居家老人物联网关怀系统

　　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“居家老人物联网关怀系统”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

　　目前市面上的居家老人关怀系统，大多是透过无线传输、穿戴式传感器的服务，对于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，以及所参考的相关文献设计一套系统--当长辈早上醒来时，压力传感器一接收到讯号，将会点亮室内电灯，再来启动音乐播放装置，开始播放 用户喜欢的音乐，同时家人们的手机收到一封长辈醒来的讯息，当光敏传感器侦测到阳光，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。

　　若室内温度高于30度，电风扇开始转动，帮助室内散热，让空气对流，若低于15度，电暖器开始动作，维持舒适的温度，重量传感器会侦测水杯重量，当喝水量未达每日标准时，会提醒用户喝水，并记录用户每日的喝水量。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传感器时，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

　　当长辈起床后踩下床边的压力传感器时，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

　　当长辈起床后，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于液晶显示器上。

　　具室内温度感测功能

　　室内温度高于 30 度，启动风扇;室内温度低于 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后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，增加一些传感器，有温度传感器及光敏传感器，而温度传感器用来侦测室内的温度，若室内温度高于30度，系统将会自动启动风扇，来降低室内的温度，当温度低于15度时，则自动开启电暖器，让室内温度达到平衡。光敏传感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，踩下压力传感器，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，帮助用户睡眠，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，下床踩下压力传感器时，室内的灯泡会点亮，提供使用者在房间内有清楚的视线，而用户回床上时，灯泡将自动熄灭。本系统 控制这些装置可以省下用户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“居家老人物联网关怀系统”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，来控制其它周边组件，例如语音模块、温度感测模块、蓝牙、重力传感器、压力感测模块、光源感测模块、蜂鸣器、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，以下所示为相关组件之控制电路与工作原理。

　　图1 : 居家老人关怀系统完整电路图

　　温度传感器之控制电路与工作原理

　　图2为本系统温度传感器之控制电路图，HT66F70A 与 DS1820 之间仅需一条线即可， 当温度传感器侦测到内部的温度时透过 PF.6 接脚 将讯号传 HT66F70A 去处理，由于没有 CLOCK 线 可以控制数据读取传输时间，温度传感器却是十分 注重传送数据跟读取数据的时间，用户程序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。

　　图2 : 温度传感器之控制电路图

　　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，晶体管截止继电器不导通 OFF，反之当控制线PE.4送出低电位时，晶体管导通→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，用户一般能透过温度传感器，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 送出低电位至晶体管的基极以启动风扇，反之则关闭。

　　光敏感测模块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。当光敏感测模块没有接收到光源时，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块主要是用来感测是否有无光源，以控制窗帘的开/关之用。

　　图3 : 光敏感测模块之控制电路图

　　语音模块控制电路之控制与工作原理

　　图4为本系统语音模块之控制电路图 ， 用 于 发 出 提 示 语 音 之 用 。 图 中 语音模块(MP380)控制方法有很多种，本作品采用普通直放接口。其中语音模块的 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。

　　图4 : 语音模块之控制电路图

　　音频放大器模块之控制电路与工作原理

　　图5为音频放大器模块之控制电路图，语音模块之音频讯号输出采用 TDA7266 音频功率放大模块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块的 OUT1+及 OUT1-接在一起，以便将语音模块的声音放大后，然后经由喇叭播出。

　　图5 : 音频放大器模块之控制电路图

　　蓝牙之控制电路与工作原理

　　图6为本系统蓝牙模块(HC05)之控制电路图，二者之间的通讯是采用 UART的方式，所以只需将模块上TxD、RxD与HT66F70A微控制器 PA.3(RxD)与 PA.1(TxD)连接就可以进行串行数据的传输串行数据的传输速度为9600bps 。HT66F70A可透过蓝牙模块将关数据传给手机上 以及读取手机传过来的数据。

