居家老人物聯網關懷系統(tǒng)

　　高齡化社會的來臨，對居家老人的關懷與關心是一個不容可緩的課題，因此如何運用自動化科技建立一套可關心居家或獨居老人的系統(tǒng)，讓身為子女們不管是在家中或外出時，都可得知或了解長輩獨自在家的飲食與起居作息等狀況，以做出相對應的處理與關懷，為本作品設計的主要理念。本作品“居家老人物聯網關懷系統(tǒng)”具有語音功能、溫度感測、手機提示與警示、定時提醒喝水、壓力感測、自動開/關燈與光源感測等功能，除了可讓居家長輩的生活過得更舒適外，還可提高其身體抵抗疾病的能力，減少某些疾病的發(fā)生，從而有效地延緩衰老進程。

　　前言

　　目前市面上的居家老人關懷系統(tǒng)，大多是透過無線傳輸、穿戴式傳感器的服務，對于不同居家照護環(huán)境中的整合，常常是照護系統(tǒng)設計所面臨到的難題。本文利用盛群微控制器與電子相關領域的知識，以及所參考的相關文獻設計一套系統(tǒng)--當長輩早上醒來時，壓力傳感器一接收到訊號，將會點亮室內電燈，再來啟動音樂播放裝置，開始播放 用戶喜歡的音樂，同時家人們的手機收到一封長輩醒來的訊息，當光敏傳感器偵測到陽光，窗簾將自動關閉，避免過多的陽光熱氣進入室內，反之，沒有陽光時便拉開窗簾，保持室內通風。

　　若室內溫度高于30度，電風扇開始轉動，幫助室內散熱，讓空氣對流，若低于15度，電暖器開始動作，維持舒適的溫度，重量傳感器會偵測水杯重量，當喝水量未達每日標準時，會提醒用戶喝水，并記錄用戶每日的喝水量。本作品的功能性、創(chuàng)新性與實用性如下所示：

　　功能性

　　具點亮室內電燈功能

　　當長輩起床且雙腳踩著壓力傳感器時，系統(tǒng)會點亮室內電燈，以避免老人摸黑進入盥洗室，造成不可預期的傷害。

　　具音樂播放功能

　　當長輩起床后踩下床邊的壓力傳感器時，系統(tǒng)會自動啟動音樂播放裝置，撥出長輩喜歡的音樂，讓長輩的心情順暢。

　　具手機提示功能

　　當長輩起床后，子女們的手機會收到長輩起床的訊息，供其做出相對應的處理，例如，孩子們可對爸爸、媽媽、奶奶或爺爺說早安等。

　　具語音提示功能

　　當長輩喝水量未達標準值，裝置會發(fā)出相 對應的語音提醒長輩。

　　具時間顯示功能

　　老人起床，睡覺與喝水等時間會顯示于液晶顯示器上。

　　具室內溫度感測功能

　　室內溫度高于 30 度，啟動風扇;室內溫度低于 15 度，啟動電暖器。

　　具偵測窗外強光功能

　　當系統(tǒng)偵測到強光時，窗簾將完全關起， 反之則窗簾將完全拉開。

　　具偵測有無喝水功能

　　當長輩拿起水杯喝水后放置杯墊上就可知道究竟喝了多少水。

　　創(chuàng)新性

　　除了上述的創(chuàng)新性外，本作品居家老人關懷系統(tǒng)同時兼具功能性，增加一些傳感器，有溫度傳感器及光敏傳感器，而溫度傳感器用來偵測室內的溫度，若室內溫度高于30度，系統(tǒng)將會自動啟動風扇，來降低室內的溫度，當溫度低于15度時，則自動開啟電暖器，讓室內溫度達到平衡。光敏傳感器用來偵測陽光強度，若陽光強則系統(tǒng)會自動關起窗簾來降低室內的亮度，當陽光減弱則系統(tǒng)會自動開啟窗簾，讓長輩的眼睛不受陽光影響。

