1. 引言

第七次人口普查公報(bào)[1]結(jié)果顯示，全國(guó)人口中65歲及以上人口為190,635,280人，占總?cè)丝跀?shù)的13.50%，其中65歲以上的獨(dú)居老人人口總數(shù)為1988萬(wàn)人，占65歲以上老人總數(shù)的10.43%。65歲以上老年人的前4大死亡原因分別是呼吸系統(tǒng)疾病、循環(huán)系統(tǒng)疾病、腫瘤和意外傷害[2]，而獨(dú)居老人在面對(duì)上述各種疾病或意外傷害時(shí)具有更高的死亡率[3]，這說(shuō)明獨(dú)居老人具有更大的健康風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)由于老年人生理機(jī)能變化，活動(dòng)量減少，行動(dòng)不便，缺乏照顧，他們發(fā)生意外傷害的可能性隨年齡的增長(zhǎng)而不斷上升，研究表明意外跌倒是我國(guó)老年人意外死亡的第一因素[4]，當(dāng)獨(dú)居老人發(fā)生意外跌倒時(shí)，若無(wú)法及時(shí)得到救助，可能危及生命，導(dǎo)致悲劇的發(fā)生。

本文設(shè)計(jì)的面向獨(dú)居老人的智能居家監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別聯(lián)動(dòng)服務(wù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)老人的需求做出相應(yīng)反應(yīng)；還能采用基于毫米波雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)方式檢測(cè)老人的姿態(tài)，并聯(lián)動(dòng)服務(wù)機(jī)器人；在出現(xiàn)老人摔倒或呼救等危險(xiǎn)情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)通過(guò)前端交互界面給家人發(fā)送警報(bào)，同時(shí)機(jī)器人能夠自動(dòng)導(dǎo)航至老人所在房間，提供應(yīng)急服務(wù)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)具體包含了五個(gè)功能模塊：云端服務(wù)器模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊、姿態(tài)檢測(cè)模塊、機(jī)器人聯(lián)動(dòng)服務(wù)模塊、前端交互模塊。

1.1. 研究現(xiàn)狀

隨著第四次科技革命推動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，養(yǎng)老服務(wù)水平也被極大地提升，部分智能家居技術(shù)也被用于養(yǎng)老服務(wù)中[5]?；陴B(yǎng)老的智能家居服務(wù)用于滿足老年人安全、獨(dú)立、健康和援助等需求，在照顧老年人方面發(fā)揮著重要作用[6]。當(dāng)前的智能家居的適老化研究主要集中在對(duì)老人身體健康指標(biāo)的監(jiān)測(cè)和老人異常狀態(tài)檢測(cè)，例如突然跌倒等。其中，在健康監(jiān)測(cè)方面有不少研究將智能手環(huán)與智能家居系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)老年人的健康檢測(cè)[7]，通過(guò)讓老年人佩戴包含加速度計(jì)、陀螺儀、脈搏傳感器和體溫傳感器的智能手環(huán)，采集這些數(shù)據(jù)送往中控平臺(tái)進(jìn)行分析，以獲得老年人的體溫和心跳頻率的健康狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)分析加速度計(jì)和陀螺儀的時(shí)序數(shù)據(jù)，推斷老年人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，判斷其是否有摔倒的跡象。同時(shí)國(guó)內(nèi)外也有利用視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)結(jié)合深度學(xué)習(xí)來(lái)檢測(cè)老人是否發(fā)生跌倒[8] [9]。但是調(diào)查顯示，穿戴類設(shè)備并不適合給老年人使用[10]，一是老年人容易遺忘佩戴設(shè)備；二是穿戴類設(shè)備容易丟失。基于視覺(jué)檢測(cè)的視頻監(jiān)控能夠完成非接觸式的摔倒檢測(cè)任務(wù)，但近幾年因?yàn)榧彝ゾW(wǎng)絡(luò)攝像頭遭到入侵而造成隱私泄露的事件層出不窮，大部分老年群體也并不希望時(shí)刻有攝像頭監(jiān)控自己。對(duì)于老人的緊急求助需求，目前的主流產(chǎn)品均為一鍵呼叫器，求助按鈕或隨身佩戴，或固定在房間某處，而固定在房間某處的呼叫器更是不便于甚至無(wú)法為突發(fā)危險(xiǎn)情況的老人提供緊急求助服務(wù)。調(diào)研市場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，目前面向老人的監(jiān)護(hù)產(chǎn)品還存在著功能單一、不成系統(tǒng)，只“監(jiān)”無(wú)“護(hù)”，即無(wú)法為發(fā)生危險(xiǎn)情況的獨(dú)居老人及時(shí)提供應(yīng)急服務(wù)的問(wèn)題。從關(guān)心獨(dú)居老人的健康狀況出發(fā)，針對(duì)上述的不足，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)突發(fā)危險(xiǎn)情況，且能根據(jù)需求提供便利服務(wù)的面向獨(dú)居老人的智能居家監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

