高齡化社會(huì)的來(lái)臨，對(duì)居家老人的關(guān)懷與關(guān)心是一個(gè)不容可緩的課題，因此如何運(yùn)用自動(dòng)化科技建立一套可關(guān)心居家或獨(dú)居老人的系統(tǒng)，讓身為子女們不管是在家中或外出時(shí)，都可得知或了解長(zhǎng)輩獨(dú)自在家的飲食與起居作息等狀況，以做出相對(duì)應(yīng)的處理與關(guān)懷，為本作品設(shè)計(jì)的主要理念。本作品“居家老人物聯(lián)網(wǎng)關(guān)懷系統(tǒng)”具有語(yǔ)音功能、溫度感測(cè)、手機(jī)提示與警示、定時(shí)提醒喝水、壓力感測(cè)、自動(dòng)開(kāi)/關(guān)燈與光源感測(cè)等功能，除了可讓居家長(zhǎng)輩的生活過(guò)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(fā)生，從而有效地延緩衰老進(jìn)程。

　　前言

　　目前市面上的居家老人關(guān)懷系統(tǒng)，大多是透過(guò)無(wú)線傳輸、穿戴式傳感器的服務(wù)，對(duì)于不同居家照護(hù)環(huán)境中的整合，常常是照護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨到的難題。本文利用盛群微控制器與電子相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)，以及所參考的相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)--當(dāng)長(zhǎng)輩早上醒來(lái)時(shí)，壓力傳感器一接收到訊號(hào)，將會(huì)點(diǎn)亮室內(nèi)電燈，再來(lái)啟動(dòng)音樂(lè)播放裝置，開(kāi)始播放 用戶喜歡的音樂(lè)，同時(shí)家人們的手機(jī)收到一封長(zhǎng)輩醒來(lái)的訊息，當(dāng)光敏傳感器偵測(cè)到陽(yáng)光，窗簾將自動(dòng)關(guān)閉，避免過(guò)多的陽(yáng)光熱氣進(jìn)入室內(nèi)，反之，沒(méi)有陽(yáng)光時(shí)便拉開(kāi)窗簾，保持室內(nèi)通風(fēng)。

　　若室內(nèi)溫度高于30度，電風(fēng)扇開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，幫助室內(nèi)散熱，讓空氣對(duì)流，若低于15度，電暖器開(kāi)始動(dòng)作，維持舒適的溫度，重量傳感器會(huì)偵測(cè)水杯重量，當(dāng)喝水量未達(dá)每日標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，會(huì)提醒用戶喝水，并記錄用戶每日的喝水量。本作品的功能性、創(chuàng)新性與實(shí)用性如下所示：

　　功能性

　　具點(diǎn)亮室內(nèi)電燈功能

　　當(dāng)長(zhǎng)輩起床且雙腳踩著壓力傳感器時(shí)，系統(tǒng)會(huì)點(diǎn)亮室內(nèi)電燈，以避免老人摸黑進(jìn)入盥洗室，造成不可預(yù)期的傷害。

　　具音樂(lè)播放功能

　　當(dāng)長(zhǎng)輩起床后踩下床邊的壓力傳感器時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)音樂(lè)播放裝置，撥出長(zhǎng)輩喜歡的音樂(lè)，讓長(zhǎng)輩的心情順暢。

　　具手機(jī)提示功能

　　當(dāng)長(zhǎng)輩起床后，子女們的手機(jī)會(huì)收到長(zhǎng)輩起床的訊息，供其做出相對(duì)應(yīng)的處理，例如，孩子們可對(duì)爸爸、媽媽、奶奶或爺爺說(shuō)早安等。

　　具語(yǔ)音提示功能

　　當(dāng)長(zhǎng)輩喝水量未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)值，裝置會(huì)發(fā)出相 對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音提醒長(zhǎng)輩。

