基于物联网技术的老人居家安全管理系统的设计与实现

李 强，艾静蕊，徐书彤

（唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299）

1 研究背景

根据国家统计局发布的第七次全国人口普查数据显示，截至2021年5月，全国65周岁及以上老年人口有1.9亿人，占总人口的13.5%。我国老年人的养老模式基本符合“9073”养老格局，即90%的老年人居家养老，7%的老年人社区养老，3%的老年人机构养老[1]。随着更多家庭的老人选择居家养老，老年人意外事故发生在家中的占比已高达58.62%。此外，多数老人居住在老旧小区，70%以上有独居老人的家庭存在居家监管难、意外处理不及时等隐患。其中典型的有因忘记关煤气导致的火灾、忘记关门窗引发的安全隐患、忘记关水龙头造成水浸事件、离床后发病无人知晓等意外事故。

近五年，中央应对老龄化的政策文件已达百余份。2020年7月15日，国务院九部委印发《关于加快推进老年人居家适老化改造工程实施方案》要求加快智能化养老发展，积极应对人口老龄化，并强调对高龄、失能、残疾老年人（统称为特殊困难老年人）家庭实施居家适老化改造[2]。

我国的老人居家安防系统的开发相对于国外起步较晚，目前市面上存在的相关产品大多存在功 能单一、误差率较高、数据无法上传客户端等不足[3]。而且大多以空间定位、移动路线记录等监护手段为主，监护效果弱且隐私性差。很多产品的对外接口协议缺乏规范性，有的核心技术没有对外公开，技术复杂，不易掌握。还有很多产品是针对特定的环境开发的产品，因此限制了其使用的范围。此外，各个接入设备之间不能兼容，互操作性差，系统扩展性不足，无法根据客户需求融入更多新功能，限制了其进一步的发展。还有的系统购买成本和维护成本均较高，普通家庭用户难以接受，得不到广泛推广使用。因此，本文提出的“老人居家安全管理系统”对硬件接口兼容好，摒弃常见智能系统接入的设备安装复杂或需要老人频繁操作的弊端，是一个符合国情、符合国家规范的集远程控制和本地控制于一体的安防控制系统。

2 系统设计

2.1 系统整体概述

“老人居家安全管理系统”融软硬件于一体，是基于物联网、云计算、大数据等高级技术融合的系统工程，由云平台、老人端、子女端及第三方服务端组成。通过数据中枢分析异常操作并根据操作下达正确指令，同时数据中枢和传感器等设备同Wi-Fi无线网或ZigBee下，解决了传统预警设备、线材凌乱的现状。同时为住宅与应急情况提供了一套完整性、全局性、可操作性、安全可靠的数字化平台，使得住户在遇到紧急情况前可以有效预防、紧急情况下及时通报、紧急情况后有记录可查，为老人的日常生活提供保障。平台功能架构如图1所示。

图1 平台功能架构

2.2 系统功能描述

系统采用自上向下方法开发，将计算机、无线传感器、自动控制系统、网络技术等综合运用[4]，当检测异常时，启动语音播报功能播放对应的音频文件通知老人，同时通过“阿里云”服务器（以下简称为服务器）推送报警信息至子女和第三方机构。系统主要分成五个相对独立的模块，包括：煤气和烟雾监控、安全用电监控、异常用水监控、门窗安全监控、离床状态监控。

1）煤气和烟雾监控。安装煤气和烟雾报警器，将采集到的气体信号转化为中枢可以识别的数字信号进行数据分析与处理。

2）安全用电监控。系统采用施耐德的低压空气断路器和隔离开关MasterpactMTZ1，设计漏电保护、接地故障保护、电路过载以及短路等功能，检测到用电是否异常。

3）异常用水监控。由水流量检测装置、电池外壳/发射器（与传感器连接）组成，通过插入水流的运动部件和表盘机构之间的磁力耦合，检测用水是否存在异常情况并对其信号进行处理。

4）门窗安全监控。采用磁性干式簧管检测门窗的开关情况，通过磁铁的磁力引起开关的通断采集信息，并分析门窗开启模式是否异常。

5）离床状态监控。通过床垫采集老人卧床时的身体指标（温度、压力、心率等）和离床时间数据，采用高灵敏度及高柔性的触觉传感器和温度传感器分析压力情况及温度采集情况，检测是否存在长时间未卧床、异常时间起床后未再次卧床、卧床期间异常运动、卧床时间异常、体温变化异常等情况。