1.2. 本系統(tǒng)特色

本文面向獨(dú)居老人的智能居家監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的特色有以下三點(diǎn)：

第一，我們采用毫米波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)老人的姿態(tài)檢測(cè)，克服了主流摔倒檢測(cè)產(chǎn)品的局限性。基于毫米波雷達(dá)的姿態(tài)檢測(cè)是非接觸式的檢測(cè)方式，克服了穿戴類設(shè)備的不足；同時(shí)也解決了基于視覺(jué)的視頻監(jiān)控的痛點(diǎn)，既防止隱私泄露，也滿足了老人不愿意被監(jiān)視的心理需求。

第二，我們使用語(yǔ)音識(shí)別的方式解決獨(dú)居老人的求助需求。只要在房間內(nèi)布置一個(gè)語(yǔ)音識(shí)別模塊，老人在該房間內(nèi)的求助語(yǔ)音都能夠被接收并發(fā)送給家人，相比按鈕求助類產(chǎn)品更加方便。

第三，我們將姿態(tài)檢測(cè)功能和語(yǔ)音識(shí)別功能組成系統(tǒng)，并在系統(tǒng)內(nèi)添加了機(jī)器人聯(lián)動(dòng)服務(wù)模塊。服務(wù)機(jī)器人能夠根據(jù)姿態(tài)檢測(cè)模塊和語(yǔ)音識(shí)別模塊檢測(cè)到的信息提供相應(yīng)的服務(wù)，解決了只“監(jiān)”無(wú)“護(hù)”的問(wèn)題。

2. 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文基于云–邊–端架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了面向獨(dú)居老人的智能居家監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，其主要功能有云端服務(wù)器、感知控制和應(yīng)用服務(wù)，總體功能架構(gòu)如圖1所示。

Figure 1. Overall functional architecture diagram of the system

圖1. 系統(tǒng)總體功能架構(gòu)圖

云端服務(wù)器為系統(tǒng)內(nèi)部各模塊提供通信服務(wù)。

感知控制方面，語(yǔ)音識(shí)別模塊主要對(duì)老人的語(yǔ)音需求進(jìn)行感知，采用R329開(kāi)發(fā)板[11]作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該模塊可以識(shí)別到老人的關(guān)鍵詞需求，比如喝水、救命等，并向云端服務(wù)器下的相應(yīng)話題發(fā)布對(duì)應(yīng)的需求信息。

姿態(tài)檢測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)以非接觸式檢測(cè)識(shí)別老人在房間內(nèi)的姿態(tài)，采用毫米波雷達(dá)以及基于RK3399芯片的EAIDK610開(kāi)發(fā)平臺(tái)[12]進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。該模塊可以識(shí)別房間內(nèi)老人是否摔跤以及一些常見(jiàn)姿態(tài)，并向云端服務(wù)器下的相應(yīng)話題發(fā)布對(duì)應(yīng)的姿態(tài)信息。

機(jī)器人聯(lián)動(dòng)服務(wù)模塊主要負(fù)責(zé)在老人有相應(yīng)需求或者有危險(xiǎn)時(shí)能夠及時(shí)提供幫助或發(fā)送警報(bào)。通過(guò)使用EAIDK610開(kāi)發(fā)平臺(tái)控制機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人聯(lián)動(dòng)服務(wù)模塊。它可以訂閱語(yǔ)音識(shí)別模塊和姿態(tài)檢測(cè)模塊的話題，從云端服務(wù)器接收到對(duì)應(yīng)話題的信息，然后控制服務(wù)機(jī)器人做出對(duì)應(yīng)行動(dòng)。

應(yīng)用服務(wù)方面，前端交互模塊由微信小程序?qū)崿F(xiàn)，用戶可以進(jìn)入房間頁(yè)面查看各房間狀況、語(yǔ)音需求以及危險(xiǎn)情況報(bào)警等，使家人能夠遠(yuǎn)程關(guān)注老人在對(duì)應(yīng)房間的狀態(tài)信息。