　　具時(shí)間顯示功能

　　老人起床，睡覺(jué)與喝水等時(shí)間會(huì)顯示于液晶顯示器上。

　　具室內(nèi)溫度感測(cè)功能

　　室內(nèi)溫度高于 30 度，啟動(dòng)風(fēng)扇;室內(nèi)溫度低于 15 度，啟動(dòng)電暖器。

　　具偵測(cè)窗外強(qiáng)光功能

　　當(dāng)系統(tǒng)偵測(cè)到強(qiáng)光時(shí)，窗簾將完全關(guān)起， 反之則窗簾將完全拉開(kāi)。

　　具偵測(cè)有無(wú)喝水功能

　　當(dāng)長(zhǎng)輩拿起水杯喝水后放置杯墊上就可知道究竟喝了多少水。

　　創(chuàng)新性

　　除了上述的創(chuàng)新性外，本作品居家老人關(guān)懷系統(tǒng)同時(shí)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(lái)偵測(cè)室內(nèi)的溫度，若室內(nèi)溫度高于30度，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)扇，來(lái)降低室內(nèi)的溫度，當(dāng)溫度低于15度時(shí)，則自動(dòng)開(kāi)啟電暖器，讓室內(nèi)溫度達(dá)到平衡。光敏傳感器用來(lái)偵測(cè)陽(yáng)光強(qiáng)度，若陽(yáng)光強(qiáng)則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)起窗簾來(lái)降低室內(nèi)的亮度，當(dāng)陽(yáng)光減弱則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟窗簾，讓長(zhǎng)輩的眼睛不受陽(yáng)光影響。

　　實(shí)用性

　　本作品的實(shí)用性，不只在使用者早上起床會(huì)動(dòng)作，還有夜間臥床前的時(shí)間。當(dāng)使用者想睡覺(jué)時(shí)，踩下壓力傳感器，與之相對(duì)應(yīng)的裝置將開(kāi)始動(dòng)作，首先啟動(dòng)音樂(lè)播放器，聆聽(tīng)喜歡的音樂(lè)，幫助用戶睡眠，且會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，接著透過(guò)藍(lán)牙，發(fā)送一封訊息，讓家人們從手機(jī)確認(rèn)長(zhǎng)輩在休息了，若使用者半夜醒來(lái)上廁所，下床踩下壓力傳感器時(shí)，室內(nèi)的燈泡會(huì)點(diǎn)亮，提供使用者在房間內(nèi)有清楚的視線，而用戶回床上時(shí)，燈泡將自動(dòng)熄滅。本系統(tǒng) 控制這些裝置可以省下用戶手動(dòng)去開(kāi)起或關(guān)閉任何裝置的時(shí)間。相信只要使用本系統(tǒng)，一定可讓長(zhǎng)輩在家受到細(xì)心照顧，且在舒適的環(huán)境下過(guò)著快樂(lè)的日子。

　　工作原理

　　居家老人關(guān)懷系統(tǒng)完整電路

　　圖1所示為本作品“居家老人物聯(lián)網(wǎng)關(guān)懷系統(tǒng)”的完整電路圖 ， 整個(gè)系統(tǒng)以盛群的微控制器HT66F70A為主要控制核心，來(lái)控制其它周邊組件，例如語(yǔ)音模塊、溫度感測(cè)模塊、藍(lán)牙、重力傳感器、壓力感測(cè)模塊、光源感測(cè)模塊、蜂鳴器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)、步進(jìn)馬達(dá)、風(fēng)扇等，以便讓本系統(tǒng)的整體運(yùn)作更加的流暢與完善，以下所示為相關(guān)組件之控制電路與工作原理。

　　圖1 : 居家老人關(guān)懷系統(tǒng)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(tǒng)溫度傳感器之控制電路圖，HT66F70A 與 DS1820 之間僅需一條線即可， 當(dāng)溫度傳感器偵測(cè)到內(nèi)部的溫度時(shí)透過(guò) PF.6 接腳 將訊號(hào)傳 HT66F70A 去處理，由于沒(méi)有 CLOCK 線 可以控制數(shù)據(jù)讀取傳輸時(shí)間，溫度傳感器卻是十分 注重傳送數(shù)據(jù)跟讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間，用戶程序上延遲時(shí)間寫的十分準(zhǔn)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(tǒng)電燈之控制電路。當(dāng)HT66F70A控制線PE.4送出高電位時(shí)，晶體管截止繼電器不導(dǎo)通 OFF，反之當(dāng)控制線PE.4送出低電位時(shí)，晶體管導(dǎo)通→繼電器導(dǎo)通→電燈點(diǎn)亮。

　　風(fēng)扇之控制電路與工作原理

　　本系統(tǒng)風(fēng)扇之控制電路。風(fēng)扇是適用+5V 的風(fēng)扇，用戶一般能透過(guò)溫度傳感器，測(cè)量室內(nèi)溫度來(lái)自動(dòng)開(kāi)關(guān)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)室內(nèi)溫度升高時(shí)，風(fēng)扇會(huì)啟動(dòng)，讓室內(nèi)散熱，反之，室內(nèi)溫度較低時(shí)，風(fēng)扇將會(huì)關(guān)閉。HT66F70A 透過(guò) PB.4 送出低電位至晶體管的基極以啟動(dòng)風(fēng)扇，反之則關(guān)閉。

