本文作者劉銘中、江志霖、王培森、王圣博、楊晟佑

高齡化社會的來臨，對居家老人的關(guān)懷與關(guān)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(guān)心居家或獨居老人的系統(tǒng)，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(yīng)的處理與關(guān)懷，為本作品設(shè)計的主要理念。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(guān)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(fā)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(guān)懷系統(tǒng)，大多是透過無線傳輸、穿戴式傳感器的服務(wù)，對于不同居家照護環(huán)境中的整合，常常是照護系統(tǒng)設(shè)計所面臨到的難題。本文利用盛群微控制器與電子相關(guān)領(lǐng)域的知識，以及所參考的相關(guān)文獻設(shè)計一套系統(tǒng)--當(dāng)長輩早上醒來時，壓力傳感器一接收到訊號，將會點亮室內(nèi)電燈，再來啟動音樂播放裝置，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(dāng)光敏傳感器偵測到陽光，窗簾將自動關(guān)閉，避免過多的陽光熱氣進入室內(nèi)，反之，沒有陽光時便拉開窗簾，保持室內(nèi)通風(fēng)。

若室內(nèi)溫度高于30度，電風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動，幫助室內(nèi)散熱，讓空氣對流，若低于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(dāng)喝水量未達每日標(biāo)準(zhǔn)時，會提醒用戶喝水，并記錄用戶每日的喝水量。本作品的功能性、創(chuàng)新性與實用性如下所示：

功能性

**具點亮室內(nèi)電燈功能

當(dāng)長輩起床且雙腳踩著壓力傳感器時，系統(tǒng)會點亮室內(nèi)電燈，以避免老人摸黑進入盥洗室，造成不可預(yù)期的傷害。

**具音樂播放功能

當(dāng)長輩起床后踩下床邊的壓力傳感器時，系統(tǒng)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(dāng)長輩起床后，子女們的手機會收到長輩起床的訊息，供其做出相對應(yīng)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(dāng)長輩喝水量未達標(biāo)準(zhǔn)值，裝置會發(fā)出相 對應(yīng)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于液晶顯示器上。

**具室內(nèi)溫度感測功能

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

**具偵測窗外強光功能

當(dāng)系統(tǒng)偵測到強光時，窗簾將完全關(guān)起， 反之則窗簾將完全拉開。

**具偵測有無喝水功能

當(dāng)長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(nèi)的溫度，若室內(nèi)溫度高于30度，系統(tǒng)將會自動啟動風(fēng)扇，來降低室內(nèi)的溫度，當(dāng)溫度低于15度時，則自動開啟電暖器，讓室內(nèi)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(tǒng)會自動關(guān)起窗簾來降低室內(nèi)的亮度，當(dāng)陽光減弱則系統(tǒng)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(dāng)使用者想睡覺時，踩下壓力傳感器，與之相對應(yīng)的裝置將開始動作，首先啟動音樂播放器，聆聽喜歡的音樂，幫助用戶睡眠，且會自動關(guān)閉，接著透過藍牙，發(fā)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(nèi)的燈泡會點亮，提供使用者在房間內(nèi)有清楚的視線，而用戶回床上時，燈泡將自動熄滅。本系統(tǒng) 控制這些裝置可以省下用戶手動去開起或關(guān)閉任何裝置的時間。相信只要使用本系統(tǒng)，一定可讓長輩在家受到細心照顧，且在舒適的環(huán)境下過著快樂的日子。

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 ， 整個系統(tǒng)以盛群的微控制器HT66F70A為主要控制核心，來控制其它周邊組件，例如語音模塊、溫度感測模塊、藍牙、重力傳感器、壓力感測模塊、光源感測模塊、蜂鳴器、微動開關(guān)、步進馬達、風(fēng)扇等，以便讓本系統(tǒng)的整體運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)溫度傳感器偵測到內(nèi)部的溫度時透過 PF.6 接腳 將訊號傳 HT66F70A 去處理，由于沒有 CLOCK 線 可以控制數(shù)據(jù)讀取傳輸時間，溫度傳感器卻是十分 注重傳送數(shù)據(jù)跟讀取數(shù)據(jù)的時間，用戶程序上延遲時間寫的十分準(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，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，晶體管導(dǎo)通→繼電器導(dǎo)通→電燈點亮。

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，用戶一般能透過溫度傳感器，測量室內(nèi)溫度來自動開關(guān)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。當(dāng)室內(nèi)溫度升高時，風(fēng)扇會啟動，讓室內(nèi)散熱，反之，室內(nèi)溫度較低時，風(fēng)扇將會關(guān)閉。HT66F70A 透過 PB.4 送出低電位至晶體管的基極以啟動風(fēng)扇，反之則關(guān)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(dāng)光強度超過某一臨界值時，其接腳會導(dǎo)通。當(dāng)光敏感測模塊沒有接收到光源時，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(tǒng)中的光敏感測模塊主要是用來感測是否有無光源，以控制窗簾的開/關(guān)之用。

圖3 : 光敏感測模塊之控制電路圖

語音模塊控制電路之控制與工作原理

圖4為本系統(tǒng)語音模塊之控制電路圖 ， 用 于 發(fā) 出 提 示 語 音 之 用 。 圖 中 語音模塊（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，SD卡內(nèi)儲存的檔案， 將透過喇叭播放。

圖4 : 語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，語音模塊之音頻訊號輸出采用 TDA7266 音頻功率放大模塊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塊的 OUT1+及 OUT1-接在一起，以便將語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