3. 語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別模塊使用到的硬件設(shè)備為采用ARM v8架構(gòu)的R329開(kāi)發(fā)板。它基于全志R329芯片設(shè)計(jì)，搭載雙核ARM CortexTM-A53，同時(shí)內(nèi)置高性能的周易AIPU處理器，使得它支持智能語(yǔ)音和視頻圖像處理，也能夠直接跑一些人臉識(shí)別模型、語(yǔ)音識(shí)別模型等。在本模塊中，R329主要用于部署語(yǔ)音識(shí)別模型實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵詞識(shí)別功能，能夠在識(shí)別老人關(guān)鍵詞需求后發(fā)送相應(yīng)需求信息給云端服務(wù)器的對(duì)應(yīng)話題下。

考慮了多種老人在家可能提出的需求，并借助關(guān)鍵詞識(shí)別功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)這些需求的幾種不同關(guān)鍵詞的識(shí)別，語(yǔ)音識(shí)別模塊在識(shí)別到關(guān)鍵詞后向云端服務(wù)器下的相應(yīng)話題發(fā)布該關(guān)鍵詞對(duì)應(yīng)的需求信息。比如，當(dāng)老人在房間1發(fā)出“喝水”“送水”“渴了”等需求時(shí)，語(yǔ)音識(shí)別模塊會(huì)識(shí)別這三個(gè)關(guān)鍵詞，并向服務(wù)器下的“room1_sr”話題發(fā)布信息“drink”；當(dāng)老人在房間2發(fā)出“救命”“有人嗎”等需求時(shí)，語(yǔ)音識(shí)別模塊會(huì)識(shí)別這兩個(gè)關(guān)鍵詞，并向服務(wù)器下的“room2_sr”話題發(fā)布信息“help”。

選取到適合居家助老服務(wù)環(huán)境下的模型參數(shù)，采用了不同尺寸的語(yǔ)言模型和不同的模型輸入長(zhǎng)度，并對(duì)其識(shí)別錯(cuò)誤率和延遲時(shí)間進(jìn)行比較，得出最后的模型參數(shù)選擇。

1) 模型輸入長(zhǎng)度選擇。取聲學(xué)模型am_7332，語(yǔ)言模型lmS，語(yǔ)音聲音在50 dB左右，我們修改模型輸入長(zhǎng)度分別為128，192，256進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)果如表1所示。

Table 1. Average error rate and delay time under different model input lengths

表1. 不同模型輸入長(zhǎng)度下的平均錯(cuò)誤率和延遲時(shí)間

通過(guò)分析表1結(jié)果，當(dāng)模型輸入長(zhǎng)度選取192時(shí)，識(shí)別率和長(zhǎng)度為256時(shí)一樣高，同時(shí)相比之下也具有更及時(shí)的響應(yīng)。因此將模型輸入長(zhǎng)度設(shè)置為192。

2) 模型尺寸選擇。取聲學(xué)模型am_7332，語(yǔ)音聲音在50 dB左右，模型輸入長(zhǎng)度為192，我們修改語(yǔ)言模型尺寸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)果如表2所示。

通過(guò)分析表2結(jié)果，三種尺寸識(shí)別率相差不大。因此，我們選擇模型lmS部署到開(kāi)發(fā)板上，這樣可以占用最少的內(nèi)存，同時(shí)該模型0.862的識(shí)別率也較高，足夠滿足識(shí)別語(yǔ)音的需求。

Table 2. Average error rate and delay time for different language model sizes

表2. 不同語(yǔ)言模型尺寸下的平均錯(cuò)誤率和延遲時(shí)間

3) 為了使該模塊根據(jù)關(guān)鍵詞識(shí)別概率向服務(wù)器發(fā)送對(duì)應(yīng)消息，需要設(shè)定一個(gè)概率限值來(lái)標(biāo)識(shí)確實(shí)成功識(shí)別到關(guān)鍵詞。取聲學(xué)模型am_7332，語(yǔ)言模型lmS，模型輸入長(zhǎng)度為192，用不同分貝音量，在不同距離下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)果如表3所示。