　　光敏感測(cè)模塊之控制電路與工作原理

　　光敏感測(cè)電阻的兩端電阻大小值是隨著入射光的強(qiáng)度成反比。當(dāng)光強(qiáng)度超過(guò)某一臨界值時(shí)，其接腳會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)光敏感測(cè)模塊沒(méi)有接收到光源時(shí)，會(huì)透過(guò) PC.2 腳位回傳一高電位給 HT66F70A，反之收到光源時(shí)，透過(guò) PC.2 腳位回傳低電位。本系統(tǒng)中的光敏感測(cè)模塊主要是用來(lái)感測(cè)是否有無(wú)光源，以控制窗簾的開(kāi)/關(guān)之用。

　　圖3 : 光敏感測(cè)模塊之控制電路圖

　　語(yǔ)音模塊控制電路之控制與工作原理

　　圖4為本系統(tǒng)語(yǔ)音模塊之控制電路圖 ， 用 于 發(fā) 出 提 示 語(yǔ) 音 之 用 。 圖 中 語(yǔ)音模塊(MP380)控制方法有很多種，本作品采用普通直放接口。其中語(yǔ)音模塊的 P7與微控制器PD.4接腳連接，當(dāng)給予其低電位時(shí)，SD卡內(nèi)儲(chǔ)存的檔案， 將透過(guò)喇叭播放。

　　圖4 : 語(yǔ)音模塊之控制電路圖

　　音頻放大器模塊之控制電路與工作原理

　　圖5為音頻放大器模塊之控制電路圖，語(yǔ)音模塊之音頻訊號(hào)輸出采用 TDA7266 音頻功率放大模塊來(lái)進(jìn)行聲音放大功能，將喇叭的正極與負(fù)極與音頻功率放大器模塊的 OUT1+及 OUT1-接在一起，以便將語(yǔ)音模塊的聲音放大后，然后經(jīng)由喇叭播出。

　　圖5 : 音頻放大器模塊之控制電路圖

　　藍(lán)牙之控制電路與工作原理

　　圖6為本系統(tǒng)藍(lán)牙模塊(HC05)之控制電路圖，二者之間的通訊是采用 UART的方式，所以只需將模塊上TxD、RxD與HT66F70A微控制器 PA.3(RxD)與 PA.1(TxD)連接就可以進(jìn)行串行數(shù)據(jù)的傳輸串行數(shù)據(jù)的傳輸速度為9600bps 。HT66F70A可透過(guò)藍(lán)牙模塊將關(guān)數(shù)據(jù)傳給手機(jī)上 以及讀取手機(jī)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。

　　圖6 : 藍(lán)牙模塊之控制電路圖

　　重量感測(cè)模塊之控制電路與工作原理

　　圖7為重量感測(cè)模塊之控制電路圖，HT66F70A只需使用兩只I/O 腳就能對(duì)重量傳感器進(jìn)行控制，判斷物體重量之方法是透過(guò) HX711 轉(zhuǎn)換芯片對(duì)重量傳感器的曲線變化來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，本作品利用 PG.3、PG.2 分別連至重量感測(cè)模塊的 SCK、DOUT 接腳已進(jìn)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(cè)模塊之控制電路圖

　　RTC 時(shí)間模塊之控制電路與工作原理

　　圖8為 RTC 時(shí)間模塊之控制電路圖。DS1302 使用串行通訊，因DS1302 寫入與讀取數(shù)據(jù)的I/O端口只有一只腳。所以在寫入時(shí)需將1Byte的數(shù)據(jù)拆解成1bit 的方式寫入，并且和SCLK接腳的電位相互對(duì)應(yīng)，才可完成數(shù)據(jù)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(guò)相關(guān)指令與數(shù)據(jù)傳輸方式，就可正確讀取到 RTC 模塊上的時(shí)間。

　　圖8 : RTC 時(shí)間模塊之控制電路圖

　　壓力感測(cè)模塊之控制電路與工作原理

　　圖9為壓力感測(cè)模塊之控制電路圖。施加壓力后，電阻會(huì)變小。壓力感測(cè)模塊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(dāng)壓力傳感器偵測(cè)到有壓力時(shí)，經(jīng)由接腳2送出一個(gè)訊號(hào)至HT66F70A的PE.7，當(dāng)微控制器偵測(cè)到 PH.4=0就會(huì)啟動(dòng)系 統(tǒng)中相關(guān)的模塊。

