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
在现在的台湾社会中,老人化的比例已经越占越多,在民国82年9月,台湾的65岁以上老年人囗已达到147万2千人,占总人囗数的7%,民国92年7月,65 岁以上人囗占总 人囗的比率更超越了9%的水准,在十年之间,老年人囗的占比便增加了2%,其成长速度极为快速,显然台湾人囗老化的问题有愈来愈严重的趋势,随着年岁增长,生理、心理功能逐渐退化,以致於日常生活需他人协助与照料。
目前市面上的居家老人关怀系统,大多是透过无线传输、穿戴式感测器的服务,对於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,以及所叁考的相关文献设计一套系统--当长辈早上醒来时,压力感测器一接收到讯号,将会点亮室内电灯,再来启动音乐播放装置,开始播放 使用者喜欢的音乐,同时家人们的手机收到一封长辈醒来的讯息,当光敏感测器侦测到阳光,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。
若室内温度高於30度,电风扇开始转动,帮助室内散热,让空气对流,若低於15度,电暖器开始动作,维持舒适的温度,重量感测器会侦测水杯重量,当喝水量未达每日标准时,会提醒使用者喝水,并记录使用者每日的喝水量。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感测器时,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
当长辈起床後踩下床边的压力感测器时,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
当长辈起床後,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於液晶显示器上。
**具室内温度感测功能
室内温度高於 30 度,启动风扇;室内温度低於 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後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,增加一些感测器,有温度感测器及光敏感测器,而温度感测器用来侦测室内的温度,若室内温度高於30度,系统将会自动启动风扇,来降低室内的温度,当温度低於15度时,则自动开启电暖器,让室内温度达到平衡。光敏感测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,踩下压力感测器,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,帮助使用者睡眠,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,下床踩下压力感测器时,室内的灯泡会点亮,提供使用者在房间内有清楚的视线,而使用者回床上时,灯泡将自动熄灭。本系统 控制这些装置可以省下使用者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,来控制其它周边元件,例如语音模组、温度感测模组、蓝牙、重力感测器、压力感测模组、光源感测模组、蜂呜器、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,以下所示为相关元件之控制电路与工作原理。
温度感测器之控制电路与工作原理
图2为本系统温度感测器之控制电路图,HT66F70A 与 DS1820 之间仅需一条线即可, 当温度感测器侦测到内部的温度时透过 PF.6 接脚 将讯号传 HT66F70A 去处理,由於没有 CLOCK 线 可以控制资料读取传输时间,温度感测器却是十分 注重传送资料跟读取资料的时间,使用者程式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。
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,电晶体截止继电器不导通 OFF,反之当控制线PE.4送出低电位时,电晶体导通←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,使用者一般能透过温度感测器,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 送出低电位至电晶体的基极以启动风扇,反之则关闭。
光敏感测模组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。当光敏感测模组没有接收到光源时,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组主要是用来感测是否有无光源,以控制窗帘的开/关之用。
语音模组控制电路之控制与工作原理
图4为本系统语音模组之控制电路图 , 用 於 发 出 提 示 语 音 之 用 。 图 中 语音模组(MP380)控制方法有很多种,本作品采用普通直放介面。其中语音模组的 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。
音频放大器模组之控制电路与工作原理
图5为音频放大器模组之控制电路图,语音模组之音频讯号输出采用 TDA7266 音频功率放大模组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组的 OUT1+及 OUT1-接在一起,以便将语音模组的声音放大後,然後经由喇叭播出。
蓝牙之控制电路与工作原理
图6为本系统蓝牙模组(HC05)之控制电路图,二者之间的通讯是采用 UART的方式,所以只需将模组上TxD、RxD与HT66F70A微控制器 PA.3(RxD)与 PA.1(TxD)连接就可以进行串列资料的传输串列资料的传输速度为9600bps 。HT66F70A可透过蓝牙模组将关资料传给手机上 以及读取手机传过来的资料。
重量感测模组之控制电路与工作原理
图7为重量感测模组之控制电路图,HT66F70A只需使用两只I/O 脚就能对重量感测器进行控制,判断物体重量之方法是透过 HX711 转换晶片对重量感测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组的 SCK、DOUT 接脚已进行控制,重量感测器的沟通介面为 I2C 控制模式。
