基于小凌派 RK2206的智慧養(yǎng)老院設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目由黎明職業(yè)大學(xué)唐英瑞、賴(lài)惠敏、吳秋娟同學(xué)，獲得福建省首屆OpenHarmony開(kāi)發(fā)者大賽三等獎(jiǎng)，感謝王國(guó)棟老師傾情供稿！

1. 項(xiàng)目背景

根據(jù)《2023-2028年中國(guó)智慧養(yǎng)老行業(yè)市場(chǎng)深度分析及投資潛力預(yù)測(cè)報(bào)告》報(bào)告顯示，數(shù)字技術(shù)和人工智能機(jī)器人技術(shù)在養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用給養(yǎng)老帶來(lái)了變革。智能養(yǎng)老是指融合應(yīng)用健康醫(yī)療電子、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)和產(chǎn)品，采集人體體征、居家環(huán)境等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)家庭、社區(qū)醫(yī)療機(jī)構(gòu)、健康養(yǎng)老服務(wù)機(jī)構(gòu)、專(zhuān)業(yè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)間的信息互聯(lián)互通和分析處理，提供智能化、個(gè)性化、多樣化產(chǎn)品和服務(wù)，滿(mǎn)足人民群眾日益迫切的健康養(yǎng)老需求。

隨著我國(guó)家庭小型化發(fā)展趨勢(shì)的日益凸顯，少子、老齡化使得空巢老人家庭日益增多。針對(duì)此狀況，養(yǎng)老院、老人公寓開(kāi)始逐步發(fā)展，就目前的養(yǎng)老院而言，由于管理手段落后，不能實(shí)現(xiàn)智能化、信息化的管理。智慧養(yǎng)老院項(xiàng)目通過(guò)小凌派來(lái)提升養(yǎng)老院機(jī)構(gòu)的管理效率和信息化水平，通過(guò)自動(dòng)采集老人日?；顒?dòng)、身體狀態(tài)及居住環(huán)境等數(shù)據(jù)，針對(duì)異常情況進(jìn)行快捷的預(yù)警及報(bào)警響應(yīng)。

2. 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

2.1 項(xiàng)目描述

該項(xiàng)目基于OpenHarmony系統(tǒng)，以小凌派開(kāi)發(fā)板作為感知層核心，利用國(guó)產(chǎn)開(kāi)源OpenHarmony操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境參數(shù)檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)連接等應(yīng)用。以云服務(wù)器為基礎(chǔ)構(gòu)建智慧養(yǎng)老院系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)與傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信連接管理等；構(gòu)建遠(yuǎn)程信息管理和控制的Web應(yīng)用平臺(tái)。充分利用互聯(lián)網(wǎng)和Web技術(shù)為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)定位、實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)、信息管理等功能，使得用戶(hù)在一定程度上脫離時(shí)間和空間的限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

2.2 功能說(shuō)明

?控制臺(tái)可以實(shí)時(shí)采集養(yǎng)老院中的環(huán)境信息，主要包括溫度、濕度、光敏。

?控制臺(tái)和手機(jī)app可以自動(dòng)控制門(mén)的開(kāi)關(guān)，可以根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境信息實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

?北斗手環(huán)配有NFC和定位、模擬老人體感溫度功能，當(dāng)老人走丟時(shí)路人可通過(guò)老人允許的情況下手機(jī)登陸NFC查詢(xún)到老人的信息，方便后續(xù)聯(lián)系親屬和工作人員。

?通過(guò)云服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸在Web端可視化界面上面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前養(yǎng)老院的環(huán)境狀態(tài)，老人的體感溫度，以及實(shí)時(shí)位置狀態(tài)。

?在Web端可以實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，可通過(guò)時(shí)間查看老人的歷史軌跡，并且?guī)в写鎯?chǔ)數(shù)據(jù)的功能，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括四部分，分別是溫濕度、光敏和位置信息，數(shù)據(jù)保存到mysql文件中，方便后期對(duì)數(shù)據(jù)分析處理。