　　圖9 : 壓力感測(cè)模塊之控制電路圖

　　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(dāng)HT66F70A接腳PD.5送出高電位時(shí)，晶體管截止繼電器不導(dǎo)通，此時(shí)電暖器不會(huì)啟動(dòng)，反之當(dāng)微控制器透過(guò)PD.5 送出一低電位的訊號(hào)時(shí)，因電晶 體導(dǎo)通，繼電器原本腳位C連接至NC腳位的導(dǎo)線，會(huì)因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)的關(guān)系而改接至NO腳位而形成一回路，結(jié)果電暖器就會(huì)被啟動(dòng)，令室內(nèi)的溫度上升。

　　圖10 : 電暖器之控制電路圖

　　動(dòng)開(kāi)關(guān)之控制電路與工作原理

　　圖11為微動(dòng)開(kāi)關(guān)之控制電路圖，左右微動(dòng)開(kāi)關(guān)都是可驅(qū)動(dòng)窗簾的步進(jìn)馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)之用。HT66F70A 微控制器的 PF.4 或 PF.3 接腳分別接至左/右微動(dòng)開(kāi)關(guān)的接腳C，用來(lái)控制馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)之用。當(dāng)用來(lái)控制窗簾關(guān)閉的微動(dòng)開(kāi)關(guān)被壓下時(shí)，此時(shí)HT66F70A偵測(cè)到PF.4或PF.3為低電位時(shí)，會(huì)立即令馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，以避免馬達(dá)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)而損壞。

　　圖11 : 微動(dòng)開(kāi)關(guān)之控制電路圖

　　音樂(lè)播放裝置之控制電路與工作原理

　　圖12為音樂(lè)播放裝置之控制電路圖。當(dāng)HT66F70A接腳PE.5送出高電位時(shí)，晶體管截止，繼電器不導(dǎo)通OFF，反之當(dāng)接腳 PE.5 送出低電位時(shí)，晶體管導(dǎo)通→繼電器導(dǎo)通→音樂(lè)播放 裝置啟動(dòng)。

　　圖12 : 音樂(lè)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(tǒng) LCD之控制電路圖， 主要功能為顯示 RTC 時(shí)間模塊的時(shí)間以及溫度傳感器測(cè)得的室內(nèi)溫度，整合型 LCD傳輸接口多達(dá)四種，有4 bit、8 bit、SPI 與 I2C 等可供選擇，本系統(tǒng)選用腳位使用最少且目前市面上或業(yè)界普遍都在使用的I2C模式進(jìn)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(shù)據(jù)。

　　圖13 : 整合型 LCD 之控制電路圖

　　作品結(jié)構(gòu)

　　硬件部分

　　圖14為本作品“居家老人關(guān)懷物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”的系統(tǒng)方塊圖，以HT66F70A微控制器為主要的系統(tǒng)核心，來(lái)控制周圍的一些方塊圖，例如 RTC 時(shí)間模塊、光敏感測(cè)模塊、重量測(cè)壓模塊、溫度感測(cè)模塊、壓力感測(cè)模塊、液晶顯示器、步進(jìn)馬達(dá)、風(fēng)扇、電暖器、電燈泡、音樂(lè)播放裝置、語(yǔ)音模塊、藍(lán)牙等組件。本系統(tǒng)的控制描述如下所示。

　　圖14 : 居家老人關(guān)懷系統(tǒng)之系統(tǒng)架構(gòu)方塊圖

　　當(dāng)使用者早上醒來(lái)，壓力傳感器將接收到訊號(hào)傳送至HT66F70A微控制器，微控制器透過(guò) RTC時(shí)間模塊抓取現(xiàn)在時(shí)間，判斷目前是使用者平常醒 來(lái)的時(shí)段，并開(kāi)始以下動(dòng)作：經(jīng)由 PE.4 送一個(gè)高電位的訊號(hào)，令電燈泡的繼電器動(dòng)作以點(diǎn)亮燈泡。接著令PF.5送一個(gè)高電位的訊號(hào)，令音樂(lè)播放裝 置的繼電器動(dòng)作以啟動(dòng)音樂(lè)播放裝置，讓老人可聽(tīng)到喜歡的音樂(lè)。再來(lái)會(huì)透過(guò)與微控制器的PA.3(RxD) 和PA.1(TxD) 連接的的藍(lán)牙，傳送一封訊息到家人的手機(jī)上，以提示家人們，老爺爺或奶奶起床了，可去噓寒問(wèn)暖并向長(zhǎng)輩請(qǐng)安了。

