智慧养老的现状及发展趋势

PAGE\*ArabicPAGE\*Arabic2第1章绪论随着我国的高速发展，人们变得越来越长寿。目前，大面积老龄化在我国已开启，也带来了诸多难以解决的复杂问题。比如空巢老人的健康问题、安全问题，给国家乃至全社会带来了前所未有的压力，比如社会养老资金问题，子女的养老负担问题等都对我国经济社会的发展产生影响。为了满足老年人生活的各项生活保障及需求，我们设计空巢老人“智慧养老综合服务系统”可以说是正符合当下社会的需要。好的养老综合服务系统,应当确保老年人各种合理的生活需求得到充分保障,比如生活物质需求、心理健康需求、生活护理需求等等,同事也要保障独居老人得到放心的、可靠的养老服务,比如对各种老人养老需求的响应、养老服务的质量突出,能够让老年人对服务感到满意等等。而我们设计的“空巢老人智慧养老综合服务系统”其核心理念其实就是围绕老年人需求,通过运用现代信息技术把物联网和传统居家养老深度融合,在云平台上为空巢老人可靠、优良的养老服务,才能好地满足老年人的各类生活保障及养老需求。传统养老模式存在的问题及需求为了解决这一问题近几年来在社会上成立了许多提供不同服务的养老机构及养老院。根据我们的调查，我们发现这些养老院及机构都存在着相同的问题。无实时监控由于人力、物力及技术条件的限制，目前存在的家庭养老、社区等机构开展的养老都无法对空巢老人实施实时的监控。多数老年人一般都不同程度的存在一些诸如高血压、心脏病、脑血栓等慢性病,随时都有发病的危险。甚至有些老年人患有老年痴呆等病症,如果不能随时对老年人的生命体征和生活环境进行实时的监控，就有可能出现走丢、摔倒、突发疾病，会对老人造成重大生命威胁。实时沟通困难手机是大多数老年人与家人或专业护理人员之间的联系的主要工具,但是手机需要经常充电、拨打和接听等操作，这些对于老年人来说较复杂,而且在老年人身体发生意外的时候信息沟通质量不高,老年人通常没有能力去操作手机完成呼救，这导致老人得不到及时的救援与帮助。1.1.3无远程控制当老人在家里、室内发生意外，前往救援的人员无法获得房屋的开锁权限，极大延误了救援时机。服务对象我们设计的“空巢老人”智慧养老综合服务系统针对如下情况的老年人：1.无子女照顾的老年人；2.患有疾病生活需要照理的老年人；3.年岁较高的老人；4.智慧养老院。1.3智慧养老的现状及发展趋势自2013年以来，“智能养老”的概念在学术界得到了广泛的应用。在中国，人们普遍认为智能养老是利用现代信息技术为老年人提供医疗、医疗、休闲、通信等服务，并通过上传、监控、分析、处理相关信息来实现智能化。智慧养老服务模式“系统+终端+服务+老人”,基于社区,由智慧养老服务平台,支持智能终端和热线,整合社区养老服务设施,专业的服务团队和社会资源,重点建设“呼吁援助、家庭护理、健康服务、文件管理”为中心的智能家居养老服务网络,为老年人养老提供全面的服务。“智慧养老”模式正在高速发展中。PAGE\*ArabicPAGE\*Arabic7第2章系统方案设计2.1系统总功能规划整个系统一共分十大部分分别为：Zigbee定位系统设计方案、智能手环设计方案、远程授权开锁方案、手机APP设计方案、路由器的设计方案、服务器系统选择、服务器设计方案、数据库、网页设计方案、云服务器设计方案。Zigbee定位系统负责老人在家的定位，Zigbee协调器把收到的信息发送给专用服务器A9，服务器ARMCortexA9板载Linux操作系统，作为一户老人的专用服务器，智能手环上的心率传感器负责采集老人的心率与血氧，陀螺仪负责判断老人的运动状态，是否摔倒，并通过蓝牙发给手机APP，手机APP负责进行老人室外定位，实时监控老人的位置，并可以设置语音定时提醒功能，定时提醒老人吃药等，手机APP把这些信息发送给服务器，服务器收到把信息进行处理并存入数据库，然后把信息上传至云服务器，云服务器对多户老人进行监控，并把所有信息进行云计算，作为参考信息发送给子女，以便子女可以随时知道老人的身体健康，子女还可以对信息进行权限设置，开放一部分信息或者所有信息给医疗机构以便对老人身体健康进行管理，也可以让老人知道自己的身体健康信息。当意外发生时，比如老人意外摔倒或者突发疾病，通过对老人心率血氧、摔倒姿态的判断，手环发出警报，服务器接到警报后立即向子女APP发送位置信息以及报警信号，并通知社区的服务中心或者相关医疗机构，他们可以通过手机APP向子女发送智能门锁授权请求，当子女授权后，对老人进行及时的救治。如图2-1所示。我们的设计以关爱老人身体健康与检测突发事件和突发疾病为目标，在日常生活，智能手环对老人的心率及血氧进行记录，并进行大数据分析，实时检测老人身体健康，并能检测家中水电气情况。当老人独自在家时，不小心摔倒或者突发疾病时，能够准确及时通知儿女或者医疗机构，通过授权远程对门进行开锁，能够保证老人得到及时的抢救和治疗，详述如2-2所示。