2.3 系統(tǒng)功能模塊劃分

智慧養(yǎng)老院采用四層物聯(lián)網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。其中，系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)檢測(cè)功能被劃分到感知層，負(fù)責(zé)完成溫濕度、光照強(qiáng)度、MQ-135等環(huán)境信息和老人模擬體感溫度的采集任務(wù)，北斗定位實(shí)現(xiàn)老人的軌跡采集；網(wǎng)絡(luò)層包括網(wǎng)絡(luò)接入功能以及信息傳輸功能。這里面，信息傳輸功能主要是將感知層獲取的數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)系統(tǒng)，同時(shí)將云服務(wù)器的信息或指令下發(fā)給感知層設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層使用Wi-Fi通信方式接入網(wǎng)絡(luò)，采用MQTT協(xié)議等推送數(shù)據(jù)信息到平臺(tái)層和應(yīng)用層。云服務(wù)主要支持平臺(tái)層功能，負(fù)責(zé)設(shè)備管理、命令下發(fā)、信息存儲(chǔ)等管理功能。應(yīng)用層則利用云服務(wù)器提供的服務(wù)或手機(jī)等用戶(hù)終端來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。

2.4 系統(tǒng)功能邏輯

本系統(tǒng)的功能邏輯如下圖所示。設(shè)計(jì)方案以小凌派Harmony開(kāi)發(fā)板為核心實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層和感知層的主要功能。該開(kāi)發(fā)板使用小凌派處理器，運(yùn)行OpenHarmony操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)包括系統(tǒng)外設(shè)初始化、網(wǎng)絡(luò)接入、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)采集等功能。平臺(tái)層和應(yīng)用層則由云服務(wù)器和小凌派Harmony開(kāi)發(fā)板協(xié)同實(shí)現(xiàn)。

2.5 項(xiàng)目展示

2.5.1 智能手環(huán)效果展示

智能手環(huán)-TFT屏顯示

2.5.2 APP端效果展示

手機(jī)NFC展示界面

2.5.3 網(wǎng)頁(yè)端效果展示

手環(huán)的實(shí)時(shí)位置和采集周?chē)鷮?shí)時(shí)溫濕度

查看老人的歷史運(yùn)動(dòng)軌跡

養(yǎng)老院實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)

養(yǎng)老院大門(mén)的控制

2.5.4 模型整體效果展示

智慧養(yǎng)老院實(shí)物模型

3. 整體設(shè)計(jì)方案

3.1 軟件框架

3.2 硬件框架

主控芯片采用小凌派rk2206開(kāi)發(fā)板。

?采用采用IoTCluB的E53接口標(biāo)準(zhǔn)，可接入所有的E53案例擴(kuò)展板。

?主控為瑞芯微RK2206芯片，200MHz主頻，RAM 256KB、ROM 16KB、PSRAM 8M、FLASH 8M。

?板載NFC Forum Type 2 Tag芯片及天線(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)與載有NFC功能的手機(jī)“碰一碰”功能。

?支持 IEEE 802.11b/g/n 制式，AP 模式。

?USB 2.0 、SD card /SPI/IIC 接口、麥克風(fēng)接口、E53 接口（包含 UART、 IIC、ADC、DAC、PWM、5 個(gè) GPIO）。

?一根TypeC USB線(xiàn)，即可實(shí)現(xiàn)供電、下載等功能。

?一根TypeC USB線(xiàn)，可支持串口調(diào)試功能。

3.3 其他模塊

4. 軟件方案

4.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介

軟件開(kāi)發(fā)在Visual Studio Code中進(jìn)行開(kāi)發(fā)，Visual Studio Code默認(rèn)是在VSCode的控制臺(tái)下查看html頁(yè)面，這對(duì)于我們調(diào)試和查看效果十分不方便。所以這里我們需要安裝一下擴(kuò)展插件(open in browser)，這樣就可以在瀏覽器中很方便地查看html頁(yè)面。

安裝完成后，就可以隨意編寫(xiě)軟件程序了。

編寫(xiě)完成一個(gè)網(wǎng)頁(yè)后就可以選擇你要在瀏覽器打開(kāi)的HTML頁(yè)面，按快捷鍵Alt + B 就可以在默認(rèn)瀏覽器下打開(kāi)你寫(xiě)的頁(yè)面了。

當(dāng)然你也可以使用快捷鍵 Shift + Alt + B 選擇其他瀏覽器打開(kāi)。

? ? ?

