基于物聯(lián)網(wǎng)的空巢老人居家安全管理系統(tǒng)

孔魯超，潘鵬偉，李洋陽(yáng)，張海彬，李悅欣，吳文慧

（浙江工商大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)空巢家庭數(shù)量呈上升趨勢(shì)。隨著第一代獨(dú)生子女的父母陸續(xù)步入老年，到2030年中國(guó)空巢老人數(shù)量或?qū)⒊^(guò)2億，占老年人總數(shù)[1]的90%。

隨著空巢老人數(shù)量急劇增多，與空巢老人相關(guān)的各類問(wèn)題隨之出現(xiàn)。時(shí)常有空巢老人出門(mén)忘帶鑰匙、甚至忘關(guān)灶火引發(fā)火災(zāi)的事件發(fā)生，給自己及鄰居的人身財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損害。此外，由于子女長(zhǎng)期不在身邊，缺乏日常生活照料和情感慰藉，空巢老人易成為非法推銷人員、小偷等犯罪分子的目標(biāo)，為老人帶來(lái)不可控傷害[2]。

隨著科學(xué)技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[3]的不斷發(fā)展，“萬(wàn)物互聯(lián)”即將成為現(xiàn)實(shí)。物聯(lián)網(wǎng)將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)形成一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了人、機(jī)、物隨時(shí)隨地的互聯(lián)互通。此外，深度學(xué)習(xí)技術(shù)也在各個(gè)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展[4]，為行業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)。

目前，市場(chǎng)上有老人緊急呼叫機(jī)、人體傳感器等相關(guān)產(chǎn)品，但它們存在功能單一、監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率低等不足。

基于此，本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的空巢老人居家安全管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在空巢老人家中出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)自動(dòng)根據(jù)異常情況進(jìn)行相應(yīng)的語(yǔ)音播報(bào)，為空巢老人提供及時(shí)的安全提醒。此外，老人的子女也可通過(guò)移動(dòng)端APP或者Web網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)查看老人家中情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。鑒于空巢老人數(shù)量不斷增長(zhǎng)及空巢老人安全問(wèn)題層出不窮的現(xiàn)狀，本系統(tǒng)將安全提醒和家人的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)相結(jié)合，為空巢老人提供全方位的安全看護(hù)和無(wú)微不至的關(guān)懷。

1 設(shè)計(jì)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的空巢老人居家安全管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 安全管理系統(tǒng)總體框圖

該系統(tǒng)主要由出行安全管理模塊、用火安全管理模塊，主控模塊，云服務(wù)器，人數(shù)監(jiān)測(cè)模塊，移動(dòng)端APP和Web網(wǎng)頁(yè)模塊等模塊組成，主要實(shí)現(xiàn)如下功能。

（1）出行安全管理模塊。將光敏傳感器的光敏探頭固定在門(mén)側(cè)，通過(guò)開(kāi)關(guān)門(mén)所產(chǎn)生的光強(qiáng)差來(lái)判斷門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)光線變化達(dá)到設(shè)置的閾值時(shí)，數(shù)據(jù)將通過(guò)無(wú)線傳輸模塊被發(fā)送至主控模塊。主控模塊根據(jù)接收的數(shù)據(jù)來(lái)控制錄放模塊進(jìn)行相應(yīng)的語(yǔ)音提醒，并將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。當(dāng)出現(xiàn)老人久出未歸或久未出門(mén)等異常情況時(shí)，主控模塊則通過(guò)移動(dòng)端APP向預(yù)設(shè)聯(lián)絡(luò)人發(fā)送警報(bào)信息。

（2）用火安全管理模塊。采用火焰?zhèn)鞲衅骱蜏囟葌鞲衅鬟M(jìn)行灶臺(tái)點(diǎn)火、熄火狀態(tài)的檢測(cè)及鍋具是否干燒狀態(tài)的檢測(cè)[5]，并通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳送至主控模塊使其控制錄放模塊進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)提醒，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。當(dāng)出現(xiàn)用火超時(shí)或溫度異常等情況時(shí)，控制模塊通過(guò)移動(dòng)端APP向預(yù)設(shè)聯(lián)絡(luò)人發(fā)送警報(bào)信息。

（3）語(yǔ)音播報(bào)提醒。當(dāng)出現(xiàn)老人久出未歸或久未出門(mén)，用火超時(shí)或溫度異常等情況時(shí)，主控模塊會(huì)控制錄放模塊進(jìn)行相應(yīng)的語(yǔ)音播報(bào)提醒。此外，用戶也可以自定義不同情況下的語(yǔ)音內(nèi)容并自主錄制。

