易推廣型空巢老人智能安全保障系統(tǒng)

中南大學(xué)機電工程學(xué)院 信國強 劉卓兮 張基鈞 江志奇

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易推廣型空巢老人智能安全保障系統(tǒng)

中南大學(xué)機電工程學(xué)院 信國強 劉卓兮 張基鈞 江志奇

【摘要】該項目利用stm32、多傳感器網(wǎng)絡(luò)、ZigBee、sim900等模塊，立足于我國老齡化日漸嚴(yán)重、空巢老人數(shù)量增多的現(xiàn)實情況，研究出一套可靠、價廉的空巢老人安全保障系統(tǒng)，旨在保障家中沒有子女照顧、獨自生活的老人的安全。該系統(tǒng)區(qū)別于實時監(jiān)控和注重“控制”的智能家居，以多傳感器網(wǎng)絡(luò)為安全隱患的觸點，以stm32為中央處理單元，側(cè)重于在安全隱患發(fā)生時可自動予以解決或報警提示的功能。目前該系統(tǒng)可實現(xiàn)第二線路自動斷電、提醒即使關(guān)門、煙霧報警、智能防盜等基本功能，輔以定時備忘提示、夜行智能照明、緊急觸碰呼救等人性化拓展功能，力求捕捉老人生活中更多危險因素，注重自動處理和操作的便捷性，有效控制損失達(dá)到最低。

【關(guān)鍵詞】多傳感器網(wǎng)絡(luò)；安全保障系統(tǒng)；智能家居

一、研究背景

在中國經(jīng)濟快速發(fā)展、就業(yè)流動性大并且獨生子女政策實施已久的今天，老齡化日益嚴(yán)重、空巢老人的數(shù)量正在飛速增長。由于子女在外工作，老人不得不獨自生活，但是由于老人的年齡越來越大，身體狀況逐漸下降，記憶力也慢慢消退，特別是一些疾病如果得不到及時的救治則可能會導(dǎo)致很大的麻煩。針對目前市場上對空巢老人安全保障的研究現(xiàn)狀，本項目從空巢老人的實際需要出發(fā)，致力于研發(fā)一款廉價、高效、穩(wěn)定、可靠的空巢老人智能安全保障系統(tǒng)。項目的主旨是讓盡可能多的空巢和獨居老人用上這種安全保障系統(tǒng)，以對沒有子女在身邊照顧的老人形成一種安全和健康保障。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對于空巢老人安全保障和智能家居的研究已經(jīng)有了很多年的歷史，但是到現(xiàn)在還沒能得到大幅推廣，其中必定存在著許多難以克服的問題。

（一）國外研究現(xiàn)狀

芬蘭研發(fā)一套名為“活躍家庭生活”的居家養(yǎng)老科技產(chǎn)品，所有家電及地板都裝有感應(yīng)器，可以防止老人在家中不慎摔倒；患有老年癡呆癥的老人可在身上安裝GPS定位系統(tǒng)，離開居所一定距離后會自動報警并定位。［1］

日本企業(yè)開發(fā)出一種機器看護服務(wù)系統(tǒng)，通過在電視或微波爐等家電上加裝一種傳感器，每天定時將傳感器自動測得的家電使用時間等信息，用電子郵件發(fā)送給老人子女。一旦超過24小時仍無任何反應(yīng)時便會發(fā)出緊急郵件，在自然守護老人安全的同時，為身在異地的子女送去放心。

（二）國內(nèi)研究現(xiàn)狀

武漢的一家公司運用科技力量，使醫(yī)療人員以老年人客戶的健康檔案為基礎(chǔ)，結(jié)合各種智能終端所采集（監(jiān)測）到的數(shù)值（包括體溫、血壓、脈搏、體重和心電圖等），對客戶的健康危險因素進(jìn)行監(jiān)測（發(fā)現(xiàn)健康問題）并及時告知客戶（認(rèn)識健康問題）。

東方博思根據(jù)運行10年的智能傳感系統(tǒng)，創(chuàng)新出一套利用安裝在和老人生活有關(guān)的物品或場所的傳感器，對老人的日常生活進(jìn)行記錄，并時刻進(jìn)行監(jiān)測。［3］

