物联网开发

居家老人物联网关怀系统

字号+ 作者:刘铭中、江志霖、王培 来源:ctimes 2017-07-13 10:04

高龄化社会的来临,对居家老人的关怀与关心是一个不容可缓的课题,因此如何运用自动化科技建立一套可关心居家或独居老人的系统,让身为子女们不管是在家中或外出时,都可得知或了解长辈独自在家的饮食与起居作息等状况,以做出相对应的处理与关怀,为本作品设计的主要理

 
本文作者刘铭中、江志霖、王培森、王圣博、杨晟佑

高龄化社会的来临,对居家老人的关怀与关心是一个不容可缓的课题,因此如何运用自动化科技建立一套可关心居家或独居老人的系统,让身为子女们不管是在家中或外出时,都可得知或了解长辈独自在家的饮食与起居作息等状况,以做出相对应的处理与关怀,为本作品设计的主要理念。本作品“居家老人物联网关怀系统”具有语音功能、温度感测、手机提示与警示、定时提醒喝水、压力感测、自动开/关灯与光源感测等功能,除了可让居家长辈的生活过得更舒适外,还可提高其身体抵抗疾病的能力,减少某些疾病的发生,从而有效地延缓衰老进程。
 
前言
 
目前市面上的居家老人关怀系统,大多是透过无线传输、穿戴式传感器的服务,对于不同居家照护环境中的整合,常常是照护系统设计所面临到的难题。本文利用盛群微控制器与电子相关领域的知识,以及所参考的相关文献设计一套系统--当长辈早上醒来时,压力传感器一接收到讯号,将会点亮室内电灯,再来启动音乐播放装置,开始播放 用户喜欢的音乐,同时家人们的手机收到一封长辈醒来的讯息,当光敏传感器侦测到阳光,窗帘将自动关闭,避免过多的阳光热气进入室内,反之,没有阳光时便拉开窗帘,保持室内通风。
 
若室内温度高于30度,电风扇开始转动,帮助室内散热,让空气对流,若低于15度,电暖器开始动作,维持舒适的温度,重量传感器会侦测水杯重量,当喝水量未达每日标准时,会提醒用户喝水,并记录用户每日的喝水量。本作品的功能性、创新性与实用性如下所示:
 
功能性
 

**具点亮室内电灯功能
 
当长辈起床且双脚踩着压力传感器时,系统会点亮室内电灯,以避免老人摸黑进入盥洗室,造成不可预期的伤害。
 
**具音乐播放功能
 
当长辈起床后踩下床边的压力传感器时,系统会自动启动音乐播放装置,拨出长辈喜欢的音乐,让长辈的心情顺畅。
 
**具手机提示功能
 
当长辈起床后,子女们的手机会收到长辈起床的讯息,供其做出相对应的处理,例如,孩子们可对爸爸、妈妈、奶奶或爷爷说早安等。
 
**具语音提示功能
 
当长辈喝水量未达标准值,装置会发出相 对应的语音提醒长辈。
 
**具时间显示功能
 
老人起床,睡觉与喝水等时间会显示于液晶显示器上。
 
**具室内温度感测功能
 
室内温度高于 30 度,启动风扇;室内温度低于 15 度,启动电暖器。
 
**具侦测窗外强光功能
 
当系统侦测到强光时,窗帘将完全关起, 反之则窗帘将完全拉开。
 
**具侦测有无喝水功能
 
当长辈拿起水杯喝水后放置杯垫上就可知道究竟喝了多少水。
 
创新性
 
除了上述的创新性外,本作品居家老人关怀系统同时兼具功能性,增加一些传感器,有温度传感器及光敏传感器,而温度传感器用来侦测室内的温度,若室内温度高于30度,系统将会自动启动风扇,来降低室内的温度,当温度低于15度时,则自动开启电暖器,让室内温度达到平衡。光敏传感器用来侦测阳光强度,若阳光强则系统会自动关起窗帘来降低室内的亮度,当阳光减弱则系统会自动开启窗帘,让长辈的眼睛不受阳光影响。
 