图2-1系统框图图2-2救援框图2.1.1专用网页端及App服务平台整个系统的运行离不开网页和App。后台物业、管理人员通过网页端实施控制与数据信息处理，同时我们也开发了两个版本的App：老人用与亲属用。其中老人版字大、操作简单，主要为老人提供一键请求救援等服务；亲属版App通过在服务器注册与老人版一一对应，可实时获取相应老人的所有信息。图2-3老人及亲属版App图2-4Web端网站2.1.2生命体征数据监测我们开发的手环上集成的传感器能够实时检测老人的心率、血氧数值并上传至服务器，存入数据库，对老人生命健康进行全方位监控；通过大数据处理还可预防老年病的发生，同时还存储有老人病史等，供政府及医疗部门参考。图2-5数据库查看历史信息2.1.3实时定位本系统集成有GPS、Zigbee两套定位系统，在外活动时采用GPS定位，在建筑内时通过定位手环上集成的Zigbee模块来对老人进行建筑内三维定位（即楼层、区域），实现GPS无法实现的室内定位，并将定位信息实时上传至服务器，让亲属、管理人员获取这一信息，防止走丢并为紧急救援提供位置信息。图2-6老人身体状况记录中心2.1.4跌倒等紧急情况报警跌倒触发模块我们提供两种选择：手环式或胸卡式。手环上还集成有陀螺仪传感器，对老人起身、运动都有感知；胸卡式主要佩戴在腰部或胸口旁，报警误差更小。当老人发生跌倒时，报警信号通过手环发送至手机App，手机发出声光警报，提醒周围路人注意到老人；同时，报警信号也发送至服务器与亲属手机App，根据老人的定位信息及生命体征状态及时安排救援。遇到其他紧急情况时，老人也可一键呼救。2.1.5室内远程开锁我们开发了一套无线远程门锁。当老人在室内发生意外时，后台管理人员可以通过网页向亲属请求开锁，亲属通过App授权开锁后，求援人员可通过网页端控制一键远程开锁，节省宝贵的救援时间。图2-7无线门锁2.1.6居住环境检测除此之外，我们还可监测老人的居住安全环境。例如老人忘记关燃气、煤气，通过传感器感知浓度后可在通过服务器向老人发出语音提醒，或是远程关闭。2.1.7语音提醒功能App具有语音提醒功能，可以由亲属或后台管理人员发出提醒信号，提醒老人按时吃药等。图2-8系统功能图2.2子系统功能方案本系统用于老人健康监控与管理，目的是对老人身体健康进行实时监控，并可以对意外突发状况进行及时处理。2.2.1Zigbee节点方案Zigbee节点的设计我们选用每个房间安装四个，根据户型进行安装，通用为两室一厅，所以我们选用三块区域。我们的Zigbee采用电池供电，稳定高效，能够在断电的情况的下依然正常使用，保证了我们系统应对多种变化的能力。2.2.2智能手环方案智能手环的设计我们选用STM32f103C8T6作主控芯片，上边需要搭载蓝牙模块负责和手机APP通信。对于心率传感器我们选用MAX30102，结合我们设计的融合了多种数学模型，手环能够稳定准确的测量用户的身体信息，同时装有陀螺仪MPU6050，可以对老人运动状态进行检测。我们还设计了小型Zigbee让它同时能够和固定Zigbee节点之间进行通信，而且智能手环上我们还安装了一块0.96寸的液晶屏，让手环很有现代感，在屏上我们还能显示心率、血氧等。电源设计我们选用两节CR2032纽扣电池来供电做为产品初期的能量来源。设计流程见图2-9。2.2.3智能门锁与远程授权解决方案我们改装了一款普通门锁，在锁原来的基础上加上了Zigbee节点及电磁机构，使锁可以远程开启，在老人出现意外情况时，救护人员在得到授权后，能有开锁的权限，当救援人员到达老人门外时，门锁立即开启，能及时地对老人进行救治，流程图见图2-10。图2-9智能手环设计图2-10智能门锁设计方案2.2.4手机APP方案关于手机APP设计主要是和手环之间的信息传输与服务器之间的数据共享。做为中间环节手机APP必须协调手环和服务器之间的矛盾点，起到连接的作用，让整个系统高效地运行、快速地反应和执行。手机APP我们设计了两款，第一款是用于老人使用，第二款是用于管理人员，比如子女或者医疗机构。老人手机APP的特点为字大操作简单，设有定时语音提醒，查看自己的身体健康情况，并可以在室外定位，获取自己的位置。管理人员APP对老人健康进行监控，进行授权处理，获知老人位置信息。见图2-11手机APP设计。图2-11手机APP设计2.2.5路由器解决方案为了让高层建筑在任何位置都覆盖网络我们采用交换机串联路由器的方式将整栋建筑实现WIFI全覆盖。同时我们的系统也是可以在外部网络上使用的，这样的双重网络的覆盖更加增强了我门系统的安全性，这正也迎合时代的要求。流程图见图2-12。图2-12路由器网络设计2.2.6服务器系统选择方案我们使用的芯片的内核是ARMCortexA9，芯片型号为EXYNOS4412，是一款采用了三星的设计工艺，是三星的一款四核处理器。