设备形态为床垫夹层，设备标准尺寸为1.4m×1m×0.3cm，采用阵列排列，蓝色为触觉传感器，红色为温度传感器。离床温度分布状态如图2所示。

图2 离床状况监控

2.3 系统传输阐述

系统的数据传输在采集设备和本地中控设备、本地中控设备和云服务之间均采用了双轨道传输模式，避免了无线网络受到干扰时单一传输通道稳定性较差的问题，确保了数据传输的稳定性和准确性。

本地传输设备包括了ZigBee网络协调器、数据分析器、Wi-Fi网络协调器、ZigBee/TCP网关、NB-IOT窄带物联网模组，功能详见表1。

表1 本地传输设备功能

云上服务包括数据的接收、分析、存储和通知下发，详细功能见表2。用户数据私密性：用户数据在非紧急情况下只进行本地处理与储存，本地用户组与服务器间的数据仅包含设备运行情况、设备运行测试数据。在紧急情况时，将上传只关于此次紧急情况的数据。但是此数据将在本地用户组上进行加密处理，无法通过服务器进行精准的数据查看与更改。只有得到用户许可以及用户自主设置的唯一ID后，才能进行解密操作。

表2 云上服务功能

3 系统特点

1）降低实施成本。不用采取大规模铺设的方式，也不必更改复杂线路，而通过Wi-Fi、ZigBee为媒介，易于安装。

2）内置充电模块。硬件设备内置充电模块，不局限于依赖电力线路[5]，实现了断电的紧急情况下的数据保护及安全防护。

3）实时精准报警。能够对监测到的事故进行分类实时报警通过多方式推送到用户手中。

4）信息化管理。用户可以通过手机APP、微信公众号、PC平台进行多维度监测和管理，极大地拓展了用户的使用环境。

5）信息可追溯。将异常行为警报通知下发后，将在服务器中储存副本，以免本地数据丢失后造成的不便。

6）用户数据保密性。用户数据在不存在异常的情况下将储存在本地的数据库中，异常数据在上载到服务器的时候使用只有用户设置的唯一用户密钥进行数据解锁。

4 系统创新

4.1 技术创新

该系统基于物联网、ZigBee等高级技术，紧紧围绕居家管理需求，通过各类传感器，采集各种信息到本地数据中枢。借助数据中枢分析异常操作并根据操作下达正确指令，同时，具有全面的功能、简单的操作、友好的界面；拥有良好的硬件接入能力，全无线通信传输；具备很好的灵活性、开放性和完备的二次开发力，可适应该系统升级和功能扩充维护；无须老人操作，自动监控环境，使得住户在遇到紧急情况前可以有效预防，紧急情况下及时通报，紧急情况后有记录可查，为老人的日常生活提供保障。

4.2 工艺创新

系统对外提供统一的、通用的接口标准，实现智慧居家安全管理系统与通用设备之间的信息无缝传输，提高安全服务质量和效率；考虑到住房的不确定因素，采用耐水、耐热、防磕、防碰、耐磨等特殊工艺应用于产品的各个模块以及总控。

5 系统应用情况

该系统自2021年4月份起已经开发完成并经过严格测试，先后提供给曹妃甸周边地区部分社区和家庭进行试用。累计防止老人走失60余人次；有效避免多起煤气泄漏、水浸事件、火灾事故等。例如：为某养老机构提供的离床监控服务，得到该院的肯定与好评；为某学校学生公寓区域异常用水成功进行报警，近一年及时、有效地制止了3次跑水事故，避免了学校财产损失；为某商业公寓提供的门窗安全监控、烟雾监控，应用效果良好。根据回访调查好评率高达98%以上，故障率为1%，收获了良好的口碑，具有很好的可行性和推广性。

6 结语

加快智能化居家养老监管，积极应对人口老龄化，将是未来社会发展的重要组成部分。基于物联网和云平台的居家老人防护系统的出现，代表着我国社会未来发展的一种趋势[6]。系统充分发挥互联网在社会服务中的作用，创新网络化服务模式，旨在助力数字化社区建设、智能化社会养老、数字乡村振兴计划，让科技为老年人所用，用最小的成本、最好的服务守护老年人安全，最大程度地减少老年人意外事故的发生，替子女守护老人，其对于改善我国严峻的养老问题、缓解子女压力等发挥着极其重要的作用。