（三）綜上可知，目前市場上的智能家居和養(yǎng)老的結(jié)合有以下不足

1.智能家居系統(tǒng)普遍價格過高，無法大面積進(jìn)行推廣；

2.過度智能化，其目標(biāo)人群更適合年輕一代；

3.傾向于人的遠(yuǎn)程操控，而并非特殊情況下的系統(tǒng)自動處理；4.由于功能過多，對硬件的質(zhì)量及其配合要求過高。

三、項目總體介紹

本研究項目旨在開發(fā)一套便于安裝、擁有自動控制與處理能力的安全保障系統(tǒng)，使之能夠在無需過多操作的情況下自動識別危險信息，第一時間做出處理并提醒老人，從而有效降低損害，在分擔(dān)子女壓力的同時保障空巢老人的生命和財產(chǎn)安全。［4］

考慮到系統(tǒng)需要在充分保護老人隱私的基礎(chǔ)上，全范圍精確采集危險信息并采取合理的止損措施，團隊初步制定了由各類傳感器網(wǎng)絡(luò)作為信息收集元件，由單片機作為中央處理單元統(tǒng)一收集信息進(jìn)行匯總處理的系統(tǒng)方案。最初團隊把預(yù)期目標(biāo)定位在針對空巢老人出門忘記鎖門、忘記關(guān)閉煤氣、緊急情況無法快速聯(lián)絡(luò)子女等迫切的安全隱患問題上，初步選定了超聲波傳感器、熱釋電紅外傳感器、火情傳感器、煙霧傳感器等信息獲取元件，后期又陸續(xù)加入了紅外對管、光敏傳感器及ZigBee模塊，使保障系統(tǒng)的功能范圍得到有效擴展。［5］在臨近結(jié)題之際，團隊提出了兩種可行的安裝方案，分別使用與不同性質(zhì)的消費類別，保障系統(tǒng)最終能夠?qū)粘怖先松顚崿F(xiàn)關(guān)門提醒、火情提醒、無人自動斷電、起夜自動照明、盜竊提醒以及緊急情況快速呼救等功能，具有良好的市場應(yīng)用前景。

鑒于我國已經(jīng)進(jìn)入人口老齡化快速發(fā)展階段，2030年空巢老人將超過2億的嚴(yán)峻現(xiàn)狀，相信本研究成果能夠?qū)淆g社會群體做出較為可觀的貢獻(xiàn)。

四、系統(tǒng)功能及成果

項目成果為一套較為完善的空巢老人安全保障系統(tǒng)，其預(yù)期功能有以下九個方面：

（一）第二線路無人自動斷電

1.功能簡介

老人的記憶力普遍有明顯的衰弱現(xiàn)象，一旦出門忘記斷電，除不必要的電力損失之外，可能由于大功率電器短路引起火災(zāi)，造成老人的健康和財產(chǎn)損失。無人自動斷電的功能效果為在老人外出5分鐘左右由單片機控制家庭第二線路，在保障24小時必要供電的電器正常工作下為其他電器自動斷電。此措施能夠輔助老人降低安全隱患，具有良好的應(yīng)用價值。

2.選用器件

中央控制單片機、熱釋電紅外傳感器、家庭第二線路繼電器等。

3.功能原理

實現(xiàn)該功能的基本流程為：熱釋電紅外傳感器通過檢測人體紅外信號判斷室內(nèi)是否有人，在紅外信號持續(xù)消失的5分鐘之后，由單片機控制繼電器切斷第二線路電源。

（二）氣體泄漏報警

1.功能簡介

關(guān)閉煤氣閥門是常人容易遺忘的關(guān)乎生命安全的事項，對記憶力減退的老人來說更易疏漏，因此，煤氣泄漏的防范應(yīng)及時而盡早。MQ-2氣敏傳感器對可燃危險氣體具有敏感的探測能力，能夠先于人體嗅覺識別危險。［7］氣體泄漏功能以氣敏傳感器為主要器件，對于幫助記憶衰退的老人擺脫險情，其作用至關(guān)重要。

2.選用器件

中央控制單片機、MQ-2氣敏傳感器等。

3.功能原理

實現(xiàn)該功能的基本流程為：MQ-2氣敏傳感器通過檢測室內(nèi)是否有可燃危險氣體，在檢測到危險信息后發(fā)送高電平信號至單片機，由單片機控制語音模塊播放有關(guān)煤氣泄漏的預(yù)置提示語音，提醒老人關(guān)閉煤氣，從而在煤氣泄漏微弱的第一時間切斷險情的進(jìn)一步發(fā)生。

（三）煙霧報警

1.功能簡介

火災(zāi)發(fā)生的原因有很多，例如電線短路引起可燃物燃燒、易燃物品誤放在高溫物體附近引起自燃以及大功率電器的錯誤使用等等。一旦火災(zāi)發(fā)生時，空巢老人由于身體不便，逃生十分不易。煙霧報警功能以火焰?zhèn)鞲衅鳛橹饕骷?，結(jié)合家庭第二線路繼電器，能夠?qū)崿F(xiàn)在第一時間提醒老人，在恰當(dāng)時刻關(guān)閉第二線路，從而有效防止災(zāi)情擴展，達(dá)到及早提醒，輔助處理的效果。