Table 3. Recognition probabilities at different decibel volumes and distances

表3. 不同分貝音量和不同距離下的識(shí)別概率

由表3中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，當(dāng)聲音較小時(shí)識(shí)別概率會(huì)大幅降低，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)模塊也能采取到關(guān)鍵詞但識(shí)別概率都低于0.01。因此，考慮到老人遇到緊急情況身體較虛弱聲音不大，同時(shí)排除房間外的其他聲音干擾，我們將概率限值設(shè)為0.1。當(dāng)模塊的關(guān)鍵詞識(shí)別概率高于0.1，語(yǔ)音識(shí)別模塊就會(huì)向服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)信息。

4. 姿態(tài)檢測(cè)模塊

姿態(tài)檢測(cè)模塊所需要使用的硬件設(shè)備主要是TI公司型號(hào)為IWR6843ISK的毫米波雷達(dá)和采用ARM架構(gòu)的RK3399芯片人工智能開(kāi)發(fā)平臺(tái)EAIDK610開(kāi)發(fā)板。在本模塊中EAIDK610用于部署姿態(tài)檢測(cè)模型，完成從毫米波雷達(dá)獲取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理，推理得出姿態(tài)檢測(cè)結(jié)果并通過(guò)云端服務(wù)器將報(bào)警信息發(fā)送到用戶客戶端的功能。

Figure 2. Overall architecture of attitude detection module

圖2. 姿態(tài)檢測(cè)模塊總體架構(gòu)

姿態(tài)檢測(cè)模塊的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，毫米波雷達(dá)通過(guò)發(fā)射一定頻率的電磁波并利用多普勒效應(yīng)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)物體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，即當(dāng)范圍內(nèi)的物體靠近雷達(dá)時(shí)會(huì)收到頻率更高的回波，遠(yuǎn)離時(shí)會(huì)受到頻率更底的回波，以此計(jì)算物體與毫米波雷達(dá)之間的位置關(guān)系及物體的速度，這類計(jì)算在硬件內(nèi)部即可完成，生成四元組數(shù)據(jù)。EAIDK610開(kāi)發(fā)板接收毫米波雷達(dá)所發(fā)布的話題獲得該四元組，并通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理之后獲得固定大小的網(wǎng)絡(luò)輸入后送入輕量CNN分類網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推理。推理結(jié)果發(fā)送至云端服務(wù)器，并通過(guò)服務(wù)器將該結(jié)果發(fā)送至應(yīng)用服務(wù)層的微信小程序，以實(shí)現(xiàn)提示、報(bào)警功能。

4.1. 數(shù)據(jù)集的構(gòu)建與數(shù)據(jù)預(yù)處理

毫米波雷達(dá)被設(shè)定為只檢測(cè)并發(fā)送范圍內(nèi)活動(dòng)物體的四元組信息，這使得在開(kāi)發(fā)板訂閱毫米波雷達(dá)所發(fā)送的四元組數(shù)據(jù)并推理的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)截?cái)嗟目赡??？紤]到人體姿態(tài)活動(dòng)是一種具有時(shí)序性之的一系列連續(xù)活動(dòng)，在網(wǎng)絡(luò)推理的過(guò)程中需要利用到序列的信息，并且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的輸入需要固定維度大小，因此在訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)階段和推理預(yù)處理階段都設(shè)計(jì)了一種等待隊(duì)列如下圖3所示，保證在收到固定大小為的N = 90個(gè)四元組數(shù)據(jù)點(diǎn)之后才打包成[90, 4]的矩陣，作為網(wǎng)絡(luò)的輸入送至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行推理，提高了網(wǎng)絡(luò)推理的穩(wěn)定性與推理結(jié)果的準(zhǔn)確性。

Figure 3. Waiting queue

圖3. 等待隊(duì)列

4.2. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與訓(xùn)練

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的具體結(jié)構(gòu)如下圖4所示。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主干由7個(gè)部分構(gòu)成，四元組點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)等待隊(duì)列打包之后作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入傳入至網(wǎng)絡(luò)之中，以此經(jīng)過(guò)批標(biāo)準(zhǔn)化、卷積層、池化層、Dropout層、Flatten層和全連接層后輸出最終的四分類結(jié)果。

