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        易推廣型空巢老人智能安全保障系統(tǒng)

        2016-03-13 08:52:42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
        電子世界 2016年13期

        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。

        參考文獻(xiàn)

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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)。

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