实用性
 
本作品的实用性,不只在使用者早上起床会动作,还有夜间卧床前的时间。当使用者想睡觉时,踩下压力传感器,与之相对应的装置将开始动作,首先启动音乐播放器,聆听喜欢的音乐,帮助用户睡眠,且会自动关闭,接着透过蓝牙,发送一封讯息,让家人们从手机确认长辈在休息了,若使用者半夜醒来上厕所,下床踩下压力传感器时,室内的灯泡会点亮,提供使用者在房间内有清楚的视线,而用户回床上时,灯泡将自动熄灭。本系统 控制这些装置可以省下用户手动去开起或关闭任何装置的时间。相信只要使用本系统,一定可让长辈在家受到细心照顾,且在舒适的环境下过着快乐的日子。
 
工作原理
 
居家老人关怀系统完整电路
 
图1所示为本作品“居家老人物联网关怀系统”的完整电路图 , 整个系统以盛群的微控制器HT66F70A为主要控制核心,来控制其它周边组件,例如语音模块、温度感测模块、蓝牙、重力传感器、压力感测模块、光源感测模块、蜂鸣器、微动开关、步进马达、风扇等,以便让本系统的整体运作更加的流畅与完善,以下所示为相关组件之控制电路与工作原理。

 
 
图1 : 居家老人关怀系统完整电路图
 


温度传感器之控制电路与工作原理
 
图2为本系统温度传感器之控制电路图,HT66F70A 与 DS1820 之间仅需一条线即可, 当温度传感器侦测到内部的温度时透过 PF.6 接脚 将讯号传 HT66F70A 去处理,由于没有 CLOCK 线 可以控制数据读取传输时间,温度传感器却是十分 注重传送数据跟读取数据的时间,用户程序上延迟时间写的十分准确不可有太大误差,才能读取正确之值。
 
 
图2 : 温度传感器之控制电路图
 
电灯之控制电路与工作原理
 
本系统电灯之控制电路。当HT66F70A控制线PE.4送出高电位时,晶体管截止继电器不导通 OFF,反之当控制线PE.4送出低电位时,晶体管导通→继电器导通→电灯点亮。
 
风扇之控制电路与工作原理
 
本系统风扇之控制电路。风扇是适用+5V 的风扇,用户一般能透过温度传感器,测量室内温度来自动开关控制风扇转动。当室内温度升高时,风扇会启动,让室内散热,反之,室内温度较低时,风扇将会关闭。HT66F70A 透过 PB.4 送出低电位至晶体管的基极以启动风扇,反之则关闭。
 
光敏感测模块之控制电路与工作原理
 
光敏感测电阻的两端电阻大小值是随着入射光的强度成反比。当光强度超过某一临界值时,其接脚会导通。当光敏感测模块没有接收到光源时,会透过 PC.2 脚位回传一高电位给 HT66F70A,反之收到光源时,透过 PC.2 脚位回传低电位。本系统中的光敏感测模块主要是用来感测是否有无光源,以控制窗帘的开/关之用。
 
 
图3 : 光敏感测模块之控制电路图
 
语音模块控制电路之控制与工作原理
 
图4为本系统语音模块之控制电路图 , 用 于 发 出 提 示 语 音 之 用 。 图 中 语音模块(MP380)控制方法有很多种,本作品采用普通直放接口。其中语音模块的 P7与微控制器PD.4接脚连接,当给予其低电位时,SD卡内储存的档案, 将透过喇叭播放。
 
 
图4 : 语音模块之控制电路图
 
音频放大器模块之控制电路与工作原理
 
图5为音频放大器模块之控制电路图,语音模块之音频讯号输出采用 TDA7266 音频功率放大模块来进行声音放大功能,将喇叭的正极与负极与音频功率放大器模块的 OUT1+及 OUT1-接在一起,以便将语音模块的声音放大后,然后经由喇叭播出。
 
