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居家老人關懷系統
第十一屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 劉銘中、江志霖等】   2017年07月12日 星期三

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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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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。


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