Figure 4. Neural network structure

圖4. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)所使用的硬件配置為：AMD Ryzen 9 5900HS，主頻3.3 GHz，8核16線程；加速顯卡NVIDIA GeForce RTX3050Ti 8 GB顯存。使用后端為TensorFlow-GPU v2.11.0的Keras v2.11.0作為訓(xùn)練模型的深度學(xué)習(xí)庫(kù)。訓(xùn)練使用的數(shù)據(jù)集總數(shù)為24,404個(gè)，4個(gè)不同的標(biāo)簽各占6101個(gè)。訓(xùn)練開(kāi)始前，先用shuffle函數(shù)對(duì)從ROSBAG中處理得到的數(shù)據(jù)集進(jìn)行隨機(jī)打亂，然后使用train_test_split函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)集切分，數(shù)據(jù)集總數(shù)的80%作為訓(xùn)練集，20%作為測(cè)試集。在訓(xùn)練過(guò)程中，將訓(xùn)練集的20%作為驗(yàn)證集以評(píng)估模型的訓(xùn)練效果。訓(xùn)練中設(shè)置學(xué)習(xí)率為0.0005，epochs設(shè)定為40，batch_size設(shè)定為128。模型訓(xùn)練過(guò)程中的損失函數(shù)如圖5所示，在驗(yàn)證集上的loss為0.00897，準(zhǔn)確率達(dá)到99.63%。

Figure 5. Loss function diagram

圖5. 損失函數(shù)圖

4.3. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試

經(jīng)過(guò)訓(xùn)練階段的拆分，得到的測(cè)試集分布為falling、sitting、standing、walking的標(biāo)簽各有1194、1286、1189、1212個(gè)。將測(cè)試數(shù)據(jù)集和標(biāo)簽輸入到訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)之中進(jìn)行測(cè)試，得到預(yù)測(cè)結(jié)果如下圖6所示。訓(xùn)練得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在測(cè)試集上的總體準(zhǔn)確率達(dá)到99.63%，其錯(cuò)報(bào)的幾率不足0.5%，能夠滿足對(duì)身處臥室、浴室或客廳等各種場(chǎng)所的老人進(jìn)行姿態(tài)檢測(cè)的需要。

Figure 6. Test set prediction results

圖6. 測(cè)試集預(yù)測(cè)結(jié)果

為了試驗(yàn)姿態(tài)檢測(cè)模塊識(shí)別準(zhǔn)確率，還設(shè)置了七輪測(cè)試：測(cè)試者在每一輪的測(cè)試中以隨機(jī)順序做站、坐、走、摔倒四個(gè)動(dòng)作，并記錄下當(dāng)時(shí)的識(shí)別結(jié)果，如表4所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出，姿態(tài)檢測(cè)模塊的識(shí)別率較高，只發(fā)生了一次誤判，該次誤判可能是因?yàn)闇y(cè)試者測(cè)試時(shí)動(dòng)作之間銜接過(guò)快。

Table 4. Recognition results of testers’ actions in different test wheels

表4. 不同測(cè)試輪中對(duì)測(cè)試者動(dòng)作的識(shí)別結(jié)果

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于基于毫米波雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的人體活動(dòng)識(shí)別有較高的準(zhǔn)確率，可以完成對(duì)人體姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)的任務(wù)，并與其他模塊結(jié)合進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

5. 機(jī)器人聯(lián)動(dòng)服務(wù)模塊

機(jī)器人服務(wù)功能主要分為兩類。一類為語(yǔ)音服務(wù)，即機(jī)器人通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊響應(yīng)老人的語(yǔ)音指令，目前實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人送水到老人所在房間、老人不需要機(jī)器人后命令其返回充電座兩個(gè)功能用于展示。一類為老人異常應(yīng)急服務(wù)，即在語(yǔ)音識(shí)別模塊或姿態(tài)檢測(cè)模塊識(shí)別到老人出現(xiàn)異常狀況時(shí)，能夠自動(dòng)導(dǎo)航至相應(yīng)房間，送來(lái)急救藥物、拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片并上傳至服務(wù)器，使家人能通過(guò)小程序及時(shí)了解老人狀態(tài)并采取緊急措施。

EAIDK610微處理器平臺(tái)主要負(fù)責(zé)控制機(jī)器人的邏輯行為，機(jī)器人的功能建立在導(dǎo)航的基礎(chǔ)上，導(dǎo)航需要地圖，因此首先需要在家中通過(guò)激光雷達(dá)掃描建立平面地圖。成熟的建圖方法眾多，根據(jù)任務(wù)場(chǎng)景選擇了在小場(chǎng)景下建圖算力消耗較少且地圖精度較高的Gmapping算法。選擇Navigation Stack作為導(dǎo)航框架，該框架由多個(gè)導(dǎo)航組件構(gòu)成，其中核心組件map_server用于加載建圖算法創(chuàng)建的地圖；amcl算法估計(jì)機(jī)器人在地圖中的位姿；move_base用于路徑規(guī)劃和控制機(jī)器人的行動(dòng)，其中包括了全局路徑規(guī)劃器(A*算法)和局部軌跡規(guī)劃器(TEB算法)。這些組件共同工作，令機(jī)器人能夠在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。