这个四核处理器性能是双核的两倍，在能耗上比双核少很多，所以是一款物美价廉的芯片，很适合作为我们项目系统的服务器。对于芯片EXYNOS4412四核处理器而言有304个多功能I/O端口，164个存储引脚，37组通用口，2组存储口。这么多引脚做裸机开发的话很难实现对引脚的管理和分配，所以我们必须引入一个操作系统来辅助我们进行开发。目前的操作系统有Unix，Linux，MCA，Windows等。Windows不适合作为我们这种芯片开发的系统，从其他的三种系统中我们选择出了最适合我们的Linux最小文件系统。Linux最小文件系统能够支持很大的存贮空间，文件存储安全性高，系统稳定性高，服务器长时间运行不会出现意外，具有Linux特有的进程、线程、共享内存、和网络编程，更够提高很大的编程效率，系统具有开放性，能够自由的对内核进行修改和裁剪。Linux还具备独立性，将连接的外部设备处理为文件进行计算，只要我们安装对应的驱动程序就可以为我们提供服务。其次Linux还具有相当完善的网络服务功能，内置网络服务完善，在通信网络功能方面也超越其他操作系统，其他操作系统并没有包含这种密集的内核结合的能力。更重要的是可移植性优秀，所以我们选择使用Linux操作系统。2.2.7服务器设计方案关于服务器我们要做的是，在服务器中运行的Linux系统让它能够稳定地运行。在服务器中报括三方面内容：1、定位的算法设计；2、数据在数据库中的保存和读取；3、共享内存的使用；4、Socket的发送和接收。定位我们利用Zigbee三点定位算法，利用第四个点辅助计算减小误差，同时利用WIFI辅助定位算法再次减小定位误差。算法见下图2-13。2.2.8数据库设计方案我们的数据库可以给访问网页的人员设置权限，让管理人员拥有修改和使用，普通用户拥有查看功能。具体框图见下图2-14。图2-13定位算法设计图2-14数据库设计方案2.2.9网页设计方案在Web浏览器上我们开发一套简单明了，方便管理和控制的前端用户平台，让使用人员能够快速掌握我们整个系统，让所有复杂的算法，操作系统简单化，适合广大用户的使用，这就是我们设计Web前端的终极目的。这个Web前端就相当于一个总司令一样控制这整个系统，系统没个部分的数据都能够在Web浏览器上显示、调用和修改。见图2-15。图2-15网页设计方案2.2.10云服务器设计方案我们选用阿里云的轻量应用服务器，公网的IP为6，服务器的系统为Ubuntu16.04，我们在云服务器搭建了Web网页服务器，云服务器安装了MySQL数据库，可以进行对数据的存储，图2-16和图2-17为云服务器下Web服务器下的网页文件夹，通过浏览器访问IP就能访问到云服务器，同时也可以通过云服务器计算最快救援路径发送给救援人员。图2-16云服务器Web服务器图2-17云服务器Web服务器2.3各个子系统间的通信方案在整个系统中相互间的通信涉及四个部分：1、智能手环和手机APP间的通信；2、智能手环和服务器之间的通信；3、Web浏览器和服务器之间的通信；4、手机APP和服务器之间的通信。整个系统能否高效完整运行完全取决于于这通信的质量，所以通信方式的选择至关重要。下面分块进行设计方案的论述。2.3.1Zigbee与服务器的通信A9服务器内核中勾选USB转串口驱动，通过ZigbeeUSB线连接A9上的USB接口，通过串口编程对Zigbee协调器进行读写。2.3.2智能手环和手机APP间的通信现在市场上有很多品牌的智能手环他们选择与手机通信方式都是通过蓝牙连接。现在无线通信的方式分为中：蓝牙、WIFI、Zigbee。在算数距离上Zigbee和WIFI传输距离差不多大约有几十米的距离，而蓝牙就差很多了，蓝牙的传输距离只有10米远。从实际的功能和需要出发，在手环和手机之间的通信距离几米的范围就足够了，不过当然是范围越大效果越好，不过从性价比来看，多产生1%的能力却要多投入15%左右，着实不适合。下面来看看蓝牙连接的优点：1、就产品的普及度来看蓝牙的普及性很高，早诸多方面都有应用；2、做为普通的手环来讲，价格是一个很重要的素，而蓝牙正好能够满足我们短距离通信的需要。在性能指标上讲Zigbee性能是最强的因为它可以自己组网，产生一个很大的网络空间来为用户提供网络服务，而且待机能耗还低，在制作成本上算为中等水平。就WIFI而言，带宽大，传输速率很高，传输距离比Zigbee短一些，但是因其速度快，现在广泛用于网络中，不过他的缺点也很明显。就是成本高，能量消耗大。由上述，我们决定选用和市场上一样的传输方式，在手机APP和智能手环之间蓝牙来传输。通信图见图2-18。智能手环手机APP蓝牙蓝牙数据智能手环手机APP蓝牙蓝牙数据2.3.3智能手环和服务器之间的通信为了使我们设计出的系统具有更全面、更稳定的运行环境，我们在手环上还搭载了Zigbee使他能够和服务器通信，避免在灾难来临的时候手机没电等突发状况的发生而耽误了救援。