易推廣型空巢老人智能安全保障系統

中南大學機電工程學院 信國強 劉卓兮 張基鈞 江志奇

?

易推廣型空巢老人智能安全保障系統

中南大學機電工程學院 信國強 劉卓兮 張基鈞 江志奇

【摘要】該項目利用stm32、多傳感器網絡、ZigBee、sim900等模塊，立足于我國老齡化日漸嚴重、空巢老人數量增多的現實情況，研究出一套可靠、價廉的空巢老人安全保障系統，旨在保障家中沒有子女照顧、獨自生活的老人的安全。該系統區別于實時監控和注重“控制”的智能家居，以多傳感器網絡為安全隱患的觸點，以stm32為中央處理單元，側重于在安全隱患發生時可自動予以解決或報警提示的功能。目前該系統可實現第二線路自動斷電、提醒即使關門、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，有效控制損失達到最低。

【關鍵詞】多傳感器網絡；安全保障系統；智能家居

一、研究背景

在中國經濟快速發展、就業流動性大并且獨生子女政策實施已久的今天，老齡化日益嚴重、空巢老人的數量正在飛速增長。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狀，本項目從空巢老人的實際需要出發，致力于研發一款廉價、高效、穩定、可靠的空巢老人智能安全保障系統。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，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、國內外研究現狀

國內外對于空巢老人安全保障和智能家居的研究已經有了很多年的歷史，但是到現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）國外研究現狀

芬蘭研發一套名為“活躍家庭生活”的居家養老科技產品，所有家電及地板都裝有感應器，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，離開居所一定距離后會自動報警并定位。［1］

日本企業開發出一種機器看護服務系統，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，用電子郵件發送給老人子女。一旦超過24小時仍無任何反應時便會發出緊急郵件，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）國內研究現狀

武漢的一家公司運用科技力量，使醫療人員以老年人客戶的健康檔案為基礎，結合各種智能終端所采集（監測）到的數值（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行監測（發現健康問題）并及時告知客戶（認識健康問題）。

東方博思根據運行10年的智能傳感系統，創新出一套利用安裝在和老人生活有關的物品或場所的傳感器，對老人的日常生活進行記錄，并時刻進行監測。［3］

（三）綜上可知，目前市場上的智能家居和養老的結合有以下不足

1.智能家居系統普遍價格過高，無法大面積進行推廣；

2.過度智能化，其目標人群更適合年輕一代；

3.傾向于人的遠程操控，而并非特殊情況下的系統自動處理；4.由于功能過多，對硬件的質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一套便于安裝、擁有自動控制與處理能力的安全保障系統，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，在分擔子女壓力的同時保障空巢老人的生命和財產安全。［4］

考慮到系統需要在充分保護老人隱私的基礎上，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絡作為信息收集元件，由單片機作為中央處理單元統一收集信息進行匯總處理的系統方案。最初團隊把預期目標定位在針對空巢老人出門忘記鎖門、忘記關閉煤氣、緊急情況無法快速聯絡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，后期又陸續加入了紅外對管、光敏傳感器及ZigBee模塊，使保障系統的功能范圍得到有效擴展。［5］在臨近結題之際，團隊提出了兩種可行的安裝方案，分別使用與不同性質的消費類別，保障系統最終能夠對空巢老人生活實現關門提醒、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，具有良好的市場應用前景。

鑒于我國已經進入人口老齡化快速發展階段，2030年空巢老人將超過2億的嚴峻現狀，相信本研究成果能夠對老齡社會群體做出較為可觀的貢獻。

四、系統功能及成果

項目成果為一套較為完善的空巢老人安全保障系統，其預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，造成老人的健康和財產損失。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是否有人，在紅外信號持續消失的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

關閉煤氣閥門是常人容易遺忘的關乎生命安全的事項，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

實現該功能的基本流程為：MQ-2氣敏傳感器通過檢測室內是否有可燃危險氣體，在檢測到危險信息后發送高電平信號至單片機，由單片機控制語音模塊播放有關煤氣泄漏的預置提示語音，提醒老人關閉煤氣，從而在煤氣泄漏微弱的第一時間切斷險情的進一步發生。

（三）煙霧報警

1.功能簡介

火災發生的原因有很多，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。一旦火災發生時，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傳感器為主要器件，結合家庭第二線路繼電器，能夠實現在第一時間提醒老人，在恰當時刻關閉第二線路，從而有效防止災情擴展，達到及早提醒，輔助處理的效果。