服務(wù)機(jī)器人的部署分兩步，一是創(chuàng)建家里的平面地圖，二是手動(dòng)標(biāo)記各個(gè)房間的導(dǎo)航目標(biāo)點(diǎn)以及機(jī)器人的充電座。首先開(kāi)啟激光雷達(dá)和Gmapping節(jié)點(diǎn)，遙控機(jī)器人在家中各個(gè)房間探索，探索完畢后保存地圖。然后開(kāi)啟編寫好的房間標(biāo)記節(jié)點(diǎn)，通過(guò)可視化工具RVIZ依次標(biāo)記各個(gè)房間的目標(biāo)點(diǎn)，這些目標(biāo)點(diǎn)會(huì)保存至文檔中，供后續(xù)聯(lián)動(dòng)服務(wù)使用。至此，機(jī)器人的前期部署完成。

機(jī)器人的聯(lián)動(dòng)時(shí)序圖如圖7。

當(dāng)老人發(fā)出正常的語(yǔ)音指令，比如“送水”時(shí)，語(yǔ)音識(shí)別模塊能夠識(shí)別出來(lái)并通過(guò)云端服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)指令至機(jī)器人控制模塊，機(jī)器人控制模塊則會(huì)發(fā)布導(dǎo)航目標(biāo)點(diǎn)，使服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航到老人所在的房間；當(dāng)老人希望機(jī)器人離開(kāi)房間時(shí)，說(shuō)一聲“回去”，機(jī)器人就會(huì)收到相應(yīng)指令并導(dǎo)航至充電座；而當(dāng)老人發(fā)生意外，比如心臟不舒服，呼喊“救命”時(shí)，或者是摔倒時(shí)，語(yǔ)音識(shí)別模塊或姿態(tài)檢測(cè)模塊能夠及時(shí)檢測(cè)到異常并上報(bào)服務(wù)器，服務(wù)器將相關(guān)消息轉(zhuǎn)發(fā)至微信小程序和機(jī)器人控制模塊，此時(shí)機(jī)器人控制模塊收到求救指令并控制帶著急救藥物的機(jī)器人導(dǎo)航至指定房間，拍攝照片并上傳至服務(wù)器，家人可以及時(shí)通過(guò)小程序看到老人的情況，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施幫助老人脫離險(xiǎn)境。

Figure 7. Sequence diagram of robot linkage service

圖7. 機(jī)器人聯(lián)動(dòng)服務(wù)時(shí)序圖

6. 云端服務(wù)器

采用MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)協(xié)議作為系統(tǒng)內(nèi)部通信方式，同時(shí)把mqtt服務(wù)器和用于反向代理的nginx服務(wù)器都采用docker容器的方式部署在云服務(wù)器中。

mqtt服務(wù)器與各模塊通信如圖8。mqtt服務(wù)器與語(yǔ)音識(shí)別模塊、姿態(tài)檢測(cè)模塊、機(jī)器人聯(lián)動(dòng)服務(wù)模塊之間可以直接使用mqtt協(xié)議通信。

Figure 8. Schematic diagram of communication between mqtt server and various modules

圖8. mqtt服務(wù)器與各模塊通信示意

mqtt服務(wù)器與前端通信較為復(fù)雜。由于微信小程序必須使用wss (Secure WebSocket)協(xié)議保證通信安全，因此我們首先需要在mqtt服務(wù)器中將mqtt協(xié)議封裝在ws (WebSocket)協(xié)議中(配置mqtt overwebsocket功能)，由域名經(jīng)過(guò)ssl認(rèn)證的反向代理服務(wù)器nginx將ws協(xié)議升級(jí)為wss協(xié)議，最終完成mqtt服務(wù)器與微信小程序的通信。

7. 前端交互模塊

前端交互模塊基于微信小程序?qū)崿F(xiàn)了創(chuàng)建/刪除房間、查看房間狀態(tài)、調(diào)整房間狀態(tài)、查看歷史記錄、查看現(xiàn)場(chǎng)等功能，如圖9所示。