根据上文所说Zigbee能够进行自己组网，网络范围能够覆盖整栋建筑，而我们设计的“空巢老人”智慧养老综合服务系统正是通过Zigbee组网来实现人员定位，从而实现智能手环和服务器之简的通信，所以最终我们在之智能手环和服务器之间的通信方式为：通过Zigbee网络的方式。手环和服务器之间的通信方式见下图2-19。搭载Zigbee搭载Zigbee的智能手环ARMA9独立服务器Zigbee协议栈Zigbee节点图2-19智能手环和服务器间的通信这样通过智能手环上搭载的Zigbee我们就可以实现手环和服务器的通信，在老人出现问题的时候，智慧养老综合服务系统可以第一时间响应并实现救援任务。2.3.4Web浏览器和服务器之间的通信Web浏览器功能是上网页上如何实时的和服务器通信，发送命令给给服务器，他们之间的交谈，需要两种介质。第一种介质是两者必须先在同一个网络系统中；第二种介质是两者之间需要一种都能识别的语言。首先谈第一种介质，既然是Web浏览器与Web服务器之间的通信必须是通过互联网，通信还必须同时满足无线的形式，所以这就用到了路由器，将路由器产生的的无线网络覆盖整个大楼，我们就可以在网络的任何区域登录网页查看相关信息，同时我们设计的网页还有控制功能，控制大楼内的一些设施，前提是我们内部管理人员才可以使用的功能，普通用户只能使用基本的逃生和查询功能。第二种介质是互通的语言，经过我们的多次尝试运行最稳定的互通语言是CGI。CGI这种语言是服务器执行外部扩展程序的准则，为了扩大了服务器的功能我们使用了这种规范，来实现Web浏览器和服务器之间的信息交互，更重要的是CGI还能调取数据库中的资源，从数据库中提取出我们需要访问的数据和从Web浏览器中得到数据再转存到数据库中进行存储。通过以上两种介质我们就可以成功的完成服务器和Web浏览器之间通信，通信过程见图2-20。图2-20Web浏览器和服务器间的通信通过这种设计不论是本地的WIFI网络、移动3G/4G、还是互联网都可以远程访问，监控系统的各项参数，由此完成CortexA9和Web浏览器之间的通信问题，让整个系统可以真正的在外部网络运行和进行查看。高效安全从本质是实现的‘物’联‘网’的功能。2.3.5APP和服务器之间的通信浏览器和服务器中间存在真正意义上的外部公共网络，手机也是存在这网络中的一部分，我们只需要寻找到一种合理的语言就能完成手机与服务器之间的通信问题。一种叫Socket的进程通信机制进入我们的眼帘。Socket是一种通过双向的通信连接实现数据的交换。Socket实际上是编程接口(API)对TCP/IP进行的封装，而TCP/IP能够为我们提供网络连接和开发的接口，这样我们就可以实现服务器和手机上的APP进行双向的通信进一步的加强了系统的通信能力通信系统见图2-21。图2-21APP和服务器间的通信第3章系统硬件设计3.1Zigbee电路图3-1Zigbee电路3.1.1Zigbee硬件设计Zigbee采用电池供电，使用2节1.5V电池，同时焊接一个LED灯，用于硬件正常工作时的反馈。并在电池盒上注明了节点标号，按顺序依次摆放。图3-2Zigbee实物图3.2服务器Cortex-A9硬件设计服务器的设计由于使用的成型的模块，不涉及到硬件的设计与制作，服务器通过USB与Zigbee协调器直接相连，网线与路由器相连。3.2.1Cortex-A9UART/I2C电路图3-3UART/I2C电路3.2.2Cortex-A9CLOCK电路图3-4CLOCK电路3.2.3Cortex-A9USBOTG2.0电路图3-5USBOTG2.0电路3.2.4Cortex-A9EMMC电路图3-6EMMC电路3.2.5Cortex-A9实物图图3-7A9实物3.3智能手环硬件设计手环的核心处理器为STM32，集成有MAX30102、蓝牙、Zigbee、OLED模块，实物如下图所示。从左到右依次是Zigbee（也可以采用透传模块，更加小巧）、OLED液晶、MAX30102传感器、下方为蓝牙模块。STM32由于引脚太多、封装困难，所以采用最小系统模块。图3-8智能手环3.3.1MAX30102心率、血氧采集模块MAX30102是美信公司的产品之一，目前得到了广泛的运用。它是一个脉搏血氧计和心率监测生物传感器模块。它集成了一个红色LED和一个红外LED，光探测器，光学设备，低噪声电子电路与环境光抑制。MAX30102采用1.8v电源，内部LED独立5.0v电源，适用于心率、血氧采集检测等穿戴设备，可穿戴于手指、耳垂、手腕等部位。MAX30102电路图如下图所示。图3-9MAX30102电路MAX30102实物图如下图所示。图3-10MAX30102与Stm32的引脚连接如下表所示。