（4）人數(shù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)高清攝像頭和基于NVIDIA JETSON TX2開(kāi)發(fā)板搭建的在Darknet框架下使用的YOLO v3目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)老人家中進(jìn)行實(shí)時(shí)人數(shù)監(jiān)測(cè)，并將人數(shù)和圖片發(fā)送至云服務(wù)器。當(dāng)出現(xiàn)人數(shù)異常情況時(shí)，主控模塊通過(guò)移動(dòng)端APP向預(yù)設(shè)聯(lián)絡(luò)人發(fā)送警報(bào)信息。

（5）老人家中情況查詢。空巢老人的子女或監(jiān)護(hù)人可以通過(guò)移動(dòng)端APP或Web網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)查詢老人家中的情況，對(duì)老人安全進(jìn)行遠(yuǎn)程看護(hù)。

2 裝置工作原理

2.1 出行、用火安全管理模塊

出行、用火安全管理模塊包括光敏傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌囟葌鞲衅鳌o(wú)線傳輸模塊和STC89C52單片機(jī)等5個(gè)部分。光敏傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鳌囟葌鞲衅鞣謩e將檢測(cè)到的老人出行的信息和廚房用火信息傳輸給STC89C52單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)nRF24L01無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控模塊，如圖2、圖3所示。

圖2 出行安全管理模塊結(jié)構(gòu)

圖3 用火安全管理模塊結(jié)構(gòu)

2.1.1 光敏傳感器

光敏傳感器（如圖4所示）是對(duì)外界光信號(hào)或光輻射進(jìn)行響應(yīng)或轉(zhuǎn)換的敏感裝置，主要用于檢測(cè)光線亮度，它的敏感波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)附近，包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。

本文選用三線制的光敏電阻傳感器模塊。三線制的光敏電阻傳感器采用了靈敏型光敏電阻傳感器，測(cè)量靈敏，配備可調(diào)電位器可以調(diào)節(jié)預(yù)定光強(qiáng)的閾值，通過(guò)比較器輸出，信號(hào)穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，其工作電壓為3.3～5 V，DO口與單片機(jī)引腳相連，通過(guò)DO口輸出數(shù)字信號(hào)來(lái)觸發(fā)單片機(jī)模塊做出相應(yīng)的響應(yīng)，可以實(shí)時(shí)反映光照情況。

2.1.2 溫度傳感器

溫度傳感器（如圖5所示）為能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。

本系統(tǒng)采用DHT22溫濕度傳感器。DHT22具有超低能耗、傳輸距離遠(yuǎn)、全部自動(dòng)化校準(zhǔn)、完全互換、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字單總線輸出、卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、采用高精度的NTC熱敏電阻元件等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 光敏傳感器

圖5 溫度傳感器

2.1.3 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

火焰?zhèn)鞲衅鳎ㄈ鐖D6所示）通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)在0.38 μm以下的紫外線和0.78 μm以上的紅外線來(lái)檢測(cè)火焰的存在，探測(cè)角度約為60°，對(duì)火焰光譜特別靈敏。模塊通過(guò)比較器輸出，波形好、信號(hào)干凈、，電壓穩(wěn)定、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。火焰為中火情況下檢測(cè)最大距離可達(dá)80 cm，火焰越大，效果越好，其對(duì)紅色火焰較為靈敏。

圖6 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

2.1.4 主控模塊

主控模塊以STM32單片機(jī)為核心。主控芯片為STM32F103RCT6。STM32F103RCT6基 于 ARM Cortex-M內(nèi)核，具有高性能、低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，片上資源包括48 KB SRAM，256 KB FLASH，11個(gè) 定 時(shí) 器，2個(gè)I2C，5個(gè)串口，1個(gè)USB，3個(gè)SPI，3個(gè)12位ADC，2個(gè)12位DAC及51個(gè)通用I/O口，如圖7所示。

圖7 STM32單片機(jī)

主控模塊（結(jié)構(gòu)如圖8所示）可實(shí)現(xiàn)如下功能。

（1）數(shù)據(jù)收發(fā)。STM32單片機(jī)內(nèi)部帶有SPI（串行外設(shè)接口）通信協(xié)議，通過(guò)SPI通信單片機(jī)能夠接收來(lái)自無(wú)線傳輸模塊的數(shù)據(jù)。