2.選用器件

中央控制單片機、火焰傳感器，家庭第二線路繼電器等。

3.功能原理

實現該功能的基本流程為：火焰傳感器通過檢測室內是否有明火火焰，在檢測到險情后發送高電平信號至單片機，由單片機控制語音模塊播放有關火災發生的預置提示語音，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進一步擴展的可能性。

（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致發生火災等危險則會得不償失，所以我們團隊針對這種情況，特開發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，當家中有人存在時，此時無法實現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出報警聲音，提醒老人前去關閉電源，防止發生意外危險。

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、低功耗等優良特性安置在電磁爐燒水傳感檢測范圍內，當水開水蒸氣濃度達到一定閾值時，TGS2180傳感器會發生輸出變化，通過stm32中央控制來驅動蜂鳴器發出特殊響聲達到報警提醒的目的。

（五）長時間開門報警提醒

1.功能簡介

在實際調研中發現有很多老人在出門時忘記關閉防盜門的現象，老人可能因為思考其他問題或一些特殊原因導致忘記了關門，這就對家庭財產安全構成了威脅，容易導致不法分子趁機而入。我們開發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出“請關閉房門”的提醒聲音，以用來提示老人不要忘記關門，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、易安裝等優良特點，通過調節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，輸出發生改變，通過C51驅動事先已經做好錄音工作的語音模塊，用語音提醒老人進行關門操作。

（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，如果沒有多年養成這個習慣的話，有時就很有可能會忘記吃藥，導致一些不必要的麻煩。

在這款系統上安裝定時器，采用語音提醒技術，子女可以根據老人的要求和其他因素預先設置提醒的時間和內容，到了設置的時間，系統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失誤的狀況發生。

2.所需元件

用戶輸入設備、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備上進行定時和添加事項，通過stm32的時鐘芯片，可以在指定的時間驅動語音模塊發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出幾次“請記得服藥”等聲音，以達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

由于現代房屋的構造，很多房間床附近都沒有燈的開關，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致碰到房內設施甚至絆倒，對老人的身體健康安全性構成了較大的威脅。針對此類情況，開發的此項目功能可以在老人夜間下床時自動監測到并自啟動房間和客廳的燈光以為老人照亮路防止發生危險。

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老人臥室床的側下方，光敏傳感器布置到房內亮度較均勻的地方，當夜晚來臨房間內亮度變暗，光敏傳感器輸出會發生變化，當老人就寢后夜間下床時會觸發紅外傳感器的輸出變化，通過stm32的中央調控，當二者的輸出同時改變時，控制燈自啟動，達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生在夜晚，所以夜間的防衛工作極其重要，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，該系統可以在夜間自動啟動布防設施，當家中有不法分子進入時可以自動監測到，并及時發出報警聲音并抓拍作為證據。

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，并調節好閾值，當夜晚來臨暗度達到光敏傳感器閾值時輸出自動改變，當這些紅外對管傳感器檢測到有人闖入時會通過stm32的自動控制驅動蜂鳴器發出報警聲音并驅動攝像頭模塊對這些地方進行抓拍。

（九）快捷應急按鈕

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，以發送求救信號，收到短信的人可以及時通過電話、現場進行確認并及時撥打急救電話給予救助。［6］

2.所需元件

觸發按鈕、sim900模塊、中央控制單元stm32等。

3.功能原理

房間內散布安裝的各個觸發快捷應急按鈕與stm32相連，當其中有一個被按下時，stm32收到其傳送來的信號，可以自動驅動sim900模塊自動向預設好的手機號發送短信以用來求救，收到求救信號的人在撥打電話或者現場確認后可以及時的發現并提供救助。

參考文獻

［1］高小平.中國智能家居的現狀及發展趨勢［J］.電器與能效管理技術，2005（4）：18-21.

［2］嚴萍，張興敢，柏業超，等.基于物聯網技術的智能家居系統［J］.南京大學學報：自然科學版，2012，48（1）：26-32.

［3］沙英姿.基于物聯網的城市空巢老人智能家居設計研究［D］.北京交通大學，2014.

［4］王繼文.養老住宅智能化系統的研究與設計［D］.西安建筑科技大學，2014.

［5］周游，方濱，王普.基于ZigBee技術的智能家居無線網絡系統［J］.電子技術應用，2005，31（9）：37-40.

［6］關世榮.家庭智能監護報警裝置的研制［D］.吉林大學，2011.

［7］王文剛，代愛妮，王蕊，等.基于物聯網的智能呼救系統的設計與實現［J］.電子世界，2014（13）：13-14.

作者簡介：

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

基金項目：中南大學國家級大學生創新訓練項目（項目編號：201510533040）。