表3-1MAX30102管脚连接序号STM32管脚MAX30102管脚1PB7INT2PB8SCL3PG9SDA4GNDGND53.3VVCC3.3.2HC-05蓝牙模块蓝牙模块我们采用的是HC，具体型号为HC-05，是采用使用串口通讯（TTL），它可以通过一个引脚来进入AT状态（高电平有效）。该蓝牙模块的所有功能都是通过专用AT指令集控制。图3-11HC-05 图3-12HC-05电路图与Stm32的引脚连接如下表所示。表3-2蓝牙连接序号STM32管脚蓝牙管脚1PA9RX2PA10TX35VVCC4GNDGND3.3.3OLED液晶模块智能手环的显示部分我们采用OLED（OrganicLight-EmittingDiode），它具有轻薄、反应灵敏、省能、移植性好等特点，因此，这种显示设备在各种产品上得到了相当广泛的应用，同样属与数码类相关产品的比如手机和DC，此前只是在一些展会上展示过采用OLED屏幕。自2007年后，OLED屏幕的寿命得到很大提高，具备了多数普通LCD所不具备的优异性能。与Stm32的引脚连接如下表所示。表3-3液晶模块连接序号STM32管脚OLED液晶屏管脚1PA4DC2PA5RES3PA6SDA4PA7SCL53.3VVCC6GNDGND.3.3.4Zigbee模块Zigbee硬件设计前面已提到，这里不再重复。与Stm32的引脚连接如下表所示。表3-4zigbee模块连接序号STM32管脚Zigbee管脚1PA2RX2PA3TX33.3VVCC4GNDGND第4章系统软件设计4.1系统控制原理系统上电后，智能手环上的Zigbee盲节点给自己的数据包加上自己独有的标志位，然后每隔1s向周围发一次数据，Zigbee固定节点收到数据时，把数据包解析出来，并加上自己标志位，然后把数据包发送给协调器，协调对数据包的内容进行解析，然后通过串口发送给服务器(A9)，服务器中的线程1通过串口收数据，线程2对数据进行解析，线程3开辟共享内存，把数据实时放入共享内存中，线程4通过socket通信对手机APP数据的发送与接收，同时Linux运行boa服务器，通过CGI程序对Web浏览器数据实现双向通信，网页Web浏览器上实现显示数据与控制功能。同时，智能手环上的MAX30102传感器采集心率与血氧，通过蓝牙发送给手机APP，通过Zigbee发送给服务器，手机APP接收到之后，对数据进行处理并显示。服务器收到后通过共享内存实时显示到Web浏览器。当老人发生意外时，服务器发送特殊指令给APP，APP发出警报，服务器通过Zigbee的定位和WIFI辅助定位找出老人所在的位置，向老人家属和管理人员发出救援信息，并在Web浏览器上显示，供管理员和警察等相关人员使用，同时把老人的身体情况发送给手机APP，使救源人员清楚老人的身体状况，选择合适的途径对老人进行救治。老人的手机APP上显示救援进度，给老人求生希望。网页上可以提供老人位置与生命体征状态，把众多老人的心率与血氧显示在Web浏览器上，不正常的用红色突出显示（优先救援）。最终，保证老人的安全健康的生活。4.2Zigbee框架设计盲节点给数据包加上自己的标志位发送给固定节点，固定节点解析盲节点的标志位和rssi值之后，加上自己的标志位发送给协调器，协调器解析并处理最后通过串口发送给服务器(A9)。见图4-1。图4-1Zigbee框架4.2.1Zigbee盲节点设计过程我们对“Zigbee盲节点”进行了如下设计：系统初始化完成后，给自己发送数据包里加上一个标志位，然后每隔1s向周围广播发送一次。图4-2Zigbee盲节点设计4.2.2Zigbee固定节点设计过程我们对“Zigbee固定节点”进行了如下设计：系统初始化完成后，当收到数据时，解析这个数据包中的数据，把盲节点的标志位与rssi值放入结构体，并加上自己的标志位，然后发送给协调器。图4-3Zigbee固定节点设计4.2.3Zigbee协调器设计过程我们对“Zigbee固定节点”进行了如下设计：系统初始化完成后，开始接收数据，接收到数据分析盲节点标志位，再分析固定节点标志位，判断是哪个盲节点哪个固定节点发来的数据包，然后放入对应的数组对应的位，最后通过串口发送给服务器。图4-4Zigbee协调器设计4.3服务器A9框架设计我们对“服务器A9”进行了如下设计：主进程中创建了4个线程，线程1对串口进行初始化，然后每隔80ms对串口中的数据进行读取，线程2对读取到的数据进行处理分析，线程3把处理的结果放入共享内存中，线程4创建socket实时对数据进行接收和发送。4.3.1主进程的设计过程我们对“主进程”进行了如下设计：主进程分别创建串口接收线程，数据分析线程，共享内存线程，TCP发送接收线程，然后等待他们各自结束。图4-5服务器A9框架设计图4-6Linux主进程设计4.3.2串口接收线程的设计过程我们对“串口接收线程”进行了如下设计：打开串口所对应的字符设备，初始化串口，然后从串口里读数据，sleep70ms，标志位置1，循环读取。