 
图5 : 音频放大器模块之控制电路图
 
蓝牙之控制电路与工作原理
 
图6为本系统蓝牙模块(HC05)之控制电路图,二者之间的通讯是采用 UART的方式,所以只需将模块上TxD、RxD与HT66F70A微控制器 PA.3(RxD)与 PA.1(TxD)连接就可以进行串行数据的传输串行数据的传输速度为9600bps 。HT66F70A可透过蓝牙模块将关数据传给手机上 以及读取手机传过来的数据。
 
 
图6 : 蓝牙模块之控制电路图
 
重量感测模块之控制电路与工作原理
 
图7为重量感测模块之控制电路图,HT66F70A只需使用两只I/O 脚就能对重量传感器进行控制,判断物体重量之方法是透过 HX711 转换芯片对重量传感器的曲线变化来进行转换,本作品利用 PG.3、PG.2 分别连至重量感测模块的 SCK、DOUT 接脚已进行控制,重量传感器的沟通接口为 I2C 控制模式。
 
 
图7 : 重量感测模块之控制电路图
 
RTC 时间模块之控制电路与工作原理
 
图8为 RTC 时间模块之控制电路图。DS1302 使用串行通讯,因DS1302 写入与读取数据的I/O端口只有一只脚。所以在写入时需将1Byte的数据拆解成1bit 的方式写入,并且和SCLK接脚的电位相互对应,才可完成数据的写入与读出。HT66F70A微控制器的 PE.0、PE.1 与 PE.2 分别连接至 DS1302 的 RST、DAT与CLK脚位,透过相关指令与数据传输方式,就可正确读取到 RTC 模块上的时间。
 
 
图8 : RTC 时间模块之控制电路图
 
压力感测模块之控制电路与工作原理
 
图9为压力感测模块之控制电路图。施加压力后,电阻会变小。压力感测模块接法与可变电阻类似,压力传感器有两支接脚,其中接脚1接+ 5V,接脚2除了连接2.2k奥姆电阻外,也接至HT66F70A的PH.4。当压力传感器侦测到有压力时,经由接脚2送出一个讯号至HT66F70A的PE.7,当微控制器侦测到 PH.4=0就会启动系 统中相关的模块。
 
 
图9 : 压力感测模块之控制电路图
 
电暖器之控制电路与工作原理
 
图10为电暖器之控制电路图。当HT66F70A接脚PD.5送出高电位时,晶体管截止继电器不导通,此时电暖器不会启动,反之当微控制器透过PD.5 送出一低电位的讯号时,因电晶 体导通,继电器原本脚位C连接至NC脚位的导线,会因为电磁感应的关系而改接至NO脚位而形成一回路,结果电暖器就会被启动,令室内的温度上升。
 
 
图10 : 电暖器之控制电路图
 
动开关之控制电路与工作原理
 
图11为微动开关之控制电路图,左右微动开关都是可驱动窗帘的步进马达停止转动之用。HT66F70A 微控制器的 PF.4 或 PF.3 接脚分别接至左/右微动开关的接脚C,用来控制马达停止转动之用。当用来控制窗帘关闭的微动开关被压下时,此时HT66F70A侦测到PF.4或PF.3为低电位时,会立即令马达停止转动,以避免马达继续转动而损坏。
 
 
图11 : 微动开关之控制电路图
 
音乐播放装置之控制电路与工作原理
 
图12为音乐播放装置之控制电路图。当HT66F70A接脚PE.5送出高电位时,晶体管截止,继电器不导通OFF,反之当接脚 PE.5 送出低电位时,晶体管导通→继电器导通→音乐播放 装置启动。
 
 
图12 : 音乐播放装置之控制电路图
 
整合型 LCD 之控制电路与工作原理
 
图13 为本系统 LCD之控制电路图, 主要功能为显示 RTC 时间模块的时间以及温度传感器测得的室内温度,整合型 LCD传输接口多达四种,有4 bit、8 bit、SPI 与 I2C 等可供选择,本系统选用脚位使用最少且目前市面上或业界普遍都在使用的I2C模式进行传输,只需将HT66F70A微控制器的 PD.6、PB.7接脚与整合型LCD在I2C模式下的第13、14脚连接,就能撰写程序令 LCD 显示数据。
 