　　實用性

　　本作品的實用性，不只在使用者早上起床會動作，還有夜間臥床前的時間。當使用者想睡覺時，踩下壓力傳感器，與之相對應的裝置將開始動作，首先啟動音樂播放器，聆聽喜歡的音樂，幫助用戶睡眠，且會自動關閉，接著透過藍牙，發(fā)送一封訊息，讓家人們從手機確認長輩在休息了，若使用者半夜醒來上廁所，下床踩下壓力傳感器時，室內的燈泡會點亮，提供使用者在房間內有清楚的視線，而用戶回床上時，燈泡將自動熄滅。本系統(tǒng) 控制這些裝置可以省下用戶手動去開起或關閉任何裝置的時間。相信只要使用本系統(tǒng)，一定可讓長輩在家受到細心照顧，且在舒適的環(huán)境下過著快樂的日子。

　　工作原理

　　居家老人關懷系統(tǒng)完整電路

　　圖1所示為本作品“居家老人物聯網關懷系統(tǒng)”的完整電路圖 ， 整個系統(tǒng)以盛群的微控制器HT66F70A為主要控制核心，來控制其它周邊組件，例如語音模塊、溫度感測模塊、藍牙、重力傳感器、壓力感測模塊、光源感測模塊、蜂鳴器、微動開關、步進馬達、風扇等，以便讓本系統(tǒng)的整體運作更加的流暢與完善，以下所示為相關組件之控制電路與工作原理。

　　圖1 : 居家老人關懷系統(tǒng)完整電路圖

　　溫度傳感器之控制電路與工作原理

　　圖2為本系統(tǒng)溫度傳感器之控制電路圖，HT66F70A 與 DS1820 之間僅需一條線即可， 當溫度傳感器偵測到內部的溫度時透過 PF.6 接腳 將訊號傳 HT66F70A 去處理，由于沒有 CLOCK 線 可以控制數據讀取傳輸時間，溫度傳感器卻是十分 注重傳送數據跟讀取數據的時間，用戶程序上延遲時間寫的十分準確不可有太大誤差，才能讀取正確之值。

　　圖2 : 溫度傳感器之控制電路圖

　　電燈之控制電路與工作原理

　　本系統(tǒng)電燈之控制電路。當HT66F70A控制線PE.4送出高電位時，晶體管截止繼電器不導通 OFF，反之當控制線PE.4送出低電位時，晶體管導通→繼電器導通→電燈點亮。

　　風扇之控制電路與工作原理

　　本系統(tǒng)風扇之控制電路。風扇是適用+5V 的風扇，用戶一般能透過溫度傳感器，測量室內溫度來自動開關控制風扇轉動。當室內溫度升高時，風扇會啟動，讓室內散熱，反之，室內溫度較低時，風扇將會關閉。HT66F70A 透過 PB.4 送出低電位至晶體管的基極以啟動風扇，反之則關閉。

　　光敏感測模塊之控制電路與工作原理

　　光敏感測電阻的兩端電阻大小值是隨著入射光的強度成反比。當光強度超過某一臨界值時，其接腳會導通。當光敏感測模塊沒有接收到光源時，會透過 PC.2 腳位回傳一高電位給 HT66F70A，反之收到光源時，透過 PC.2 腳位回傳低電位。本系統(tǒng)中的光敏感測模塊主要是用來感測是否有無光源，以控制窗簾的開/關之用。

　　圖3 : 光敏感測模塊之控制電路圖

　　語音模塊控制電路之控制與工作原理

　　圖4為本系統(tǒng)語音模塊之控制電路圖 ， 用 于 發(fā) 出 提 示 語 音 之 用 。 圖 中 語音模塊(MP380)控制方法有很多種，本作品采用普通直放接口。其中語音模塊的 P7與微控制器PD.4接腳連接，當給予其低電位時，SD卡內儲存的檔案， 將透過喇叭播放。

　　圖4 : 語音模塊之控制電路圖

　　音頻放大器模塊之控制電路與工作原理

　　圖5為音頻放大器模塊之控制電路圖，語音模塊之音頻訊號輸出采用 TDA7266 音頻功率放大模塊來進行聲音放大功能，將喇叭的正極與負極與音頻功率放大器模塊的 OUT1+及 OUT1-接在一起，以便將語音模塊的聲音放大后，然后經由喇叭播出。

　　圖5 : 音頻放大器模塊之控制電路圖

　　藍牙之控制電路與工作原理

　　圖6為本系統(tǒng)藍牙模塊(HC05)之控制電路圖，二者之間的通訊是采用 UART的方式，所以只需將模塊上TxD、RxD與HT66F70A微控制器 PA.3(RxD)與 PA.1(TxD)連接就可以進行串行數據的傳輸串行數據的傳輸速度為9600bps 。HT66F70A可透過藍牙模塊將關數據傳給手機上 以及讀取手機傳過來的數據。

