中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 信國(guó)強(qiáng) 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(jī)電工程學(xué)院 信國(guó)強(qiáng) 劉卓兮 張基鈞 江志奇

【摘要】該項(xiàng)目利用stm32、多傳感器網(wǎng)絡(luò)、ZigBee、sim900等模塊，立足于我國(guó)老齡化日漸嚴(yán)重、空巢老人數(shù)量增多的現(xiàn)實(shí)情況，研究出一套可靠、價(jià)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(dú)自生活的老人的安全。該系統(tǒng)區(qū)別于實(shí)時(shí)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(diǎn)，以stm32為中央處理單元，側(cè)重于在安全隱患發(fā)生時(shí)可自動(dòng)予以解決或報(bào)警提示的功能。目前該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)第二線路自動(dòng)斷電、提醒即使關(guān)門、煙霧報(bào)警、智能防盜等基本功能，輔以定時(shí)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(xiǎn)因素，注重自動(dòng)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(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、就業(yè)流動(dòng)性大并且獨(dú)生子女政策實(shí)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(zhǎng)。由于子女在外工作，老人不得不獨(dú)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(shí)的救治則可能會(huì)導(dǎo)致很大的麻煩。針對(duì)目前市場(chǎng)上對(duì)空巢老人安全保障的研究現(xiàn)狀，本項(xiàng)目從空巢老人的實(shí)際需要出發(fā)，致力于研發(fā)一款廉價(jià)、高效、穩(wěn)定、可靠的空巢老人智能安全保障系統(tǒng)。項(xiàng)目的主旨是讓盡可能多的空巢和獨(dú)居老人用上這種安全保障系統(tǒng)，以對(duì)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外對(duì)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(guó)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(huì)自動(dòng)報(bào)警并定位。［1］

日本企業(yè)開發(fā)出一種機(jī)器看護(hù)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(shí)將傳感器自動(dòng)測(cè)得的家電使用時(shí)間等信息，用電子郵件發(fā)送給老人子女。一旦超過24小時(shí)仍無(wú)任何反應(yīng)時(shí)便會(huì)發(fā)出緊急郵件，在自然守護(hù)老人安全的同時(shí)，為身在異地的子女送去放心。

（二）國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

武漢的一家公司運(yùn)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(cè)）到的數(shù)值（包括體溫、血壓、脈搏、體重和心電圖等），對(duì)客戶的健康危險(xiǎn)因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)（發(fā)現(xiàn)健康問題）并及時(shí)告知客戶（認(rèn)識(shí)健康問題）。

東方博思根據(jù)運(yùn)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(chǎng)所的傳感器，對(duì)老人的日常生活進(jìn)行記錄，并時(shí)刻進(jìn)行監(jiān)測(cè)。［3］

（三）綜上可知，目前市場(chǎng)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(jià)格過高，無(wú)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(dòng)處理；4.由于功能過多，對(duì)硬件的質(zhì)量及其配合要求過高。

三、項(xiàng)目總體介紹

本研究項(xiàng)目旨在開發(fā)一套便于安裝、擁有自動(dòng)控制與處理能力的安全保障系統(tǒng)，使之能夠在無(wú)需過多操作的情況下自動(dòng)識(shí)別危險(xiǎn)信息，第一時(shí)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(shí)保障空巢老人的生命和財(cái)產(chǎn)安全。［4］

考慮到系統(tǒng)需要在充分保護(hù)老人隱私的基礎(chǔ)上，全范圍精確采集危險(xiǎn)信息并采取合理的止損措施，團(tuán)隊(duì)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(jī)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(tuán)隊(duì)把預(yù)期目標(biāo)定位在針對(duì)空巢老人出門忘記鎖門、忘記關(guān)閉煤氣、緊急情況無(wú)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(duì)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(kuò)展。［5］在臨近結(jié)題之際，團(tuán)隊(duì)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(fèi)類別，保障系統(tǒng)最終能夠?qū)粘怖先松顚?shí)現(xiàn)關(guān)門提醒、火情提醒、無(wú)人自動(dòng)斷電、起夜自動(dòng)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(chǎng)應(yīng)用前景。

鑒于我國(guó)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(huì)群體做出較為可觀的貢獻(xiàn)。

