易推广型空巢老人智能安全保障系统

中南大学机电工程学院 信国强 刘卓兮 张基钧 江志奇



易推广型空巢老人智能安全保障系统

中南大学机电工程学院 信国强 刘卓兮 张基钧 江志奇

【摘要】该项目利用stm32、多传感器网络、ZigBee、sim900等模块，立足于我国老龄化日渐严重、空巢老人数量增多的现实情况，研究出一套可靠、价廉的空巢老人安全保障系统，旨在保障家中没有子女照顾、独自生活的老人的安全。该系统区别于实时监控和注重“控制”的智能家居，以多传感器网络为安全隐患的触点，以stm32为中央处理单元，侧重于在安全隐患发生时可自动予以解决或报警提示的功能。目前该系统可实现第二线路自动断电、提醒即使关门、烟雾报警、智能防盗等基本功能，辅以定时备忘提示、夜行智能照明、紧急触碰呼救等人性化拓展功能，力求捕捉老人生活中更多危险因素，注重自动处理和操作的便捷性，有效控制损失达到最低。

【关键词】多传感器网络；安全保障系统；智能家居

一、研究背景

在中国经济快速发展、就业流动性大并且独生子女政策实施已久的今天，老龄化日益严重、空巢老人的数量正在飞速增长。由于子女在外工作，老人不得不独自生活，但是由于老人的年龄越来越大，身体状况逐渐下降，记忆力也慢慢消退，特别是一些疾病如果得不到及时的救治则可能会导致很大的麻烦。针对目前市场上对空巢老人安全保障的研究现状，本项目从空巢老人的实际需要出发，致力于研发一款廉价、高效、稳定、可靠的空巢老人智能安全保障系统。项目的主旨是让尽可能多的空巢和独居老人用上这种安全保障系统，以对没有子女在身边照顾的老人形成一种安全和健康保障。

二、国内外研究现状

国内外对于空巢老人安全保障和智能家居的研究已经有了很多年的历史，但是到现在还没能得到大幅推广，其中必定存在着许多难以克服的问题。

（一）国外研究现状

芬兰研发一套名为“活跃家庭生活”的居家养老科技产品，所有家电及地板都装有感应器，可以防止老人在家中不慎摔倒；患有老年痴呆症的老人可在身上安装GPS定位系统，离开居所一定距离后会自动报警并定位。［1］

日本企业开发出一种机器看护服务系统，通过在电视或微波炉等家电上加装一种传感器，每天定时将传感器自动测得的家电使用时间等信息，用电子邮件发送给老人子女。一旦超过24小时仍无任何反应时便会发出紧急邮件，在自然守护老人安全的同时，为身在异地的子女送去放心。

（二）国内研究现状

武汉的一家公司运用科技力量，使医疗人员以老年人客户的健康档案为基础，结合各种智能终端所采集（监测）到的数值（包括体温、血压、脉搏、体重和心电图等），对客户的健康危险因素进行监测（发现健康问题）并及时告知客户（认识健康问题）。

东方博思根据运行10年的智能传感系统，创新出一套利用安装在和老人生活有关的物品或场所的传感器，对老人的日常生活进行记录，并时刻进行监测。［3］

（三）综上可知，目前市场上的智能家居和养老的结合有以下不足

1.智能家居系统普遍价格过高，无法大面积进行推广；

2.过度智能化，其目标人群更适合年轻一代；

3.倾向于人的远程操控，而并非特殊情况下的系统自动处理；4.由于功能过多，对硬件的质量及其配合要求过高。

三、项目总体介绍

本研究项目旨在开发一套便于安装、拥有自动控制与处理能力的安全保障系统，使之能够在无需过多操作的情况下自动识别危险信息，第一时间做出处理并提醒老人，从而有效降低损害，在分担子女压力的同时保障空巢老人的生命和财产安全。［4］

考虑到系统需要在充分保护老人隐私的基础上，全范围精确采集危险信息并采取合理的止损措施，团队初步制定了由各类传感器网络作为信息收集元件，由单片机作为中央处理单元统一收集信息进行汇总处理的系统方案。最初团队把预期目标定位在针对空巢老人出门忘记锁门、忘记关闭煤气、紧急情况无法快速联络子女等迫切的安全隐患问题上，初步选定了超声波传感器、热释电红外传感器、火情传感器、烟雾传感器等信息获取元件，后期又陆续加入了红外对管、光敏传感器及ZigBee模块，使保障系统的功能范围得到有效扩展。［5］在临近结题之际，团队提出了两种可行的安装方案，分别使用与不同性质的消费类别，保障系统最终能够对空巢老人生活实现关门提醒、火情提醒、无人自动断电、起夜自动照明、盗窃提醒以及紧急情况快速呼救等功能，具有良好的市场应用前景。