 
图13 : 整合型 LCD 之控制电路图
 
作品结构
 
硬件部分

 
图14为本作品“居家老人关怀物联网系统”的系统方块图,以HT66F70A微控制器为主要的系统核心,来控制周围的一些方块图,例如 RTC 时间模块、光敏感测模块、重量测压模块、温度感测模块、压力感测模块、液晶显示器、步进马达、风扇、电暖器、电灯泡、音乐播放装置、语音模块、蓝牙等组件。本系统的控制描述如下所示。
 
 
图14 : 居家老人关怀系统之系统架构方块图
 
 
当使用者早上醒来,压力传感器将接收到讯号传送至HT66F70A微控制器,微控制器透过 RTC时间模块抓取现在时间,判断目前是使用者平常醒 来的时段,并开始以下动作:经由 PE.4 送一个高电位的讯号,令电灯泡的继电器动作以点亮灯泡。接着令PF.5送一个高电位的讯号,令音乐播放装 置的继电器动作以启动音乐播放装置,让老人可听到喜欢的音乐。再来会透过与微控制器的PA.3(RxD) 和PA.1(TxD) 连接的的蓝牙,传送一封讯息到家人的手机上,以提示家人们,老爷爷或奶奶起床了,可去嘘寒问暖并向长辈请安了。
 
以上装置启动时,微控制器经由 RTC时间模块,设定一段时间将已启动的装置,如电灯泡与音乐播放装置的继电器关闭。同时,系统会自动判断室温的高低,若温度较高,风扇开始转动,令空气流通,反之则启动电暖器,让室内保暖,以产生舒适的温度。
 
还有,当系统的光敏感测模块侦测到窗外的光源时,会驱动马达带动窗廉完全拉开或关闭,若侦测到光源,则完全关闭,反之则完全拉开。另外,本作品的重量感测模块,可测量用户水杯的重量,透过 RTC 时间模块,定时提醒用户喝 水,与记录用户每日的喝水量,若使用者每日的喝水量不足,微控制器会透过语音模块,提醒用户喝水量不足,赶紧多喝些水。
 
软件部分
 
图15为本作品“居家老人物联网关怀系统”的控制流程图。
 

图15 :  居家老人关怀系统之系统控制流程图
 
测试方法
 
本作品“居家老人物联网关怀系统”的相关组件有RTC时间模块、光敏感测模块、重量测压模块、温度感测模块、压力感测模块、液晶显示器、步进马达、风扇、电暖器、电灯泡、音乐播放装置、语音模块、蓝牙等等组件,这些组件的测试方法如下所示。
 
**点亮室内电灯测试方法
 
1.当 RTC 时间模块的时间是早上时段时
 
2.按下压力感测模块
 
3.电灯泡会点亮
 
**音乐播放测试方法
 
1.当 RTC 时间模块的时间是早上时段时
 
2.按下压力感测模块
 
3.音乐播放器会拨放音乐
 
**手机提示测试方法
 
1.当 RTC 时间模块的时间是早上时段时
 
2.按下压力感测模块
 
3.微控制器会发送一封讯息到手机
 
**温度控制风扇测试方法
 
1.利用打火机令温度感测模块升温
 
2.若温度大于 30 度
 
3.则启动风扇
 
**温度控制电暖器测试方法
 
1.利用冷却水令温度感测模块降温
 
2.若温度小于 15 度
 
3.则启动电暖器
 
**自动关窗帘测试方法
 
1.使用手电筒照射光敏感测模块
 
2.模拟窗外有光线进入
 
3.步进马达开始转动,将窗帘完全关闭
 
**自动开窗帘测试方法
 
1.用遮蔽物挡住光敏感测模块
 
2.模拟窗外无光线进入
 
3.步进马达开始转动,将窗帘完全关闭
 
**具侦测喝水量是否足够测试方法
 
1.在重量感测模块上放置水杯
 
2.将重量值,以克为单位显示在 LCD 上
 
3.使用者未达喝水建议量,微控制器将会透 过语音提醒用户











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