基于物聯網技術的老人求救系統研究

丁海濤

（滁州職業技術學院信息工程學院，安徽 滁州 239000）

0 引言

目前，我國人口老齡化程度持續加深。由第七次全國人口普查數據統計結果可知，60歲及以上人口為26 402 萬人，占18.70%（其中，65 歲及以上人口為19 064萬人，占13.50%）。與第六次全國人口普查相比，60 歲以上老人比重上升5.44 百分點［1］。目前，農村人口為50 979 萬人，占全國人口的36.11%。隨著我國城鎮化進程的不斷加快，大量農村人口向城鎮流動［2］。特別是，年輕人為了工作、子女上學等更愿意在城市生活，導致在農村居住的多為老年人，農村慢慢成為留守村、老人村。隨著年齡的增長，老人患突發疾病的風險持續增加，成為在外工作子女最擔心的事情。

近年來，有很多學者對老人監測系統、老人發生意外報警系統進行研究。曹晉等［3］提出一種融合物聯網和超聲波傳感技術的獨居老人監護系統，該系統通過實時準確監測與預測用水量，為獨居老人的生活提供安全保障，但該方案只適合在城市居住的老人，不適合在農村使用，這是因為農村取水方式較多。焦鳳敏等［4］提出基于STM32 的防丟及摔倒報警系統，該系統能將老人摔倒信息以短信的形式發送給家屬，并發出聲光報警，提示路人進行救助，但該系統仍沒有解決老人突發疾病時需要救助的問題。田永毅等［5］提出基于GSM 的遠程醫療呼救系統，該系統通過監測用戶的生命體征，并進行跌倒識別，利用GSM 來無線傳輸呼救數據，使老人及時得到救助，但老人要使用電子血壓計才能有效報警，缺少主動求救功能。

為解決上述問題，本研究設計出基于物聯網技術的老人求救系統，該系統正常運行時，老人按下求救按鈕，家中報警器會發出聲光報警來提示路人，并將求救短信發送到家屬或聯系人手機上，同時采用無線方式來啟動同村其他留守村民家中的報警器，并通過顯示器顯示求救家庭編號。當一定時間內監測不到老人活動信號，該系統會自動報警。該系統能加強老人救助的時效性，且帶有求救按鈕的求救裝置一般有兩個，體積較小、質量較輕，一個可戴在脖子上，另一個可安裝在床頭，方便老人及時求救。

1 系統整體架構

選用STM32和CC2530兩種芯片為系統的控制芯片，STM32 為主控芯片，包括定位模塊、GSM 模塊、聲光報警模塊、藍牙模塊、顯示模塊，CC2530 包括Zigbee 模塊、活動監測模塊。老人在按下求救按鈕后，STM32 主控芯片會及時接收信號，并發出控制指令，聲光報警模塊發出聲光報警，同時STM32主控芯片會發出控制指令給Zigbee 模塊，使其發出無線信號，同村村民家中的系統在接收到無線信號后會發出報警提示，并顯示報警信號的來源編號。STM32 主控芯片會控制GSM 模塊發出報警信息給老人的家人或聯系人。求救裝置與STM32 之間采用無線藍牙進行通信。以農村某戶家庭為例，求救系統架構如圖1所示。

圖1 求救系統架構

2 系統硬件

2.1 控制芯片

以STM32F411RET6 為主控芯片，STM32F411 MCU 可在工作頻率為100 MHz、支持浮點運算單元的Cortex?-M4內核中運行，STM32F411器件內置高達512 kB Flash和128 kB SRAM、1個16位高級定時器、2個32位通用定時器、5個16位通用定時器、3路USART、5路SPI/I2S、3路I2C、1路SDIO、1路12位16通道ADC、1個全速USB 2.0 OTG、50個通用數字I/O口［6］。芯片引腳如圖2所示。