鉴于我国已经进入人口老龄化快速发展阶段，2030年空巢老人将超过2亿的严峻现状，相信本研究成果能够对老龄社会群体做出较为可观的贡献。

四、系统功能及成果

项目成果为一套较为完善的空巢老人安全保障系统，其预期功能有以下九个方面：

（一）第二线路无人自动断电

1.功能简介

老人的记忆力普遍有明显的衰弱现象，一旦出门忘记断电，除不必要的电力损失之外，可能由于大功率电器短路引起火灾，造成老人的健康和财产损失。无人自动断电的功能效果为在老人外出5分钟左右由单片机控制家庭第二线路，在保障24小时必要供电的电器正常工作下为其他电器自动断电。此措施能够辅助老人降低安全隐患，具有良好的应用价值。

2.选用器件

中央控制单片机、热释电红外传感器、家庭第二线路继电器等。

3.功能原理

实现该功能的基本流程为：热释电红外传感器通过检测人体红外信号判断室内是否有人，在红外信号持续消失的5分钟之后，由单片机控制继电器切断第二线路电源。

（二）气体泄漏报警

1.功能简介

关闭煤气阀门是常人容易遗忘的关乎生命安全的事项，对记忆力减退的老人来说更易疏漏，因此，煤气泄漏的防范应及时而尽早。MQ-2气敏传感器对可燃危险气体具有敏感的探测能力，能够先于人体嗅觉识别危险。［7］气体泄漏功能以气敏传感器为主要器件，对于帮助记忆衰退的老人摆脱险情，其作用至关重要。

2.选用器件

中央控制单片机、MQ-2气敏传感器等。

3.功能原理

实现该功能的基本流程为：MQ-2气敏传感器通过检测室内是否有可燃危险气体，在检测到危险信息后发送高电平信号至单片机，由单片机控制语音模块播放有关煤气泄漏的预置提示语音，提醒老人关闭煤气，从而在煤气泄漏微弱的第一时间切断险情的进一步发生。

（三）烟雾报警

1.功能简介

火灾发生的原因有很多，例如电线短路引起可燃物燃烧、易燃物品误放在高温物体附近引起自燃以及大功率电器的错误使用等等。一旦火灾发生时，空巢老人由于身体不便，逃生十分不易。烟雾报警功能以火焰传感器为主要器件，结合家庭第二线路继电器，能够实现在第一时间提醒老人，在恰当时刻关闭第二线路，从而有效防止灾情扩展，达到及早提醒，辅助处理的效果。

2.选用器件

中央控制单片机、火焰传感器，家庭第二线路继电器等。

3.功能原理

实现该功能的基本流程为：火焰传感器通过检测室内是否有明火火焰，在检测到险情后发送高电平信号至单片机，由单片机控制语音模块播放有关火灾发生的预置提示语音，提醒老人视情况选择查看处理或逃生。如单片机检测到持续5分钟危险信号仍未终止，则控制第二线路继电器断电，从电力方面减少火灾进一步扩展的可能性。

（四）水开自动报警

1.功能简介

空巢和独居老人由于年龄逐渐增大、记忆力衰退，如果因为一时忘记而导致发生火灾等危险则会得不偿失，所以我们团队针对这种情况，特开发了此项水开自动报警功能。此功能需配合上文中的第一项功能使用，当家中有人存在时，此时无法实现第二线路的自动断电功能，那么利用此功能在检测到水开的时候通过中央控制单元的控制可以发出报警声音，提醒老人前去关闭电源，防止发生意外危险。

2.所需元件

水蒸气气体传感器 TGS2180、中央控制单元stm32、蜂鸣器等。

3.功能原理

该功能利用TGS2180传感器的检测范围广、对水蒸气高敏感度、耐高温、长寿命、低功耗等优良特性安置在电磁炉烧水传感检测范围内，当水开水蒸气浓度达到一定阈值时，TGS2180传感器会发生输出变化，通过stm32中央控制来驱动蜂鸣器发出特殊响声达到报警提醒的目的。

（五）长时间开门报警提醒

1.功能简介

在实际调研中发现有很多老人在出门时忘记关闭防盗门的现象，老人可能因为思考其他问题或一些特殊原因导致忘记了关门，这就对家庭财产安全构成了威胁，容易导致不法分子趁机而入。我们开发的此功能即是针对此种情况，在房屋房门打开一定时间后发出“请关闭房门”的提醒声音，以用来提示老人不要忘记关门，从而避免了安全隐患。

2.所需元件

超声波传感器、功能控制单元C51、语音模块等。

3.功能原理

该功能利用超声波传感器对距离的灵敏性、低功耗、易安装等优良特点，通过调节传感器安装位置距房门的距离和传感器的测量阈值，在房门打开后，传感器检测到距离变化，输出发生改变，通过C51驱动事先已经做好录音工作的语音模块，用语音提醒老人进行关门操作。

