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，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「居家老人關懷系統」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，減少某些疾病的發生，從而有效地延緩衰老進程。

前言

在現在的台灣社會中，老人化的比例已經越佔越多，在民國82年9月，台灣的65歲以上老年人口已達到147萬2千人，佔總人口數的7%，民國92年7月，65 歲以上人口占總 人口的比率更超越了9%的水準，在十年之間，老年人口的占比便增加了2%，其成長速度極為快速，顯然台灣人口老化的問題有愈來愈嚴重的趨勢，隨著年歲增長，生理、心理功能逐漸退化，以致於日常生活需他人協助與照料。

目前市面上的居家老人關懷系統，大多是透過無線傳輸、穿戴式感測器的服務，對於不同居家照護環境中的整合，常常是照護系統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--當長輩早上醒來時，壓力感測器一接收到訊號，將會點亮室內電燈，再來啟動音樂播放裝置，開始播放 使用者喜歡的音樂，同時家人們的手機收到一封長輩醒來的訊息，當光敏感測器偵測到陽光，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。

若室內溫度高於30度，電風扇開始轉動，幫助室內散熱，讓空氣對流，若低於15度，電暖器開始動作，維持舒適的溫度，重量感測器會偵測水杯重量，當喝水量未達每日標準時，會提醒使用者喝水，並記錄使用者每日的喝水量。本作品的功能性、創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感測器時，系統會點亮室內電燈，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

當長輩起床後踩下床邊的壓力感測器時，系統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

當長輩起床後，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於液晶顯示器上。

**具室內溫度感測功能

室內溫度高於 30 度，啟動風扇；室內溫度低於 15 度，啟動電暖器。

**具偵測窗外強光功能

當系統偵測到強光時，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後放置杯墊上就可知道究竟喝了多少水。

創新性

除了上述的創新性外，本作品居家老人關懷系統同時兼具功能性，增加一些感測器，有溫度感測器及光敏感測器，而溫度感測器用來偵測室內的溫度，若室內溫度高於30度，系統將會自動啟動風扇，來降低室內的溫度，當溫度低於15度時，則自動開啟電暖器，讓室內溫度達到平衡。光敏感測器用來偵測陽光強度，若陽光強則系統會自動關起窗簾來降低室內的亮度，當陽光減弱則系統會自動開啟窗簾，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，踩下壓力感測器，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，幫助使用者睡眠，且會自動關閉，接著透過藍牙，發送一封訊息，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，下床踩下壓力感測器時，室內的燈泡會點亮，提供使用者在房間內有清楚的視線，而使用者回床上時，燈泡將自動熄滅。本系統 控制這些裝置可以省下使用者手動去開起或關閉任何裝置的時間。相信只要使用本系統，一定可讓長輩在家受到細心照顧，且在舒適的環境下過著快樂的日子。

工作原理

居家老人關懷系統完整電路

圖1所示為本作品「居家老人關懷系統」的完整電路圖 ， 整個系統以盛群的微控制器HT66F70A為主要控制核心，來控制其它周邊元件，例如語音模組、溫度感測模組、藍牙、重力感測器、壓力感測模組、光源感測模組、蜂鳴器、微動開關、步進馬達、風扇等，以便讓本系統的整體運作更加的流暢與完善，以下所示為相關元件之控制電路與工作原理。

圖1 : 居家老人關懷系統完整電路圖

溫度感測器之控制電路與工作原理

圖2為本系統溫度感測器之控制電路圖，HT66F70A 與 DS1820 之間僅需一條線即可， 當溫度感測器偵測到內部的溫度時透過 PF.6 接腳 將訊號傳 HT66F70A 去處理，由於沒有 CLOCK 線 可以控制資料讀取傳輸時間，溫度感測器卻是十分 注重傳送資料跟讀取資料的時間，使用者程式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 : 溫度感測器之控制電路圖

電燈之控制電路與工作原理

本系統電燈之控制電路。當HT66F70A控制線PE.4送出高電位時，電晶體截止繼電器不導通 OFF，反之當控制線PE.4送出低電位時，電晶體導通→繼電器導通→電燈點亮。

風扇之控制電路與工作原理

本系統風扇之控制電路。風扇是適用+5V 的風扇，使用者一般能透過溫度感測器，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 送出低電位至電晶體的基極以啟動風扇，反之則關閉。

光敏感測模組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。當光敏感測模組沒有接收到光源時，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。本系統中的光敏感測模組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 : 光敏感測模組之控制電路圖

語音模組控制電路之控制與工作原理

圖4為本系統語音模組之控制電路圖 ， 用 於 發 出 提 示 語 音 之 用 。 圖 中 語音模組（MP380）控制方法有很多種，本作品採用普通直放介面。其中語音模組的 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 : 語音模組之控制電路圖

音頻放大器模組之控制電路與工作原理

圖5為音頻放大器模組之控制電路圖，語音模組之音頻訊號輸出採用 TDA7266 音頻功率放大模組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組的 OUT1+及 OUT1-接在一起，以便將語音模組的聲音放大後，然後經由喇叭播出。

圖5 : 音頻放大器模組之控制電路圖

藍牙之控制電路與工作原理

圖6為本系統藍牙模組(HC05)之控制電路圖，二者之間的通訊是採用 UART的方式，所以只需將模組上TxD、RxD與HT66F70A微控制器 PA.3(RxD)與 PA.1(TxD)連接就可以進行串列資料的傳輸串列資料的傳輸速度為9600bps 。HT66F70A可透過藍牙模組將關資料傳給手機上 以及讀取手機傳過來的資料。