2.選用器件

中央控制單片機、火焰?zhèn)鞲衅?，家庭第二線路繼電器等。

3.功能原理

實現(xiàn)該功能的基本流程為：火焰?zhèn)鞲衅魍ㄟ^檢測室內(nèi)是否有明火火焰，在檢測到險情后發(fā)送高電平信號至單片機，由單片機控制語音模塊播放有關(guān)火災(zāi)發(fā)生的預(yù)置提示語音，提醒老人視情況選擇查看處理或逃生。如單片機檢測到持續(xù)5分鐘危險信號仍未終止，則控制第二線路繼電器斷電，從電力方面減少火災(zāi)進(jìn)一步擴展的可能性。

（四）水開自動報警

1.功能簡介

空巢和獨居老人由于年齡逐漸增大、記憶力衰退，如果因為一時忘記而導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)等危險則會得不償失，所以我們團隊針對這種情況，特開發(fā)了此項水開自動報警功能。此功能需配合上文中的第一項功能使用，當(dāng)家中有人存在時，此時無法實現(xiàn)第二線路的自動斷電功能，那么利用此功能在檢測到水開的時候通過中央控制單元的控制可以發(fā)出報警聲音，提醒老人前去關(guān)閉電源，防止發(fā)生意外危險。

2.所需元件

水蒸氣氣體傳感器 TGS2180、中央控制單元stm32、蜂鳴器等。

3.功能原理

該功能利用TGS2180傳感器的檢測范圍廣、對水蒸氣高敏感度、耐高溫、長壽命、低功耗等優(yōu)良特性安置在電磁爐燒水傳感檢測范圍內(nèi)，當(dāng)水開水蒸氣濃度達(dá)到一定閾值時，TGS2180傳感器會發(fā)生輸出變化，通過stm32中央控制來驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出特殊響聲達(dá)到報警提醒的目的。

（五）長時間開門報警提醒

1.功能簡介

在實際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)有很多老人在出門時忘記關(guān)閉防盜門的現(xiàn)象，老人可能因為思考其他問題或一些特殊原因?qū)е峦浟岁P(guān)門，這就對家庭財產(chǎn)安全構(gòu)成了威脅，容易導(dǎo)致不法分子趁機而入。我們開發(fā)的此功能即是針對此種情況，在房屋房門打開一定時間后發(fā)出“請關(guān)閉房門”的提醒聲音，以用來提示老人不要忘記關(guān)門，從而避免了安全隱患。

2.所需元件

超聲波傳感器、功能控制單元C51、語音模塊等。

3.功能原理

該功能利用超聲波傳感器對距離的靈敏性、低功耗、易安裝等優(yōu)良特點，通過調(diào)節(jié)傳感器安裝位置距房門的距離和傳感器的測量閾值，在房門打開后，傳感器檢測到距離變化，輸出發(fā)生改變，通過C51驅(qū)動事先已經(jīng)做好錄音工作的語音模塊，用語音提醒老人進(jìn)行關(guān)門操作。

（六）定時提醒

1.功能簡介

隨著老人年齡越來越大，記憶力也越來越差，但是做什么事都沒有人提醒，比如要按時吃藥，如果沒有多年養(yǎng)成這個習(xí)慣的話，有時就很有可能會忘記吃藥，導(dǎo)致一些不必要的麻煩。

在這款系統(tǒng)上安裝定時器，采用語音提醒技術(shù)，子女可以根據(jù)老人的要求和其他因素預(yù)先設(shè)置提醒的時間和內(nèi)容，到了設(shè)置的時間，系統(tǒng)會自動提醒老人該做什么事情，這樣就大大減少了因記憶力減退而出現(xiàn)失誤的狀況發(fā)生。

2.所需元件

用戶輸入設(shè)備、中央控制單元stm32、語音模塊等。

3.功能原理

該功能通過人機交互，子女可以在用戶輸入設(shè)備上進(jìn)行定時和添加事項，通過stm32的時鐘芯片，可以在指定的時間驅(qū)動語音模塊發(fā)出不同事項的語音體醒，比如在早晚特定時間語音模塊會發(fā)出幾次“請記得服藥”等聲音，以達(dá)到提醒老人按時吃藥保證健康的目的。