Figure 9. Front end function display

圖9. 前端功能展示

8. 系統(tǒng)測(cè)試

在測(cè)試之前，需要先對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)房間進(jìn)行部署，其中語(yǔ)音識(shí)別模塊在兩個(gè)房間都有部署，姿態(tài)檢測(cè)模塊只部署在房間1，機(jī)器人的充電基座(起始出發(fā)點(diǎn))設(shè)置在走廊，各模塊實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景部署如圖10所示。

Figure 10. Experimental scene diagram

圖10. 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖

Figure 11. The robot arrives at Room 2 and delivers water to the target navigation point

圖11. 機(jī)器人到達(dá)房間2目標(biāo)導(dǎo)航點(diǎn)送水

1) 語(yǔ)音識(shí)別與機(jī)器人聯(lián)動(dòng)功能

進(jìn)行語(yǔ)音服務(wù)需求的測(cè)試，測(cè)試者坐在房間2說(shuō)“喝水”，語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別到關(guān)鍵詞，并將對(duì)應(yīng)需求發(fā)到云端服務(wù)器的“room2_sr”話題下。機(jī)器人訂閱到信息后，導(dǎo)航至房間2為測(cè)試者送水。機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)導(dǎo)航點(diǎn)，并且小程序收到信息，如圖11所示。

進(jìn)行異常情況的語(yǔ)音需求測(cè)試，測(cè)試者在房間1呼喊“救命”，語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別到關(guān)鍵詞，并將對(duì)應(yīng)需求發(fā)到云端服務(wù)器的“room1_sr”話題下。機(jī)器人訂閱到信息后，就會(huì)導(dǎo)航到房間1為測(cè)試者送藥，并將目標(biāo)導(dǎo)航點(diǎn)處的照片通過(guò)云端服務(wù)器發(fā)送到小程序。在小程序中長(zhǎng)按房間1卡片，點(diǎn)擊“查看現(xiàn)場(chǎng)”，可以看到現(xiàn)場(chǎng)照片，如圖12所示。

Figure 12. Testers shout “help”, robots deliver medicine and take photos on site

圖12. 測(cè)試者呼喊“救命”，機(jī)器人送藥以及現(xiàn)場(chǎng)拍照

2) 姿態(tài)檢測(cè)與機(jī)器人聯(lián)動(dòng)功能

主要測(cè)試姿態(tài)檢測(cè)與機(jī)器人聯(lián)動(dòng)的功能，測(cè)試方法為在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地部署毫米波雷達(dá)和載有姿態(tài)檢測(cè)模塊的EAIDK610開(kāi)發(fā)板，測(cè)試者在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地做走、站、坐、摔倒四個(gè)動(dòng)作，觀察系統(tǒng)是否正確識(shí)別到姿態(tài)信息并將對(duì)應(yīng)信息發(fā)送到云端服務(wù)器，以及機(jī)器人是否及時(shí)、準(zhǔn)確地去到對(duì)應(yīng)房間的目標(biāo)導(dǎo)航點(diǎn)。

前期部署完成后，當(dāng)機(jī)器人訂閱到摔倒(“fall”)信息時(shí)，機(jī)器人聯(lián)動(dòng)服務(wù)模塊便會(huì)控制攜帶藥品的機(jī)器人到房間1的目標(biāo)導(dǎo)航點(diǎn)為摔倒的測(cè)試者送藥，并將警報(bào)信息和現(xiàn)場(chǎng)照片通過(guò)云端服務(wù)器發(fā)送到小程序顯示，如圖13所示。

Figure 13. Detecting a person’s fall and issuing an alarm through millimeter wave radar

圖13. 通過(guò)毫米波雷達(dá)檢測(cè)到人摔倒并警報(bào)

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)能較好的實(shí)現(xiàn)獨(dú)居老人居家監(jiān)護(hù)功能。

9. 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)社會(huì)老齡化程度的不斷加深的背景，本文提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種面向獨(dú)居老人的智能居家監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，基于云–邊–端架構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體功能框架，包括了云端服務(wù)器，部署到端設(shè)備上的語(yǔ)音識(shí)別、姿態(tài)檢測(cè)、機(jī)器人聯(lián)動(dòng)服務(wù)、前端交互等功能模塊，并進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。