（2）響應(yīng)及控制。STM32單片機(jī)對(duì)無(wú)線傳輸模塊傳送的信息進(jìn)行分析處理，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)錄放模塊進(jìn)行控制。

（3）連接云服務(wù)器。STM32單片機(jī)通過(guò)控制ESP8266 WiFi模塊來(lái)與云服務(wù)器進(jìn)行通信并實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)至云服務(wù)器。

圖8 主控模塊結(jié)構(gòu)框圖

2.2 無(wú)線傳輸模塊

無(wú)線傳輸模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。本系統(tǒng)采用nRF24L01無(wú)線數(shù)傳模塊[6]，如圖9所示。

圖9 nRF24L01無(wú)線通信模塊

nRF24L01無(wú)線數(shù)傳模塊具有極好的適配能力，它幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無(wú)線數(shù)據(jù)傳送工作。此外，該模塊的電流消耗極低，當(dāng)工作在發(fā)射模式下，發(fā)射功率為0時(shí)，其電流消耗為11.3 mA；工作在接收模式時(shí)，電流消耗為12.3 mA；掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。

nRF24L01擁有6個(gè)不同的接收地址（能夠同時(shí)接收6組不同的信號(hào)），利用nRF24L01的這一特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間的多對(duì)一（即一臺(tái)接收機(jī)對(duì)應(yīng)多臺(tái)發(fā)送機(jī)）的通信。

nRF24L01無(wú)線通信模通信原理如圖10所示。

圖10 nRF24L01無(wú)線通信模通信原理

2.3 錄放模塊

采用ISD1802錄放音模塊（如圖11所示），供電電源在3～4 V，可以直接驅(qū)動(dòng)8 Ω/0.5 W的喇叭，音質(zhì)好，還原度高。

圖11 ISD1802錄放音模塊

此模塊可由單片機(jī)控制，進(jìn)行錄音及播放。當(dāng)傳感器發(fā)出特定信號(hào)時(shí)，單片機(jī)將根據(jù)信號(hào)類型對(duì)錄放模塊進(jìn)行控制調(diào)整。

2.4 人數(shù)監(jiān)測(cè)模塊

人數(shù)監(jiān)測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空巢老人家中人數(shù)。該模塊的工作原理如下：

首先，攝像頭將視頻流數(shù)據(jù)傳輸?shù)絅VIDIA Jetson TX2開(kāi)發(fā)板中，系統(tǒng)用已經(jīng)安裝好的OpenCV模塊對(duì)視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理，將視頻流數(shù)據(jù)截取成一幀一幀的圖片數(shù)據(jù)；隨后在Darknet框架下用YOLOv3目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)[7]；之后在通過(guò)代碼對(duì)區(qū)域內(nèi)人數(shù)的進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。人數(shù)監(jiān)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖12所示。

圖12 人數(shù)監(jiān)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)框圖

模塊硬件方面主要由攝像頭和TX2開(kāi)發(fā)套件組成。NVIDIA Jetson TX2開(kāi)發(fā)套件是一臺(tái)基于NVIDIA PascalTM架構(gòu)的AI單模塊超級(jí)計(jì)算機(jī)，如圖13所示。它性能強(qiáng)大，外形小巧，節(jié)能高效，適合機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、智能攝像機(jī)和便攜醫(yī)療設(shè)備等智能終端設(shè)備。它可以鑄就更大型、更復(fù)雜的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在這臺(tái)功率在30 W以下的嵌入式模塊上可以獲得GPU工作站的性能。

圖13 NAIDIA Jetson TX2開(kāi)發(fā)板

而軟件方面，在Ubuntu系統(tǒng)上使用YOLOv3目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)和Darknet框架搭建出可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人像并記錄的人數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)的算法，YOLOv3更加靈活、高效、智能。而Darknet框架是使用C語(yǔ)言編寫(xiě)的框架，使得整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率更高的同時(shí)，保證了其高度的可移植性。

目前該模塊權(quán)衡NVIDIA Jetson TX2開(kāi)發(fā)板的性能和準(zhǔn)確率后，合理調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，在高精度識(shí)別率下穩(wěn)定在10幀左右，滿足正常使用需求。人數(shù)監(jiān)測(cè)界面如圖14所示。