圖2 STM32F411RET6引腳

CC2530 芯片是一種增強型的8051CPU，支持可編程閃存，RAM 大小為8 KB，支持2.4 GHz IEEE802.15.4、Zigbee 等無線通信，輸出功率可通過編程進行修改，最大為4.5 dBm，其抗干擾能力強、靈敏度高，有21個通用I/O 引腳，具有8路輸入和可配置分辨率的12 位ADC，有16 位和8 位定時器各一個，支持多種串行通信協議。CC2530 無線通信的距離一般為10～100 m，考慮到農村各戶的居住距離，使用CC2530 Zigbee 模塊中有射頻前端的模塊CC2591，“CC2530+CC2591”帶天線模塊在空曠中的通信距離為1 000 m 左右，完全滿足該系統對無線通信距離的要求［7］。

2.2 GSM模塊

GSM模塊可與STM32通過串口形式進行通信，GSM 模塊具有發送短信、語音通話等功能，單片機通過AT指令來實現相關通信功能。GSM 模塊要提前裝入電話卡，設定需要發信息、自動撥號的目標手機號后，在接收到來自控制單元發出的指令后，會自動向目標號碼發送報警信息或報警電話。本研究選用的GSM 模塊為SIM900A 模塊，其支持SMA天線接口和IPX MINI天線接口［8-9］。

2.3 定位模塊

目前，定位模塊的應用場景越來越多，如車載導航、可穿戴設備及手持定位等。本研究使用的定位模塊為“GPS+北斗定位”［10］。定位模塊將接收到的經度、緯度信息發送給主控芯片，主控芯片存儲經緯度值。當有危險發生時，主控芯片將報警信息和經緯度值發送給老人的家人或聯系人。該系統選用的定位模塊為“WTGPS+BD”，定位精度為2.5 m、熱啟動捕捉時間為1 s、冷啟動捕捉時間為32 s，有4 個引腳，分別為VCC、RXD、TXD、GND，供電電源為3.3～5 V，符合系統使用要求。

3 系統軟件設計

對整個系統進行初始化，確保各模塊能正常工作，使系統處于循環監測狀態中。

3.1 一鍵求救功能

當老人因突發疾病而摔倒時，只要按下任一個求救按鈕，STM32 就會監測到求救信號。首先，STM32會控制聲光報警模塊發出報警信息。其次，發送指令給CC2530 Zigbee 模塊，將求救信息和設備編號發送給本村其他村民家中的系統接收器，提示村民家中報警器進行報警，村民家中的顯示器會顯示編號。再次，控制器會讀取定位模塊中的定位信息，并控制GSM 模塊發出求救短信給老人的家人或聯系人。最后，軟件重新進入循環監測模塊。一鍵求救功能的程序流程如圖3所示。

圖3 一鍵求救功能的程序流程

3.2 自動求救功能

將紅外傳感器安裝在老人居住臥室的墻上，用于監測老人活動，從而判斷是否會發生危險。主控芯片要進行24 h定時計數，當紅外傳感器發送有老人活動的信號給主控芯片時，定時器要重新開始計數，不會發生報警求救信號。當紅外傳感器沒有發送信號給主控芯片時，判斷定時時間是否到24 h，若已達到24 h，直接發送求救信號，處理流程與圖3一致；若定時時間沒有達到24 h，定時器繼續定時計數。自動求救功能程序流程如圖4所示。

圖4 自動求救功能流程

4 結語

本研究設計了基于物聯網技術的老人求救系統，該系統具有一鍵求救功能和自動求救功能。當老人在家中發生危險時，可通過一鍵求救功能進行求救。該系統可同時發出3 種求救信號，能極大提高老人被及時救助的概率，且該系統增加射頻前端模塊，信號通信距離滿足要求，基本能覆蓋同一個村莊或居住區域。該系統還增加自動求救功能，為老人獨自生活提供安全保障，從而提高老人生活質量，對農村智慧生活具有重要的促進作用。