Consumer IoT: Elderly Care
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來源：物联之家网
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，都可得知或瞭解，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「居家老人物聯網關懷系統」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
目前市面上的居家老人關懷系統，大多是透過無線傳輸、穿戴式傳感器的服務，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，壓力傳感器一接收到訊號，將會點亮室內電燈，再來啓動音樂播放裝置，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，並記錄用戶每日的喝水量。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傳感器時，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傳感器時，系統會自動啓動音樂播放裝置，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，啓動風扇；室內溫度低於 15 度，啓動電暖器。
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，若室內溫度高於30度，系統將會自動啓動風扇，來降低室內的溫度，當溫度低於15度時，則自動開啓電暖器，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啓窗簾，讓長輩的眼睛不受陽光影響。
實用性
本系統的實用性，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，首先啓動音樂播放器，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 控制這些裝置，可以省下用戶手動去開啟，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「居家老人物聯網關懷系統」的完整電路圖 ， 整個系統以微控制器為主要控制核心，來控制其它周邊組件，例如語音模組、溫度感測模組、藍牙、重力傳感器、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，以下所示為相關組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
溫度傳感器之控制電路與工作原理
圖2為本系統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，由於沒有 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，風扇會啓動，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啓動風扇，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，本系統採用普通直放接口。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
音訊放大器模組之控制電路與工作原理
圖5為音訊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 音訊功率放大模組，來進行聲音放大功能，將喇叭的正極與負極，與音訊功率放大器模組的 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 : 音訊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，就可以進行串行數據的傳輸，串行數據的傳輸速度為9600bps 。HT66F70A可透過藍牙模組將相關數據傳給手機上，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 轉換晶片，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組的 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 使用串行通訊，因DS1302 寫入與讀取數據的I/O端口只有一隻腳。所以在寫入時需將1Byte的數據，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就會啓動系 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，晶體管截止繼電器不導通，此時電暖器不會啓動，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，結果電暖器就會被啓動，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，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→音樂播放裝置啓動。
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，就能撰寫程序令 LCD 顯示數據。
圖13 : 整合型 LCD 之控制電路圖
系統結構
硬體部分
圖14為「居家老人關懷物聯網系統」的系統方塊圖，以HT66F70A微控制器為主要的系統核心，來控制周圍的一些方塊圖，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、藍牙等組件。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，以啓動音樂播放裝置，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。
以上裝置啓動時，微控制器經由 RTC時間模組，設定一段時間將已啓動的裝置，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，反之則啓動電暖器，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，本系統的重量感測模組，可測量用戶水杯的重量，透過 RTC 時間模組，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組，提醒用戶喝水量不足，趕緊多喝些水。
軟體部分
圖15為「居家老人物聯網關懷系統」的控制流程圖。
圖15 : 居家老人關懷系統之系統控制流程圖
方法
本「居家老人物聯網關懷系統」的相關組件，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.則啓動風扇
**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.則啓動電暖器
**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 過語音提醒用戶
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