　　图6 : 蓝牙模块之控制电路图

　　重量感测模块之控制电路与工作原理

　　图7为重量感测模块之控制电路图，HT66F70A只需使用两只I/O 脚就能对重量传感器进行控制，判断物体重量之方法是透过 HX711 转换芯片对重量传感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块的 SCK、DOUT 接脚已进行控制，重量传感器的沟通接口为 I2C 控制模式。

　　图7 : 重量感测模块之控制电路图

　　RTC 时间模块之控制电路与工作原理

　　图8为 RTC 时间模块之控制电路图。DS1302 使用串行通讯，因DS1302 写入与读取数据的I/O端口只有一只脚。所以在写入时需将1Byte的数据拆解成1bit 的方式写入，并且和SCLK接脚的电位相互对应，才可完成数据的写入与读出。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，透过相关指令与数据传输方式，就可正确读取到 RTC 模块上的时间。

　　图8 : RTC 时间模块之控制电路图

　　压力感测模块之控制电路与工作原理

　　图9为压力感测模块之控制电路图。施加压力后，电阻会变小。压力感测模块接法与可变电阻类似，压力传感器有两支接脚，其中接脚1接+ 5V，接脚2除了连接2.2k奥姆电阻外，也接至HT66F70A的PH.4。当压力传感器侦测到有压力时，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 统中相关的模块。

　　图9 : 压力感测模块之控制电路图

　　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，晶体管截止继电器不导通，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脚位而形成一回路，结果电暖器就会被启动，令室内的温度上升。

　　图10 : 电暖器之控制电路图

　　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。

　　图11 : 微动开关之控制电路图

　　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，晶体管截止，继电器不导通OFF，反之当接脚 PE.5 送出低电位时，晶体管导通→继电器导通→音乐播放 装置启动。

　　图12 : 音乐播放装置之控制电路图

　　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 时间模块的时间以及温度传感器测得的室内温度，整合型 LCD传输接口多达四种，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，就能撰写程序令 LCD 显示数据。

　　图13 : 整合型 LCD 之控制电路图

　　作品结构

　　硬件部分

　　图14为本作品“居家老人关怀物联网系统”的系统方块图，以HT66F70A微控制器为主要的系统核心，来控制周围的一些方块图，例如 RTC 时间模块、光敏感测模块、重量测压模块、温度感测模块、压力感测模块、液晶显示器、步进马达、风扇、电暖器、电灯泡、音乐播放装置、语音模块、蓝牙等组件。本系统的控制描述如下所示。

　　图14 : 居家老人关怀系统之系统架构方块图

　　当使用者早上醒来，压力传感器将接收到讯号传送至HT66F70A微控制器，微控制器透过 RTC时间模块抓取现在时间，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时间模块，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块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块，可测量用户水杯的重量，透过 RTC 时间模块，定时提醒用户喝 水，与记录用户每日的喝水量，若使用者每日的喝水量不足，微控制器会透过语音模块，提醒用户喝水量不足，赶紧多喝些水。

　　软件部分

　　图15为本作品“居家老人物联网关怀系统”的控制流程图。

　　图15 : 居家老人关怀系统之系统控制流程图

　　测试方法

　　本作品“居家老人物联网关怀系统”的相关组件有RTC时间模块、光敏感测模块、重量测压模块、温度感测模块、压力感测模块、液晶显示器、步进马达、风扇、电暖器、电灯泡、音乐播放装置、语音模块、蓝牙等等组件，这些组件的测试方法如下所示。

　　**点亮室内电灯测试方法

　　1.当 RTC 时间模块的时间是早上时段时

　　2.按下压力感测模块

　　3.电灯泡会点亮

　　**音乐播放测试方法

　　1.当 RTC 时间模块的时间是早上时段时

　　2.按下压力感测模块

　　3.音乐播放器会拨放音乐

　　**手机提示测试方法

　　1.当 RTC 时间模块的时间是早上时段时

　　2.按下压力感测模块

　　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块升温

　　2.若温度大于 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块降温

　　2.若温度小于 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块

　　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块

　　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.在重量感测模块上放置水杯

　　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 过语音提醒用户