　　以上裝置啟動(dòng)時(shí)，微控制器經(jīng)由 RTC時(shí)間模塊，設(shè)定一段時(shí)間將已啟動(dòng)的裝置，如電燈泡與音樂(lè)播放裝置的繼電器關(guān)閉。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷室溫的高低，若溫度較高，風(fēng)扇開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，令空氣流通，反之則啟動(dòng)電暖器，讓室內(nèi)保暖，以產(chǎn)生舒適的溫度。

　　還有，當(dāng)系統(tǒng)的光敏感測(cè)模塊偵測(cè)到窗外的光源時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)窗廉完全拉開(kāi)或關(guān)閉，若偵測(cè)到光源，則完全關(guān)閉，反之則完全拉開(kāi)。另外，本作品的重量感測(cè)模塊，可測(cè)量用戶水杯的重量，透過(guò) RTC 時(shí)間模塊，定時(shí)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(huì)透過(guò)語(yǔ)音模塊，提醒用戶喝水量不足，趕緊多喝些水。

　　軟件部分

　　圖15為本作品“居家老人物聯(lián)網(wǎng)關(guān)懷系統(tǒng)”的控制流程圖。

　　圖15 : 居家老人關(guān)懷系統(tǒng)之系統(tǒng)控制流程圖

　　測(cè)試方法

　　本作品“居家老人物聯(lián)網(wǎng)關(guān)懷系統(tǒng)”的相關(guān)組件有RTC時(shí)間模塊、光敏感測(cè)模塊、重量測(cè)壓模塊、溫度感測(cè)模塊、壓力感測(cè)模塊、液晶顯示器、步進(jìn)馬達(dá)、風(fēng)扇、電暖器、電燈泡、音樂(lè)播放裝置、語(yǔ)音模塊、藍(lán)牙等等組件，這些組件的測(cè)試方法如下所示。

　　**點(diǎn)亮室內(nèi)電燈測(cè)試方法

　　1.當(dāng) RTC 時(shí)間模塊的時(shí)間是早上時(shí)段時(shí)

　　2.按下壓力感測(cè)模塊

　　3.電燈泡會(huì)點(diǎn)亮

　　**音樂(lè)播放測(cè)試方法

　　1.當(dāng) RTC 時(shí)間模塊的時(shí)間是早上時(shí)段時(shí)

　　2.按下壓力感測(cè)模塊

　　3.音樂(lè)播放器會(huì)撥放音樂(lè)

　　**手機(jī)提示測(cè)試方法

　　1.當(dāng) RTC 時(shí)間模塊的時(shí)間是早上時(shí)段時(shí)

　　2.按下壓力感測(cè)模塊

　　3.微控制器會(huì)發(fā)送一封訊息到手機(jī)

　　**溫度控制風(fēng)扇測(cè)試方法

　　1.利用打火機(jī)令溫度感測(cè)模塊升溫

　　2.若溫度大于 30 度

　　3.則啟動(dòng)風(fēng)扇

　　**溫度控制電暖器測(cè)試方法

　　1.利用冷卻水令溫度感測(cè)模塊降溫

　　2.若溫度小于 15 度

　　3.則啟動(dòng)電暖器

　　**自動(dòng)關(guān)窗簾測(cè)試方法

　　1.使用手電筒照射光敏感測(cè)模塊

　　2.模擬窗外有光線進(jìn)入

　　3.步進(jìn)馬達(dá)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，將窗簾完全關(guān)閉

　　**自動(dòng)開(kāi)窗簾測(cè)試方法

　　1.用遮蔽物擋住光敏感測(cè)模塊

　　2.模擬窗外無(wú)光線進(jìn)入

　　3.步進(jìn)馬達(dá)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，將窗簾完全關(guān)閉

　　**具偵測(cè)喝水量是否足夠測(cè)試方法

　　1.在重量感測(cè)模塊上放置水杯

　　2.將重量值，以克為單位顯示在 LCD 上

　　3.使用者未達(dá)喝水建議量，微控制器將會(huì)透 過(guò)語(yǔ)音提醒用戶