四、系統(tǒng)功能及成果

項(xiàng)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(gè)方面：

（一）第二線路無(wú)人自動(dòng)斷電

1.功能簡(jiǎn)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(cái)產(chǎn)損失。無(wú)人自動(dòng)斷電的功能效果為在老人外出5分鐘左右由單片機(jī)控制家庭第二線路，在保障24小時(shí)必要供電的電器正常工作下為其他電器自動(dòng)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(jià)值。

2.選用器件

中央控制單片機(jī)、熱釋電紅外傳感器、家庭第二線路繼電器等。

3.功能原理

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

（二）氣體泄漏報(bào)警

1.功能簡(jiǎn)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(xiàng)，對(duì)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(shí)而盡早。MQ-2氣敏傳感器對(duì)可燃危險(xiǎn)氣體具有敏感的探測(cè)能力，能夠先于人體嗅覺識(shí)別危險(xiǎn)。［7］氣體泄漏功能以氣敏傳感器為主要器件，對(duì)于幫助記憶衰退的老人擺脫險(xiǎn)情，其作用至關(guān)重要。

2.選用器件

中央控制單片機(jī)、MQ-2氣敏傳感器等。

3.功能原理

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

（三）煙霧報(bào)警

1.功能簡(jiǎn)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(cuò)誤使用等等。一旦火災(zāi)發(fā)生時(shí)，空巢老人由于身體不便，逃生十分不易。煙霧報(bào)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(shí)間提醒老人，在恰當(dāng)時(shí)刻關(guān)閉第二線路，從而有效防止災(zāi)情擴(kuò)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(jī)、火焰?zhèn)鞲衅?，家庭第二線路繼電器等。

3.功能原理

實(shí)現(xiàn)該功能的基本流程為：火焰?zhèn)鞲衅魍ㄟ^檢測(cè)室內(nèi)是否有明火火焰，在檢測(cè)到險(xiǎn)情后發(fā)送高電平信號(hào)至單片機(jī)，由單片機(jī)控制語(yǔ)音模塊播放有關(guān)火災(zāi)發(fā)生的預(yù)置提示語(yǔ)音，提醒老人視情況選擇查看處理或逃生。如單片機(jī)檢測(cè)到持續(xù)5分鐘危險(xiǎn)信號(hào)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(kuò)展的可能性。

（四）水開自動(dòng)報(bào)警

1.功能簡(jiǎn)介

空巢和獨(dú)居老人由于年齡逐漸增大、記憶力衰退，如果因?yàn)橐粫r(shí)忘記而導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)等危險(xiǎn)則會(huì)得不償失，所以我們團(tuán)隊(duì)針對(duì)這種情況，特開發(fā)了此項(xiàng)水開自動(dòng)報(bào)警功能。此功能需配合上文中的第一項(xiàng)功能使用，當(dāng)家中有人存在時(shí)，此時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)第二線路的自動(dòng)斷電功能，那么利用此功能在檢測(cè)到水開的時(shí)候通過中央控制單元的控制可以發(fā)出報(bào)警聲音，提醒老人前去關(guān)閉電源，防止發(fā)生意外危險(xiǎn)。

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(cè)范圍廣、對(duì)水蒸氣高敏感度、耐高溫、長(zhǎng)壽命、低功耗等優(yōu)良特性安置在電磁爐燒水傳感檢測(cè)范圍內(nèi)，當(dāng)水開水蒸氣濃度達(dá)到一定閾值時(shí)，TGS2180傳感器會(huì)發(fā)生輸出變化，通過stm32中央控制來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出特殊響聲達(dá)到報(bào)警提醒的目的。

（五）長(zhǎng)時(shí)間開門報(bào)警提醒

1.功能簡(jiǎn)介

在實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)有很多老人在出門時(shí)忘記關(guān)閉防盜門的現(xiàn)象，老人可能因?yàn)樗伎计渌麊栴}或一些特殊原因?qū)е峦浟岁P(guān)門，這就對(duì)家庭財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了威脅，容易導(dǎo)致不法分子趁機(jī)而入。我們開發(fā)的此功能即是針對(duì)此種情況，在房屋房門打開一定時(shí)間后發(fā)出“請(qǐng)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(yǔ)音模塊等。