（六）定时提醒

1.功能简介

随着老人年龄越来越大，记忆力也越来越差，但是做什么事都没有人提醒，比如要按时吃药，如果没有多年养成这个习惯的话，有时就很有可能会忘记吃药，导致一些不必要的麻烦。

在这款系统上安装定时器，采用语音提醒技术，子女可以根据老人的要求和其他因素预先设置提醒的时间和内容，到了设置的时间，系统会自动提醒老人该做什么事情，这样就大大减少了因记忆力减退而出现失误的状况发生。

2.所需元件

用户输入设备、中央控制单元stm32、语音模块等。

3.功能原理

该功能通过人机交互，子女可以在用户输入设备上进行定时和添加事项，通过stm32的时钟芯片，可以在指定的时间驱动语音模块发出不同事项的语音体醒，比如在早晚特定时间语音模块会发出几次“请记得服药”等声音，以达到提醒老人按时吃药保证健康的目的。

（七）夜间灯自启动

1.功能简介

由于现代房屋的构造，很多房间床附近都没有灯的开关，这样老人在晚上起床去洗手间会很不方便，可能会因为看不清楚而导致碰到房内设施甚至绊倒，对老人的身体健康安全性构成了较大的威胁。针对此类情况，开发的此项目功能可以在老人夜间下床时自动监测到并自启动房间和客厅的灯光以为老人照亮路防止发生危险。

2.所需元件

红外对管传感器、光敏传感器、中央控制单元stm32等。

3.功能原理

利用红外对管传感器检测遮挡物的灵敏性和光敏传感器检测房间亮度的灵敏性，将红外对管传感器布置到当老人卧室床的侧下方，光敏传感器布置到房内亮度较均匀的地方，当夜晚来临房间内亮度变暗，光敏传感器输出会发生变化，当老人就寝后夜间下床时会触发红外传感器的输出变化，通过stm32的中央调控，当二者的输出同时改变时，控制灯自启动，达到一定的时间后再次熄灭，保证了老人在夜间下床后的一些列动作可以得到有效安全保障。

（八）夜间自动布防

1.功能简介

由于很多入室盗窃事件都发生在夜晚，所以夜间的防卫工作极其重要，空巢老人家中没有青壮年保护，更容易受到不法分子的侵害，该系统可以在夜间自动启动布防设施，当家中有不法分子进入时可以自动监测到，并及时发出报警声音并抓拍作为证据。

2.所需元件

摄像头模块、中央控制单元stm32、红外对管传感器、光敏传感器、蜂鸣器等。

3.功能原理

将红外对管传感器安装在防盗门、窗户、阳台等所有不法分子有可能进入家中的地方，光敏传感器安装在房间的采光均匀位置，并调节好阈值，当夜晚来临暗度达到光敏传感器阈值时输出自动改变，当这些红外对管传感器检测到有人闯入时会通过stm32的自动控制驱动蜂鸣器发出报警声音并驱动摄像头模块对这些地方进行抓拍。

（九）快捷应急按钮

1.功能简介

空巢老人特别是独居老人在家中无人照顾，一个人生活很可能会存在身体上的不适。特别是有急性病症的老人，在发病时不能亲自打电话向急救中心或子女求救，所以在家中多个位置安装下应急按钮，可以在按下的时候就能自动以事先编辑好的短信方式通知子女和所在的居委会，以发送求救信号，收到短信的人可以及时通过电话、现场进行确认并及时拨打急救电话给予救助。［6］

2.所需元件

触发按钮、sim900模块、中央控制单元stm32等。

3.功能原理

房间内散布安装的各个触发快捷应急按钮与stm32相连，当其中有一个被按下时，stm32收到其传送来的信号，可以自动驱动sim900模块自动向预设好的手机号发送短信以用来求救，收到求救信号的人在拨打电话或者现场确认后可以及时的发现并提供救助。

参考文献

［1］高小平.中国智能家居的现状及发展趋势［J］.电器与能效管理技术，2005（4）：18-21.

［2］严萍，张兴敢，柏业超，等.基于物联网技术的智能家居系统［J］.南京大学学报：自然科学版，2012，48（1）：26-32.

［3］沙英姿.基于物联网的城市空巢老人智能家居设计研究［D］.北京交通大学，2014.

［4］王继文.养老住宅智能化系统的研究与设计［D］.西安建筑科技大学，2014.

［5］周游，方滨，王普.基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统［J］.电子技术应用，2005，31（9）：37-40.

［6］关世荣.家庭智能监护报警装置的研制［D］.吉林大学，2011.

［7］王文刚，代爱妮，王蕊，等.基于物联网的智能呼救系统的设计与实现［J］.电子世界，2014（13）：13-14.

作者简介：

信国强（1995—），男，山东人，大学本科，现就读于中南大学机电工程学院机械电子专业，研究方向：智能控制。

基金项目：中南大学国家级大学生创新训练项目（项目编号：201510533040）。