RTC 时间模组之控制电路与工作原理
图8为 RTC 时间模组之控制电路图。DS1302 使用串列通讯,因DS1302 写入与读取资料的I/O埠只有一只脚。所以在写入时需将1Byte的资料拆解成1bit 的方式写入,并且和SCLK接脚的电位相互对应,才可完成资料的写入与读出。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,透过相关指令与资料传输方式,就可正确读取到 RTC 模组上的时间。
压力感测模组之控制电路与工作原理
图9为压力感测模组之控制电路图。施加压力後,电阻会变小。压力感测模组接法与可变电阻类似,压力感测器有两支接脚,其中接脚1接+ 5V,接脚2除了连接2.2k欧姆电阻外,也接至HT66F70A的PH.4。当压力感测器侦测到有压力时,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 统中相关的模组。
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,电晶体截止继电器不导通,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??路,结果电暖器就会被启动,令室内的温度上升。
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。
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,电晶体截止,继电器不导通OFF,反之当接脚 PE.5 送出低电位时,电晶体导通←继电器导通←音乐播放 装置启动。
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 时间模组的时间以及温度感测器测得的室内温度,整合型 LCD传输介面多达四种,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,就能撰写程式令 LCD 显示资料。
作品结构
硬体部分
图14为本作品「居家老人关怀系统」的系统方块图,以HT66F70A微控制器为主要的系统核心,来控制周遭的一些方块图,例如 RTC 时间模组、光敏感测模组、重量测压模组、温度感测模组、压力感测模组、液晶显示器、步进马达、风扇、电暖器、电灯泡、音乐播放装置、语音模组、蓝牙等元件。本系统的控制描述如下所示。
当使用者早上醒来,压力感测器将接收到讯号传送至HT66F70A微控制器,微控制器透过 RTC时间模组抓取现在时间,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时间模组,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组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组,可测量使用者水杯的重量,透过 RTC 时间模组,定时提醒使用者喝 水,与记录使用者每日的喝水量,若使用者每日的喝水量不足,微控制器会透过语音模组,提醒使用者喝水量不足,赶紧多喝些水。
软体部分
图15为本作品「居家老人关怀系统」的控制流程图。
测试方法
本作品「居家老人关怀系统」的相关元件有RTC时间模组、光敏感测模组、重量测压模组、温度感测模组、压力感测模组、液晶显示器、步进马达、风扇、电暖器、电灯泡、音乐播放装置、语音模组、蓝牙等等元件,这些元件的测试方法如下所示。
**点亮室内电灯测试方法
1.当 RTC 时间模组的时间是早上时段时
2.按下压力感测模组
3.电灯泡会点亮
**音乐播放测试方法
1.当 RTC 时间模组的时间是早上时段时
2.按下压力感测模组
3.音乐播放器会拨放音乐
**手机提示测试方法
1.当 RTC 时间模组的时间是早上时段时
2.按下压力感测模组
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组升温
2.若温度大於 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组降温
2.若温度小於 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组
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组
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.在重量感测模组上放置水杯
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 过语音提醒使用者
(本文作者刘铭中、江志霖、王培森、王圣博、杨唼佑为台北城市科技大学资讯工程系教授、学生)
叁考文献
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[4] Bluetooth module (HC05) data sheet of Guangzhou HC Information Technology Co.,Ltd。
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[6] 李宜达,单晶片MCS-51与C语言入门实习。全华图书,民101。
[7] 郑金谋,关怀老人心灵健康之探究。
[8] 柯政良,关怀独居老人,网址: https://dk611123.wordpress.com/2012/12/25/% E7%8D%A8%E5%B1%85%E8%80%81%E4 %BA%BA%E8%AD%B0%E9%A1%8C/
[9] 陈仁谦,野银的老夫妻,网址: http://kokai.org.tw/%E9%87%8E%E9%8A%8 0%E7%9A%84%E8%80%81%E5%A4%AB% E5%A6%BB-%E9%99%B3%E4%BB%81%E 8%AC%99/
[10] 许哲瀚、唐忆净,远距居家照 护的现况与未来。
[11] 李泓其、林仲志,以无线通讯 与RFID技术为基础之老人健康照护平台。