藍牙之控制電路與工作原理

圖6為本系統(tǒng)藍牙模塊(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可透過藍牙模塊將關(guān)數(shù)據(jù)傳給手機上 以及讀取手機傳過來的數(shù)據(jù)。

圖6 : 藍牙模塊之控制電路圖

重量感測模塊之控制電路與工作原理

圖7為重量感測模塊之控制電路圖，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(zhuǎn)換芯片對重量傳感器的曲線變化來進行轉(zhuǎn)換，本作品利用 PG.3、PG.2 分別連至重量感測模塊的 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 : 重量感測模塊之控制電路圖

RTC 時間模塊之控制電路與工作原理

圖8為 RTC 時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 模塊上的時間。

圖8 : RTC 時間模塊之控制電路圖

壓力感測模塊之控制電路與工作原理

圖9為壓力感測模塊之控制電路圖。施加壓力后，電阻會變小。壓力感測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)壓力傳感器偵測到有壓力時，經(jīng)由接腳2送出一個訊號至HT66F70A的PE.7，當(dāng)微控制器偵測到 PH.4=0就會啟動系 統(tǒng)中相關(guān)的模塊。

圖9 : 壓力感測模塊之控制電路圖

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，晶體管截止繼電器不導(dǎo)通，此時電暖器不會啟動，反之當(dāng)微控制器透過PD.5 送出一低電位的訊號時，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，會因為電磁感應(yīng)的關(guān)系而改接至NO腳位而形成一回路，結(jié)果電暖器就會被啟動，令室內(nèi)的溫度上升。

圖10 : 電暖器之控制電路圖

動開關(guān)之控制電路與工作原理

圖11為微動開關(guān)之控制電路圖，左右微動開關(guān)都是可驅(qū)動窗簾的步進馬達停止轉(zhuǎn)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(guān)的接腳C，用來控制馬達停止轉(zhuǎn)動之用。當(dāng)用來控制窗簾關(guān)閉的微動開關(guān)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(zhuǎn)動，以避免馬達繼續(xù)轉(zhuǎn)動而損壞。

圖11 : 微動開關(guān)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(dāng)HT66F70A接腳PE.5送出高電位時，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，晶體管導(dǎo)通→繼電器導(dǎo)通→音樂播放 裝置啟動。

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(tǒng) LCD之控制電路圖， 主要功能為顯示 RTC 時間模塊的時間以及溫度傳感器測得的室內(nèi)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(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，來控制周圍的一些方塊圖，例如 RTC 時間模塊、光敏感測模塊、重量測壓模塊、溫度感測模塊、壓力感測模塊、液晶顯示器、步進馬達、風(fēng)扇、電暖器、電燈泡、音樂播放裝置、語音模塊、藍牙等組件。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，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時間模塊抓取現(xiàn)在時間，判斷目前是使用者平常醒 來的時段，并開始以下動作：經(jīng)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，可去噓寒問暖并向長輩請安了。

以上裝置啟動時，微控制器經(jīng)由 RTC時間模塊，設(shè)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(guān)閉。同時，系統(tǒng)會自動判斷室溫的高低，若溫度較高，風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動，令空氣流通，反之則啟動電暖器，讓室內(nèi)保暖，以產(chǎn)生舒適的溫度。

還有，當(dāng)系統(tǒng)的光敏感測模塊偵測到窗外的光源時，會驅(qū)動馬達帶動窗廉完全拉開或關(guān)閉，若偵測到光源，則完全關(guān)閉，反之則完全拉開。另外，本作品的重量感測模塊，可測量用戶水杯的重量，透過 RTC 時間模塊，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時間模塊、光敏感測模塊、重量測壓模塊、溫度感測模塊、壓力感測模塊、液晶顯示器、步進馬達、風(fēng)扇、電暖器、電燈泡、音樂播放裝置、語音模塊、藍牙等等組件，這些組件的測試方法如下所示。

**點亮室內(nèi)電燈測試方法

1.當(dāng) RTC 時間模塊的時間是早上時段時

2.按下壓力感測模塊

3.電燈泡會點亮

**音樂播放測試方法

1.當(dāng) RTC 時間模塊的時間是早上時段時

2.按下壓力感測模塊

3.音樂播放器會撥放音樂

**手機提示測試方法

1.當(dāng) RTC 時間模塊的時間是早上時段時

2.按下壓力感測模塊

3.微控制器會發(fā)送一封訊息到手機

**溫度控制風(fēng)扇測試方法

1.利用打火機令溫度感測模塊升溫

2.若溫度大于 30 度

3.則啟動風(fēng)扇

**溫度控制電暖器測試方法

1.利用冷卻水令溫度感測模塊降溫

2.若溫度小于 15 度

3.則啟動電暖器

**自動關(guān)窗簾測試方法

1.使用手電筒照射光敏感測模塊

2.模擬窗外有光線進入

3.步進馬達開始轉(zhuǎn)動，將窗簾完全關(guān)閉

**自動開窗簾測試方法

1.用遮蔽物擋住光敏感測模塊

2.模擬窗外無光線進入

3.步進馬達開始轉(zhuǎn)動，將窗簾完全關(guān)閉

**具偵測喝水量是否足夠測試方法

1.在重量感測模塊上放置水杯

2.將重量值，以克為單位顯示在 LCD 上

3.使用者未達喝水建議量，微控制器將會透 過語音提醒用戶