3.功能原理

該功能利用超聲波傳感器對(duì)距離的靈敏性、低功耗、易安裝等優(yōu)良特點(diǎn)，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(cè)量閾值，在房門打開后，傳感器檢測(cè)到距離變化，輸出發(fā)生改變，通過C51驅(qū)動(dòng)事先已經(jīng)做好錄音工作的語(yǔ)音模塊，用語(yǔ)音提醒老人進(jìn)行關(guān)門操作。

（六）定時(shí)提醒

1.功能簡(jiǎn)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(shí)吃藥，如果沒有多年養(yǎng)成這個(gè)習(xí)慣的話，有時(shí)就很有可能會(huì)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(shí)器，采用語(yǔ)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(shí)間和內(nèi)容，到了設(shè)置的時(shí)間，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)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(yǔ)音模塊等。

3.功能原理

該功能通過人機(jī)交互，子女可以在用戶輸入設(shè)備上進(jìn)行定時(shí)和添加事項(xiàng)，通過stm32的時(shí)鐘芯片，可以在指定的時(shí)間驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音模塊發(fā)出不同事項(xiàng)的語(yǔ)音體醒，比如在早晚特定時(shí)間語(yǔ)音模塊會(huì)發(fā)出幾次“請(qǐng)記得服藥”等聲音，以達(dá)到提醒老人按時(shí)吃藥保證健康的目的。

（七）夜間燈自啟動(dòng)

1.功能簡(jiǎn)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(huì)很不方便，可能會(huì)因?yàn)榭床磺宄鴮?dǎo)致碰到房?jī)?nèi)設(shè)施甚至絆倒，對(duì)老人的身體健康安全性構(gòu)成了較大的威脅。針對(duì)此類情況，開發(fā)的此項(xiàng)目功能可以在老人夜間下床時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)到并自啟動(dòng)房間和客廳的燈光以為老人照亮路防止發(fā)生危險(xiǎn)。

2.所需元件

紅外對(duì)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(duì)管傳感器檢測(cè)遮擋物的靈敏性和光敏傳感器檢測(cè)房間亮度的靈敏性，將紅外對(duì)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?jī)?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(huì)發(fā)生變化，當(dāng)老人就寢后夜間下床時(shí)會(huì)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(shí)改變時(shí)，控制燈自啟動(dòng)，達(dá)到一定的時(shí)間后再次熄滅，保證了老人在夜間下床后的一些列動(dòng)作可以得到有效安全保障。

（八）夜間自動(dòng)布防

1.功能簡(jiǎn)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(hù)，更容易受到不法分子的侵害，該系統(tǒng)可以在夜間自動(dòng)啟動(dòng)布防設(shè)施，當(dāng)家中有不法分子進(jìn)入時(shí)可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)到，并及時(shí)發(fā)出報(bào)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(duì)管傳感器、光敏傳感器、蜂鳴器等。

3.功能原理

將紅外對(duì)管傳感器安裝在防盜門、窗戶、陽(yáng)臺(tái)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(shí)輸出自動(dòng)改變，當(dāng)這些紅外對(duì)管傳感器檢測(cè)到有人闖入時(shí)會(huì)通過stm32的自動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音并驅(qū)動(dòng)攝像頭模塊對(duì)這些地方進(jìn)行抓拍。

（九）快捷應(yīng)急按鈕

1.功能簡(jiǎn)介

空巢老人特別是獨(dú)居老人在家中無(wú)人照顧，一個(gè)人生活很可能會(huì)存在身體上的不適。特別是有急性病癥的老人，在發(fā)病時(shí)不能親自打電話向急救中心或子女求救，所以在家中多個(gè)位置安裝下應(yīng)急按鈕，可以在按下的時(shí)候就能自動(dòng)以事先編輯好的短信方式通知子女和所在的居委會(huì)，以發(fā)送求救信號(hào)，收到短信的人可以及時(shí)通過電話、現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行確認(rèn)并及時(shí)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(gè)觸發(fā)快捷應(yīng)急按鈕與stm32相連，當(dāng)其中有一個(gè)被按下時(shí)，stm32收到其傳送來的信號(hào)，可以自動(dòng)驅(qū)動(dòng)sim900模塊自動(dòng)向預(yù)設(shè)好的手機(jī)號(hào)發(fā)送短信以用來求救，收到求救信號(hào)的人在撥打電話或者現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)后可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并提供救助。

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作者簡(jiǎn)介：

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

基金項(xiàng)目：中南大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201510533040）。