　　圖6 : 藍牙模塊之控制電路圖

　　重量感測模塊之控制電路與工作原理

　　圖7為重量感測模塊之控制電路圖，HT66F70A只需使用兩只I/O 腳就能對重量傳感器進行控制，判斷物體重量之方法是透過 HX711 轉換芯片對重量傳感器的曲線變化來進行轉換，本作品利用 PG.3、PG.2 分別連至重量感測模塊的 SCK、DOUT 接腳已進行控制，重量傳感器的溝通接口為 I2C 控制模式。

　　圖7 : 重量感測模塊之控制電路圖

　　RTC 時間模塊之控制電路與工作原理

　　圖8為 RTC 時間模塊之控制電路圖。DS1302 使用串行通訊，因DS1302 寫入與讀取數據的I/O端口只有一只腳。所以在寫入時需將1Byte的數據拆解成1bit 的方式寫入，并且和SCLK接腳的電位相互對應，才可完成數據的寫入與讀出。HT66F70A微控制器的 PE.0、PE.1 與 PE.2 分別連接至 DS1302 的 RST、DAT與CLK腳位，透過相關指令與數據傳輸方式，就可正確讀取到 RTC 模塊上的時間。

　　圖8 : RTC 時間模塊之控制電路圖

　　壓力感測模塊之控制電路與工作原理

　　圖9為壓力感測模塊之控制電路圖。施加壓力后，電阻會變小。壓力感測模塊接法與可變電阻類似，壓力傳感器有兩支接腳，其中接腳1接+ 5V，接腳2除了連接2.2k奧姆電阻外，也接至HT66F70A的PH.4。當壓力傳感器偵測到有壓力時，經由接腳2送出一個訊號至HT66F70A的PE.7，當微控制器偵測到 PH.4=0就會啟動系 統(tǒng)中相關的模塊。

　　圖9 : 壓力感測模塊之控制電路圖

　　電暖器之控制電路與工作原理

　　圖10為電暖器之控制電路圖。當HT66F70A接腳PD.5送出高電位時，晶體管截止繼電器不導通，此時電暖器不會啟動，反之當微控制器透過PD.5 送出一低電位的訊號時，因電晶 體導通，繼電器原本腳位C連接至NC腳位的導線，會因為電磁感應的關系而改接至NO腳位而形成一回路，結果電暖器就會被啟動，令室內的溫度上升。

　　圖10 : 電暖器之控制電路圖

　　動開關之控制電路與工作原理

　　圖11為微動開關之控制電路圖，左右微動開關都是可驅動窗簾的步進馬達停止轉動之用。HT66F70A 微控制器的 PF.4 或 PF.3 接腳分別接至左/右微動開關的接腳C，用來控制馬達停止轉動之用。當用來控制窗簾關閉的微動開關被壓下時，此時HT66F70A偵測到PF.4或PF.3為低電位時，會立即令馬達停止轉動，以避免馬達繼續(xù)轉動而損壞。

　　圖11 : 微動開關之控制電路圖

　　音樂播放裝置之控制電路與工作原理

　　圖12為音樂播放裝置之控制電路圖。當HT66F70A接腳PE.5送出高電位時，晶體管截止，繼電器不導通OFF，反之當接腳 PE.5 送出低電位時，晶體管導通→繼電器導通→音樂播放 裝置啟動。

　　圖12 : 音樂播放裝置之控制電路圖

　　整合型 LCD 之控制電路與工作原理

　　圖13 為本系統(tǒng) LCD之控制電路圖， 主要功能為顯示 RTC 時間模塊的時間以及溫度傳感器測得的室內溫度，整合型 LCD傳輸接口多達四種，有4 bit、8 bit、SPI 與 I2C 等可供選擇，本系統(tǒng)選用腳位使用最少且目前市面上或業(yè)界普遍都在使用的I2C模式進行傳輸，只需將HT66F70A微控制器的 PD.6、PB.7接腳與整合型LCD在I2C模式下的第13、14腳連接，就能撰寫程序令 LCD 顯示數據。

