发展的最前沿。6.2展望由于专业知识水平的限制，本毕业设计研究的老年照护机器人感知系统还存在一些问题，例如供电问题、通信问题以及采集数据的精确度等。需要真正完成该设计与实现，还有许多需要改进的地方：(1)通信方面：老年照护机器人主要依靠WiFi进行通信，但是该技术存在一定的局限性，所以在通讯方面将会考虑使用esim卡等技术进行实时通讯(2)供电问题：老年照护机器人的设备不仅搭载多个传感器，还有舵机，机械臂等设备，供电需求大，在今后的研究中将会往低功耗的方向发展，以及实现备用电源，防止设备断电。(3)数据精确度：该感知系统的主要功能是实时监测老年人的生活状态，所以采集到的数据的精准性十分重要，在今后开发中将会使用更多且数据采集更加精准的传感器保证进行数据分析的精准程度。2020届物联网工程专业毕业论文（设计）参考文献[1]刘持标,陈志明.物联网工程与实践[M].北京:高等教育出版社,2015.[2]时梦楚,张亚南,郑家琪.互联网+背景下的智能穿戴产品设计[J].大众文艺,2018(19):108-108.[3]周路菡.智能护理科技改变生活[J].新经济导刊,2017(7):50-54.[4]范晓轩.阿里云计算技术和阿里IoT为广电行业带来的智能化创新——访阿里云计算有限公司资深解决方案架构师孟方[J].现代电视技术,2018(12):34-36.[5]刘淑萍.“互联网+”内涵与发展评价指标体系[J].科技经济市场,2018(11):58-63.[