圖14 人數(shù)監(jiān)測(cè)界面

2.5 移動(dòng)端APP及Web網(wǎng)頁(yè)模塊

本系統(tǒng)采用支持跨平臺(tái)的Flutter框架來(lái)開(kāi)發(fā)移動(dòng)端APP。該框架一套代碼可以同時(shí)用于Android端和iOS端，有效減輕了移動(dòng)端的開(kāi)發(fā)工作量；同時(shí)該框架擁有強(qiáng)大的性能和流暢性，具有穩(wěn)定的UI表現(xiàn)，給用戶帶來(lái)了流暢的體驗(yàn)[8]。

本系統(tǒng)通過(guò)VUE框架來(lái)開(kāi)發(fā)Web網(wǎng)頁(yè)，其是一套構(gòu)建用戶界面的漸進(jìn)式框架，采用自底向上增量開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)。

用戶可以通過(guò)移動(dòng)端APP或者Web網(wǎng)頁(yè)來(lái)使用賬號(hào)登錄、系統(tǒng)綁定、查看家中各項(xiàng)信息等功能。此外，當(dāng)老人家中的門(mén)、灶臺(tái)或者人數(shù)情況出現(xiàn)異常時(shí)，移動(dòng)端APP會(huì)及時(shí)通知用戶。

3 系統(tǒng)實(shí)物圖及效果圖

3.1 硬件裝置

基于物聯(lián)網(wǎng)的空巢老人居家安全管理系統(tǒng)的硬件實(shí)物圖如圖15所示，圖中：A為NVIDIA Jetson TX2開(kāi)發(fā)板；B為網(wǎng)絡(luò)高清攝像頭；C為用火安全管理模塊；D為主控模塊、錄放模塊；E為出行安全管理模塊。

圖15 系統(tǒng)實(shí)物圖

3.2 軟件應(yīng)用

用戶可以通過(guò)移動(dòng)端APP或者Web網(wǎng)頁(yè)來(lái)及時(shí)知曉空巢老人家中的情況，獲取老人出行、用火的情況和家中的實(shí)時(shí)人員數(shù)量與圖片。

移動(dòng)端APP門(mén)界面及其子界面如圖16所示，灶臺(tái)界面和人數(shù)界面與其相似。用戶可選擇門(mén)界面、灶臺(tái)界面和人數(shù)界面分別獲取老人的出行信息、廚房用火信息和家中人數(shù)信息，當(dāng)出現(xiàn)老人久出未歸或久未出門(mén)、用火超時(shí)或灶臺(tái)溫度異常和人數(shù)異常等情況時(shí)，移動(dòng)端APP會(huì)向用戶發(fā)送相應(yīng)的警報(bào)信息。

圖16 出行信息界面圖

Web網(wǎng)頁(yè)的主界面如圖17所示。用戶可通過(guò)Web網(wǎng)頁(yè)查詢老人的出行信息、廚房用火信息和家中人數(shù)信息。

圖17 Web主界面

4 結(jié) 語(yǔ)

在老齡人口不斷增長(zhǎng)的現(xiàn)今社會(huì)，空巢老人的居家安全問(wèn)題引起了社會(huì)的高度重視，為老人服務(wù)的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)逐漸蓬勃發(fā)展起來(lái)，具有巨大的市場(chǎng)潛力。

本文的空巢老人居家安全管理系統(tǒng)從智能家居服務(wù)出發(fā)，在深入研究無(wú)線傳感器技術(shù)[9]、無(wú)線通信技術(shù)、微控制器技術(shù)、前后端開(kāi)發(fā)技術(shù)等相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可有效減少空巢老人家中火災(zāi)和忘記關(guān)門(mén)等危險(xiǎn)事件的發(fā)生的概率，也可有效規(guī)避夜間小偷、上門(mén)推銷等不安全事件，為空巢老人提供全方位的安全看護(hù)，緩解了空巢老人的居家安全問(wèn)題。該系統(tǒng)不僅能為空巢老人提供全方位的居家安全管理，也能加深子女與老人之間的互動(dòng)，讓老人的子女可通過(guò)移動(dòng)端APP和Web網(wǎng)頁(yè)及時(shí)了解老人的情況，在子女和空巢老人之間架起一座關(guān)懷的橋梁。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)空巢老人居家安全管理的智能化及物聯(lián)網(wǎng)化，積極響應(yīng)了國(guó)家建設(shè)智慧城市的號(hào)召，因此在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域和智能家居領(lǐng)域具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景[10]。