图4-7串口接收线程设计4.3.3数据分析线程的设计过程我们对“数据分析线程”进行了如下设计：首先判断串口标志位是否为1，判断盲节点ID，确定是哪个盲节点的数据，通过固定节点rssi值分析区域，通过rssi值算出距离，通过到4个固定节点的距离算出坐标，最后串口标志位置0。4.3.4共享内存线程的设计过程我们对“数据分析线程”进行了如下设计：用ftok获取一个键值，初始化共享内存，权限为可读可写，初始化信号量，利用键值获取一个共享内存，利用信号量上锁，然后存入数据，然后解锁。图4-8数据分析线程设计图4-9共享内存线程设计4.3.5TCP发送接收线程的设计过程我们对“数据分析线程”进行了如下设计：创建套接字，然后绑定套接字，然后启动监听，等待客户端连接，当有客户端连接时，创建一个新的套接字，然后接收与发送数据。见下图。图4-10TCP发送接收线程设计4.4智能手环终端设计智能手环在该系统中起到的主要作用有：定位信息的确定与发送、生命体征数据的读取与发送、跌倒的判断与报警，因此，手环在智慧养老系统中起着关键性作用，我们的设计方案如下。4.4.1总体框架设计手环以STM32F103C8T6为中央处理器，集成心率传感器MAX30102、蓝牙模块HC-05、Zigbee模块、液晶屏、MPU6050，具体见图4-11。图4-11智能手环总框架设计4.4.2MAX30102数据采集目前现存的心率、血氧检测方法大致分为以下几类：第一种是通过心电信号来获取需要的数据；第二种是通过压力传感器测到的血压的波动来计算脉率；第三种比较常用的光电法。第一种和第二种提取方法可能会在某种程度上限制老人的正常活动，更会增加老人身体上的不舒服感。而光电容积法脉搏测量作为监护测量中最普遍的方法之一，其具有一、二种方法所不具有的特点。

我们通过编写Keil程序来实现对心率及血氧的数值提取与存储。将传感器与Stm32连接起来后，创建工程，首先声明各类头文件及全局变量，然后编写子函数，包括：IIC函数、读函数、写函数、显示函数等等。编写好各类子函数后，在main函数里分别调用子函数，来实现心率及血氧的读取。转换公式如下：（1-1）在程序设计上采取的是连续采集500组心率血氧的数据，通过算法计算出平均值后输出到串口当中。在实际测量时发现有光因素干扰等问题，对此，我们采用了滤波算法来进行优化。详细程序设计请参考附录。4.4.3蓝牙无线数据传输与接收手环上与手机App之间的无线通信由蓝牙模块完成，MCU通过串口将数据由蓝牙发出，再通过蓝牙接受手机发送回来的数据。在MCU中分别初始化蓝牙的TX、RX接口，然后用AT指令将蓝牙模块波特率设置为38400，最后将蓝牙设置为从机模式，设定好约定密码，手机连上蓝牙后，就能实现生命体征数据及其他数据的互传。具体过程如下图所示。图4-12蓝牙无线数据传输与接收4.4.4Zigbee无线数据传输与接收Zigbee的无线传输与接收过程与蓝牙类似，它是通过Zigbee网络进行数据的传输。同样是在MCU上初始化串口后，再将Zigbee模块设定为路由模式，需要发送和接受的数据就能通过Zigbee进行传输。图4-13Zigbee无线数据传输与接收4.4.5OLED液晶屏显示设计液晶屏上显示的信息包括：生命体征信息、当前位置信息等。显示原理是基于SPI的显示方式，需要根据时序图写出写命令函数、写数据函数，再根据这两个基础函数写出用户自己需要的驱动函数（如清屏、显示等），框图如图4.14所示。图4-14OLED液晶显示屏设计对于生命体征与位置信息这种动态的变量来说，首先要给每一个变量定义一个数组，然后在while循环里调用Sprintf函数把各个变量的值存入到对应的数组当中。在显示时首先要用字模软件对想要显示的所有字符取模，最后再调用OLED的驱动显示函数，即可实现动态及静态的字符显示。如图4-15所示流程图。图4-15OLED屏显示过程4.4.6跌倒的判断与报警当前现存的跌倒判断算法中很多是用SMV算法来完成检测跌倒时运动的变化程度，而这样的检测方法略显单一，而且有很大的局限性。因而，在检测身体运动的变化程度基础上，我们的系统添加了通过比较正常运动与跌倒运动时MPU传来的值，进行辅助判断。本系统首先确定三维加速度的方向，同时采集人体以不同的姿势跌倒返回给传感器传回值的范围，再与正常活动时进行两者的相互比较，最终结合运动变化程度，得出相应结论，然后报警通知家属等人员。具体流程如图4-16所示。图4-16报警流程4.5手机APP设计APP设计有三大模式：家人、政府或社区机构、老人。由于涉及隐私问题，家人模式拥有最高权柄（可查看老人健康状态，所在位置等），机构模式下所需权限需老人或家人的授权。4.5.1手机APP总框架 首先，APP创建一个贯穿整个生命周期的服务，然后开始初始化工作，连接A9服务器和智能手环，创建监听端口，等待处理服务器或手环的数据，并判断是否有紧急情况。