（七）夜間燈自啟動

1.功能簡介

由于現(xiàn)代房屋的構(gòu)造，很多房間床附近都沒有燈的開關(guān)，這樣老人在晚上起床去洗手間會很不方便，可能會因為看不清楚而導(dǎo)致碰到房內(nèi)設(shè)施甚至絆倒，對老人的身體健康安全性構(gòu)成了較大的威脅。針對此類情況，開發(fā)的此項目功能可以在老人夜間下床時自動監(jiān)測到并自啟動房間和客廳的燈光以為老人照亮路防止發(fā)生危險。

2.所需元件

紅外對管傳感器、光敏傳感器、中央控制單元stm32等。

3.功能原理

利用紅外對管傳感器檢測遮擋物的靈敏性和光敏傳感器檢測房間亮度的靈敏性，將紅外對管傳感器布置到當(dāng)老人臥室床的側(cè)下方，光敏傳感器布置到房內(nèi)亮度較均勻的地方，當(dāng)夜晚來臨房間內(nèi)亮度變暗，光敏傳感器輸出會發(fā)生變化，當(dāng)老人就寢后夜間下床時會觸發(fā)紅外傳感器的輸出變化，通過stm32的中央調(diào)控，當(dāng)二者的輸出同時改變時，控制燈自啟動，達(dá)到一定的時間后再次熄滅，保證了老人在夜間下床后的一些列動作可以得到有效安全保障。

（八）夜間自動布防

1.功能簡介

由于很多入室盜竊事件都發(fā)生在夜晚，所以夜間的防衛(wèi)工作極其重要，空巢老人家中沒有青壯年保護，更容易受到不法分子的侵害，該系統(tǒng)可以在夜間自動啟動布防設(shè)施，當(dāng)家中有不法分子進(jìn)入時可以自動監(jiān)測到，并及時發(fā)出報警聲音并抓拍作為證據(jù)。

2.所需元件

攝像頭模塊、中央控制單元stm32、紅外對管傳感器、光敏傳感器、蜂鳴器等。

3.功能原理

將紅外對管傳感器安裝在防盜門、窗戶、陽臺等所有不法分子有可能進(jìn)入家中的地方，光敏傳感器安裝在房間的采光均勻位置，并調(diào)節(jié)好閾值，當(dāng)夜晚來臨暗度達(dá)到光敏傳感器閾值時輸出自動改變，當(dāng)這些紅外對管傳感器檢測到有人闖入時會通過stm32的自動控制驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出報警聲音并驅(qū)動攝像頭模塊對這些地方進(jìn)行抓拍。

（九）快捷應(yīng)急按鈕

1.功能簡介

空巢老人特別是獨居老人在家中無人照顧，一個人生活很可能會存在身體上的不適。特別是有急性病癥的老人，在發(fā)病時不能親自打電話向急救中心或子女求救，所以在家中多個位置安裝下應(yīng)急按鈕，可以在按下的時候就能自動以事先編輯好的短信方式通知子女和所在的居委會，以發(fā)送求救信號，收到短信的人可以及時通過電話、現(xiàn)場進(jìn)行確認(rèn)并及時撥打急救電話給予救助。［6］

2.所需元件

觸發(fā)按鈕、sim900模塊、中央控制單元stm32等。

3.功能原理

房間內(nèi)散布安裝的各個觸發(fā)快捷應(yīng)急按鈕與stm32相連，當(dāng)其中有一個被按下時，stm32收到其傳送來的信號，可以自動驅(qū)動sim900模塊自動向預(yù)設(shè)好的手機號發(fā)送短信以用來求救，收到求救信號的人在撥打電話或者現(xiàn)場確認(rèn)后可以及時的發(fā)現(xiàn)并提供救助。

參考文獻(xiàn)

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［2］嚴(yán)萍，張興敢，柏業(yè)超，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)［J］.南京大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，48（1）：26-32.

［3］沙英姿.基于物聯(lián)網(wǎng)的城市空巢老人智能家居設(shè)計研究［D］.北京交通大學(xué)，2014.

［4］王繼文.養(yǎng)老住宅智能化系統(tǒng)的研究與設(shè)計［D］.西安建筑科技大學(xué)，2014.

［5］周游，方濱，王普.基于ZigBee技術(shù)的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2005，31（9）：37-40.

［6］關(guān)世榮.家庭智能監(jiān)護報警裝置的研制［D］.吉林大學(xué)，2011.

［7］王文剛，代愛妮，王蕊，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能呼救系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子世界，2014（13）：13-14.

作者簡介：

信國強（1995—），男，山東人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于中南大學(xué)機電工程學(xué)院機械電子專業(yè)，研究方向：智能控制。

基金項目：中南大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（項目編號：201510533040）。