4.2 環(huán)境參數(shù)檢測(cè)

環(huán)境參數(shù)檢測(cè)通過(guò)溫濕度傳感器、光敏傳感器、MQ-135傳感器、oled屏幕實(shí)現(xiàn)和顯示。獲取到的空氣質(zhì)量、光敏強(qiáng)度以及養(yǎng)老院溫濕度等環(huán)境信息通過(guò)MQTT協(xié)議上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)并儲(chǔ)存起來(lái)，可在必要時(shí)用于比較和平時(shí)數(shù)據(jù)的提取。環(huán)境參數(shù)檢測(cè)的關(guān)鍵代碼如下。

4.3 北斗定位手環(huán)

基于UM220-IV北斗模塊的北斗定位將設(shè)備所在的經(jīng)緯位置通過(guò)串口數(shù)據(jù)發(fā)送給中臺(tái)/后臺(tái)處理。處理后的結(jié)果寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)發(fā)送給網(wǎng)頁(yè)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成可視化的點(diǎn)實(shí)時(shí)展示出來(lái)。

北斗手環(huán)的流程思路

百度地圖的效果展示

北斗手環(huán)的關(guān)鍵代碼如下：

4.4 遙控大門(mén)

養(yǎng)老院的大門(mén)是可遠(yuǎn)程遙控的，“保安”可通過(guò)自身的手機(jī)開(kāi)關(guān)門(mén)，也可以通過(guò)我們“24小時(shí)值班人員”訪(fǎng)問(wèn)電腦上的網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行控制大門(mén)的開(kāi)關(guān)。兩者都是通過(guò)按鈕發(fā)送mqtt發(fā)布主題，在經(jīng)歷過(guò)后臺(tái)的處理后發(fā)送到小凌派，再由小凌派與預(yù)先訂閱好的話(huà)題相匹配，相應(yīng)的就發(fā)指令給舵機(jī)，從而起到遠(yuǎn)程控制開(kāi)門(mén)、關(guān)門(mén)的效果。以下就是控制舵機(jī)開(kāi)門(mén)的流程：

遙控大門(mén)的關(guān)鍵代碼如下：

4.5 MQTT協(xié)議

消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議，是一種基于TCP/IP協(xié)議的即時(shí)通訊協(xié)議，采用發(fā)布、訂閱模式為處于網(wǎng)絡(luò)層上的傳感器與平臺(tái)層、應(yīng)用層提供實(shí)時(shí)消息服務(wù)。MQTT協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)低，帶寬占用小，易于實(shí)現(xiàn)，在物聯(lián)網(wǎng)工程中應(yīng)用廣泛。作為MQTT協(xié)議的客戶(hù)端，開(kāi)發(fā)板上需要布置相關(guān)業(yè)務(wù)代碼，主要包括網(wǎng)絡(luò)連接信息結(jié)構(gòu)體定義、MQTT 客戶(hù)端信息結(jié)構(gòu)體、MQTT 客戶(hù)端初始化、MQTT客戶(hù)端連接代理服務(wù)器、訂閱MQTT消息、發(fā)布MQTT消息等。這些業(yè)務(wù)代碼，本文的設(shè)計(jì)采用Harmony系統(tǒng)項(xiàng)目下的第三方代碼進(jìn)行布置。MQTT協(xié)議關(guān)鍵代碼展示如下。

5. 項(xiàng)目總結(jié)和展望

智慧養(yǎng)老院采用環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊和北斗定位模塊進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，硬鍵選用小凌派rk-2206處理器的輕量級(jí)終端，具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)控制、一鍵報(bào)警、定位等功能。智慧養(yǎng)老通過(guò)技術(shù)手段從遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)定位、統(tǒng)一平臺(tái)信息交互等角度多方位打造信息化養(yǎng)老服務(wù)系統(tǒng)，滿(mǎn)足老人和家庭的現(xiàn)代化、科學(xué)化和人性化的產(chǎn)業(yè)需求。項(xiàng)目雖然實(shí)現(xiàn)了功能，但是仍然存在不足，不能離開(kāi)Wi-Fi環(huán)境，一旦離開(kāi)設(shè)備就工作不了，這個(gè)問(wèn)題，是我們目前遇到的一大阻礙，設(shè)備供電也存在問(wèn)題，因此要解決這個(gè)問(wèn)題我們要用到和手機(jī)卡類(lèi)似的定位設(shè)備，即使沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)也能夠和北斗衛(wèi)星相互聯(lián)系，還要解決能源問(wèn)題，不可能經(jīng)常把北斗手表取下來(lái)充電。