圖6 : 藍牙模組之控制電路圖

重量感測模組之控制電路與工作原理

圖7為重量感測模組之控制電路圖，HT66F70A只需使用兩隻I/O 腳就能對重量感測器進行控制，判斷物體重量之方法是透過 HX711 轉換晶片對重量感測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組的 SCK、DOUT 接腳已進行控制，重量感測器的溝通介面為 I2C 控制模式。

圖7 : 重量感測模組之控制電路圖

RTC 時間模組之控制電路與工作原理

圖8為 RTC 時間模組之控制電路圖。DS1302 使用串列通訊，因DS1302 寫入與讀取資料的I/O埠只有一隻腳。所以在寫入時需將1Byte的資料拆解成1bit 的方式寫入，並且和SCLK接腳的電位相互對應，才可完成資料的寫入與讀出。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，透過相關指令與資料傳輸方式，就可正確讀取到 RTC 模組上的時間。

圖8 : RTC 時間模組之控制電路圖

壓力感測模組之控制電路與工作原理

圖9為壓力感測模組之控制電路圖。施加壓力後，電阻會變小。壓力感測模組接法與可變電阻類似，壓力感測器有兩支接腳，其中接腳1接+ 5V，接腳2除了連接2.2k歐姆電阻外，也接至HT66F70A的PH.4。當壓力感測器偵測到有壓力時，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 統中相關的模組。

圖9 : 壓力感測模組之控制電路圖

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，電晶體截止繼電器不導通，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係而改接至NO腳位而形成一迴路，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，電晶體截止，繼電器不導通OFF，反之當接腳 PE.5 送出低電位時，電晶體導通→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 LCD之控制電路圖， 主要功能為顯示 RTC 時間模組的時間以及溫度感測器測得的室內溫度，整合型 LCD傳輸介面多達四種，有4 bit、8 bit、SPI 與 I2C 等可供選擇，本系統選用腳位使用最少且目前市面上或業界普遍都在使用的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，就能撰寫程式令 LCD 顯示資料。

圖13 : 整合型 LCD 之控制電路圖

作品結構

硬體部分

圖14為本作品「居家老人關懷系統」的系統方塊圖，以HT66F70A微控制器為主要的系統核心，來控制週遭的一些方塊圖，例如 RTC 時間模組、光敏感測模組、重量測壓模組、溫度感測模組、壓力感測模組、液晶顯示器、步進馬達、風扇、電暖器、電燈泡、音樂播放裝置、語音模組、藍牙等元件。本系統的控制描述如下所示。

圖14 : 居家老人關懷系統之系統架構方塊圖

當使用者早上醒來，壓力感測器將接收到訊號傳送至HT66F70A微控制器，微控制器透過 RTC時間模組抓取現在時間，判斷目前是使用者平常醒 來的時段，並開始以下動作：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，可去噓寒問暖並向長輩請安了。

以上裝置啟動時，微控制器經由 RTC時間模組，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，當系統的光敏感測模組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組，可測量使用者水杯的重量，透過 RTC 時間模組，定時提醒使用者喝 水，與記錄使用者每日的喝水量，若使用者每日的喝水量不足，微控制器會透過語音模組，提醒使用者喝水量不足，趕緊多喝些水。

軟體部分

圖15為本作品「居家老人關懷系統」的控制流程圖。

圖15 : 居家老人關懷系統之系統控制流程圖

測試方法

本作品「居家老人關懷系統」的相關元件有RTC時間模組、光敏感測模組、重量測壓模組、溫度感測模組、壓力感測模組、液晶顯示器、步進馬達、風扇、電暖器、電燈泡、音樂播放裝置、語音模組、藍牙等等元件，這些元件的測試方法如下所示。

**點亮室內電燈測試方法

1.當 RTC 時間模組的時間是早上時段時

2.按下壓力感測模組

3.電燈泡會點亮

**音樂播放測試方法

1.當 RTC 時間模組的時間是早上時段時

2.按下壓力感測模組

3.音樂播放器會撥放音樂

**手機提示測試方法

1.當 RTC 時間模組的時間是早上時段時

2.按下壓力感測模組

3.微控制器會發送一封訊息到手機

**溫度控制風扇測試方法

1.利用打火機令溫度感測模組升溫

2.若溫度大於 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組降溫

2.若溫度小於 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組

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組

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.在重量感測模組上放置水杯

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 過語音提醒使用者

(本文作者劉銘中、江志霖、王培森、王聖博、楊晟佑為臺北城市科技大學資訊工程系教授、學生)

參考文獻

[1] Real-time clock module ( DS1302 ) data sheet of Maxim Integrated Co., Ltd.。

[2] Photoresistor sensor module (CDS) data sheet of Token Electronics Industry Co., Ltd.。

[3] I2C Lcd module ( JLX1602a-4 ) data sheet of ShenZhen JLX electronics Co., Ltd.。

[4] Bluetooth module (HC05) data sheet of Guangzhou HC Information Technology Co.,Ltd。

[5] Temperature sensor modules ( DS18B20 ) data sheet of Maxim Integrated Co., Ltd.。

[6] 李宜達，單晶片MCS-51與C語言入門實習。全華圖書，民101。

[7] 鄭金謀，關懷老人心靈健康之探究。

[8] 柯政良，關懷獨居老人，網址： 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] 陳仁謙，野銀的老夫妻，網址： 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] 許哲瀚、唐憶淨，遠距居家照 護的現況與未來。

[11] 李泓其、林仲志，以無線通訊 與RFID技術為基礎之老人健康照護平台。