　　圖13 : 整合型 LCD 之控制電路圖

　　作品結構

　　硬件部分

　　圖14為本作品“居家老人關懷物聯網系統(tǒng)”的系統(tǒng)方塊圖，以HT66F70A微控制器為主要的系統(tǒng)核心，來控制周圍的一些方塊圖，例如 RTC 時間模塊、光敏感測模塊、重量測壓模塊、溫度感測模塊、壓力感測模塊、液晶顯示器、步進馬達、風扇、電暖器、電燈泡、音樂播放裝置、語音模塊、藍牙等組件。本系統(tǒng)的控制描述如下所示。

　　圖14 : 居家老人關懷系統(tǒng)之系統(tǒng)架構方塊圖

　　當使用者早上醒來，壓力傳感器將接收到訊號傳送至HT66F70A微控制器，微控制器透過 RTC時間模塊抓取現在時間，判斷目前是使用者平常醒 來的時段，并開始以下動作：經由 PE.4 送一個高電位的訊號，令電燈泡的繼電器動作以點亮燈泡。接著令PF.5送一個高電位的訊號，令音樂播放裝 置的繼電器動作以啟動音樂播放裝置，讓老人可聽到喜歡的音樂。再來會透過與微控制器的PA.3(RxD) 和PA.1(TxD) 連接的的藍牙，傳送一封訊息到家人的手機上，以提示家人們，老爺爺或奶奶起床了，可去噓寒問暖并向長輩請安了。

　　以上裝置啟動時，微控制器經由 RTC時間模塊，設定一段時間將已啟動的裝置，如電燈泡與音樂播放裝置的繼電器關閉。同時，系統(tǒng)會自動判斷室溫的高低，若溫度較高，風扇開始轉動，令空氣流通，反之則啟動電暖器，讓室內保暖，以產生舒適的溫度。

　　還有，當系統(tǒng)的光敏感測模塊偵測到窗外的光源時，會驅動馬達帶動窗廉完全拉開或關閉，若偵測到光源，則完全關閉，反之則完全拉開。另外，本作品的重量感測模塊，可測量用戶水杯的重量，透過 RTC 時間模塊，定時提醒用戶喝 水，與記錄用戶每日的喝水量，若使用者每日的喝水量不足，微控制器會透過語音模塊，提醒用戶喝水量不足，趕緊多喝些水。

　　軟件部分

　　圖15為本作品“居家老人物聯網關懷系統(tǒng)”的控制流程圖。

　　圖15 : 居家老人關懷系統(tǒng)之系統(tǒng)控制流程圖

　　測試方法

　　本作品“居家老人物聯網關懷系統(tǒng)”的相關組件有RTC時間模塊、光敏感測模塊、重量測壓模塊、溫度感測模塊、壓力感測模塊、液晶顯示器、步進馬達、風扇、電暖器、電燈泡、音樂播放裝置、語音模塊、藍牙等等組件，這些組件的測試方法如下所示。

　　**點亮室內電燈測試方法

　　1.當 RTC 時間模塊的時間是早上時段時

　　2.按下壓力感測模塊

　　3.電燈泡會點亮

　　**音樂播放測試方法

　　1.當 RTC 時間模塊的時間是早上時段時

　　2.按下壓力感測模塊

　　3.音樂播放器會撥放音樂

　　**手機提示測試方法

　　1.當 RTC 時間模塊的時間是早上時段時

　　2.按下壓力感測模塊

　　3.微控制器會發(fā)送一封訊息到手機

　　**溫度控制風扇測試方法

　　1.利用打火機令溫度感測模塊升溫

　　2.若溫度大于 30 度

　　3.則啟動風扇

　　**溫度控制電暖器測試方法

　　1.利用冷卻水令溫度感測模塊降溫

　　2.若溫度小于 15 度

　　3.則啟動電暖器

　　**自動關窗簾測試方法

　　1.使用手電筒照射光敏感測模塊

　　2.模擬窗外有光線進入

　　3.步進馬達開始轉動，將窗簾完全關閉

　　**自動開窗簾測試方法

　　1.用遮蔽物擋住光敏感測模塊

　　2.模擬窗外無光線進入

　　3.步進馬達開始轉動，將窗簾完全關閉

　　**具偵測喝水量是否足夠測試方法

　　1.在重量感測模塊上放置水杯

　　2.將重量值，以克為單位顯示在 LCD 上

　　3.使用者未達喝水建議量，微控制器將會透 過語音提醒用戶