4.5.2蓝牙模块搜索与接收 蓝牙的主要工作就是接收传感器的数据。蓝牙通信原理：蓝牙技术有一个要求就是每一对进行蓝牙通讯设备之间，必须要一个为主蓝牙，另一为从属蓝牙，才可以进行信息交换，在通信的过程中，须要从主端进行查找，发起配对请求，链路成功之后，双方才可以进行互相收发数据。在理论上，一个蓝牙主端，可以同时和7个蓝牙从属设备进行数据交换。而具备蓝牙通讯功能的设备，可以随时在两种模式间进行切换，从本系统来讲，系统一直运行于主蓝牙模式，向其它蓝牙设备主动发起呼叫。蓝牙主端设备发起呼叫，先是查找，找出检测范围内可被查找的蓝牙设备。主端蓝牙找到从属端蓝牙设备后，与从端蓝牙设备进行链路配对，此时需要输入从端设备的PIN值。完成配对后，从属端蓝牙设备会保存主端蓝牙的信任信息，此时主端蓝牙即可向从端蓝牙发起呼叫，已配对的蓝牙在下次配对时，不再需要重新识别。链路建立完成后，主从两端蓝牙之间就可以进行双向的数据传输和语音数据传输。在通信模式下，主端和从端蓝牙都可以发起断链，断开蓝牙连接。开始开始启动Service主服务启动Service主服务启动Socket服务启动BLE模块启动监听器监听端口启动前台服务登录家人老人机构启动GPS启动百度地图启动百度AI图4-17蓝牙搜索与接收 首先，开启蓝牙，启动蓝牙广播机制，广播蓝牙信息，然后开启BroadcastReceiver服务，也就是“广播接收者”用来接收来自系统和应用中的广播（模型如图4-18）。 消息发布者消息发布者(广播发布者)根据消息发布者要求，在已注册列表中，寻找合适的消息订阅者消息接收者(广播接收者)发送广播注册发送图4-18发送注册机制查找设备之后，与之配对，启动监听器（总框架如图4-19）。启动蓝牙启动蓝牙开始扫描发送广播注册BroadcastReceiver启动监听器SOCKET图4-19蓝牙搜索4.5.3主服务框架 主服务运于后台，所有监听服务，耗时服务，传输服务等，皆在此处运行；在创建函数中即开始监听服务，而耗时服务和传输服务分别运行在OnstartCommand()和OnBind()中。具体见图4-20。主服务主服务套接字接蓝牙设备搜索与连接前台服务开启套接字监听蓝牙套接字监听消息通知云平台心率传感器图4-20总服务框架4.5.4Activity框架ActivityStartsonCreate()初始化组件判断Service开启启动服务onStart()onResume()Running/ActiveActivityStartsonCreate()初始化组件判断Service开启启动服务onStart()onResume()Running/Active用户交互信息ServiceonDestroy()图4-21Activity框架4.5.5多模式兼容利用登陆账号的信息，与数据库对比，来确认APP所要表现的模式，不需要下载附属多余的APP。 数据库数据库Service家人模式老人模式机构模式GPS定位语音服务室内定位心率前台服务图4-22模式转换，火灾报警4.6Web浏览器设计关于Web浏览器的设计主要包括：1、网页页面整体的布局；2、页面与页面的联系和嵌套；3、页面和服务器之间数据的互通；4、网页控制功能的设计。这四各部分每个都很重要而且在设计过程中出现了很多的难题，经过反复的尝试，在Web浏览器网页的设计上我们还是成功的下面逐一介绍。4.6.1网页页面整体的布局在本项目中涉及了众多个网页的制作，每的页面的功能都不所以带来的问题就是每一个网页的布局不能一样即每一页都需要一次设计。这就增加了很大的工作量，从网页布局到网页美感，到适配显示器、还需要用到PS的能力设计过程见下图4-23。图4-23网页整体布局4.6.2页面与页面的联系和嵌套众多的的网页之间需要相互的调用，而且需要一定的逻辑关系，所以必须按照功能去设计调用关系列关键网页进行说明，具体流程见图4-24。图4-24页面与页面的联系和嵌套4.6.3页面和服务器之间数据的互通网页制作好了以后，许要全部上传到服务器，通过网络我们进行访问，其中的访问性质有两种：1网页和网页之间的访问没有数据库和共享内存的参与；2、访问的过程中需要数据库和网页的共同参与。具体过程见图4-25。图4-25页面和服务器之间的数据互通4.6.4网页控制功能网页能够控制用户门锁、监控家具、检测仪表、控制灯光、查看阶段身体信息、住院挂号、咨询医生、接收小区通知等等。这些功能都能在网站上实现，能够提高建筑的智能化更好的保证老人安全。功能见下图4-26。图4-26网页控制主界面4.7内网及外网的实现服务器通过网线连接到路由器，所有连接路由器的设备通过1可以访问到A9，然后用花生壳的内网穿透，绑定外网:46961和内网1:80，就可以实现外网访问。4.7.1内网的实现服务器移植了Linux最小文件系统，在根目录下的etc文件夹中，有一个文件eth0-setting，这个文件是系统的网络配置，我们修改了IP为1，然后A9通过网线接入路由器，所有连接了路由器的设备，都可以通过访问1访问到A9。图4-27A9服务IP配置文件4.7.2外网的实现搭建好内网后，用花生壳内网穿透绑定外网:46961和内网1:80，外网通过访问:46961就可以访问到A9。图4-28花生壳内网穿透配置4.8云服务器的实现我们采用阿里云的轻量应用型服务器，在云服务器上搭建了Web服务器，访问08访问云服务器，云服务器与A9服务器采用socket通信，并实现mysql数据库，对数据的存储和读取。图4-29云服务器界面4.9救援路径规划设计4.9.1路径规划设计思想当老人突发不适或发生某些意外时，我们的系统会根据老人的实时定位信息及以从建筑信息模型（BIM）中提取的出入口、通道来为救援人员提供一条最快的救援路径，包括从哪个入口、哪条走廊能最快到达老人身边，争分夺秒为老人提供最及时的救助。4.9.2迪杰斯特拉路径规划迪杰斯特拉(Dijkstra)算法是计算最短路径算法，用于计算一个点到其他点的最短距离。主要特点是以起点为中心向外层进行发散(广度优先搜索思想)，直到发散到终点为止。4.9.3基本思想通过Dijkstra计算图G中的最短路径的时候，需要指定初始点。此外，引入两个集合S和集合U。S是用来记录已求出最短路径的点(及对应的最短路径的长度)，集合U是记录还未算出最短路径的点(以及该点到S长度)。初始时，集合S中只有起S；集合U中是除s之外的点，并且集合U中点的路径是"起点s到该顶点的距离"。然后，从U中找出路径最短的点，并将其加入到S中；下一步，刷新集合U中的点和顶点相应的路径。下一步，从集合U中寻找出长度最短的点，并将其加入到S中；下一步，刷新集合U中的点和点所对应的路径。...重复以上操作，直到所有顶点遍历完成。4.9.4算法优化（1）迪杰特斯拉算法主要求得的结论是点与点之间的最短路径，并且只属于二维平面，并不贴合高层建筑火灾逃生的实际问题，为此，我们对算法加以改进。在火灾发生时，人员应当尽量避开着火点，而不是单纯的考量如何快速的到达出口，同时也要根据通道内的烟雾浓度，温度等进行分析，选择最佳的逃生路径。针对于此，我们将检测到的数据，抽象化为权值作为“路径距离”，以此得出最短路径即为最佳安全路径。权值计算：权值的存在便是使算法得出的最短路=最安全路径，所以最容易想到的方法便是将安全路径“变短”；首先，路径距离并不重要，重要的是安全，所以假设所有路径距离为一常数C；显然，权值大小的总体趋势为：距离着火点愈近，权值愈大；距离着火点越远，权值愈小。将着火点权值设置为最大（即为1），其余路径权值根据信息依次减小。根据权重重新归算路径后，最安全路径的路径距离“最短”，即最短路=最安全路径。在对数据初始化之后，剩余工作便是维度改变。4.9.5操作步骤(1)初始化数据。(2)初始时，S只包含起点S；集合U包含除s之外的其他点，且U中点的长度为"起点s到该点的长度。(3)从U中选出"长度最短的点k"，并将点k加入到S中；同时，从U中移除K。(4)更新U中各个点到起点S的长度。之所以再刷新U中点的长度，原因是上一步中确定了K点是解出最小距离的关键点，进而我们可以利用k点来刷新其它点的长度；例，(S,V)的距离可能大于(S,K)+(K,V)的距离。(5)重复步骤[2]和步骤[3]，直到所有顶点遍历完毕。简单的从之前理论看稍微较为难理解，下面用实例来对本算式进行证明。初始状态：S是已计算出最短路径的顶点集合，U是未计算除最短路径的顶点的集合！第1步骤：将点D加入到S中。第2步骤：将顶点C加入到S中。在上一步操作完成后，U的中点C至点D的长度最小；因此我们将C点也加入到S点中，并同步更新U中顶点的长度。用点F来举例，未操作前F点到D点的距离为无穷大；在将C点加入到S点之后，F点到D点的长度变为对应值。第3步骤：让点E插入到点S。在上一步操作完成后，从E到起点D的物理距离将为最短；所以，我们把E也加入到S公式中，实时刷新U内顶点的距离。再次以点F为举例，上步骤F点到D点的长度为9；现在将E加入到S点后，F点到D点的长度变为6。第4步骤：将顶点F加入到S中。第5步骤：将顶点G加入到S中。第6步骤：将顶点B加入到S中。第7步骤：将顶点A加入到S中。此时，起点D到各个顶点的最短距离就计算出来了：A(22)B(13)C(3)D(0)E(4)F(6)G(12)。图4-30云端数学模型结论特色与创新多网络定位、智能手环设计、手机APP、百度AI技术、独立服务器、无线门锁、云服务器、大数据分析、BIM技术等。多网络定位本设计总计用到了多种网络，分别是Zigbee网络、WIFI网络、GPS网络，不同网络之间协议不同，进行多网的信息的交互，对位置进行综合分析。需要了解各个网络的协议，协议的转换处理要合适，才能达到完美配合。智能手环 我们本想开放接口，融合现在市面上