基于物联网技术的老人求救系统研究

丁海涛

（滁州职业技术学院信息工程学院，安徽 滁州 239000）

0 引言

目前，我国人口老龄化程度持续加深。由第七次全国人口普查数据统计结果可知，60岁及以上人口为26 402 万人，占18.70%（其中，65 岁及以上人口为19 064万人，占13.50%）。与第六次全国人口普查相比，60 岁以上老人比重上升5.44 百分点［1］。目前，农村人口为50 979 万人，占全国人口的36.11%。随着我国城镇化进程的不断加快，大量农村人口向城镇流动［2］。特别是，年轻人为了工作、子女上学等更愿意在城市生活，导致在农村居住的多为老年人，农村慢慢成为留守村、老人村。随着年龄的增长，老人患突发疾病的风险持续增加，成为在外工作子女最担心的事情。

近年来，有很多学者对老人监测系统、老人发生意外报警系统进行研究。曹晋等［3］提出一种融合物联网和超声波传感技术的独居老人监护系统，该系统通过实时准确监测与预测用水量，为独居老人的生活提供安全保障，但该方案只适合在城市居住的老人，不适合在农村使用，这是因为农村取水方式较多。焦凤敏等［4］提出基于STM32 的防丢及摔倒报警系统，该系统能将老人摔倒信息以短信的形式发送给家属，并发出声光报警，提示路人进行救助，但该系统仍没有解决老人突发疾病时需要救助的问题。田永毅等［5］提出基于GSM 的远程医疗呼救系统，该系统通过监测用户的生命体征，并进行跌倒识别，利用GSM 来无线传输呼救数据，使老人及时得到救助，但老人要使用电子血压计才能有效报警，缺少主动求救功能。

为解决上述问题，本研究设计出基于物联网技术的老人求救系统，该系统正常运行时，老人按下求救按钮，家中报警器会发出声光报警来提示路人，并将求救短信发送到家属或联系人手机上，同时采用无线方式来启动同村其他留守村民家中的报警器，并通过显示器显示求救家庭编号。当一定时间内监测不到老人活动信号，该系统会自动报警。该系统能加强老人救助的时效性，且带有求救按钮的求救装置一般有两个，体积较小、质量较轻，一个可戴在脖子上，另一个可安装在床头，方便老人及时求救。

1 系统整体架构

选用STM32和CC2530两种芯片为系统的控制芯片，STM32 为主控芯片，包括定位模块、GSM 模块、声光报警模块、蓝牙模块、显示模块，CC2530 包括Zigbee 模块、活动监测模块。老人在按下求救按钮后，STM32 主控芯片会及时接收信号，并发出控制指令，声光报警模块发出声光报警，同时STM32主控芯片会发出控制指令给Zigbee 模块，使其发出无线信号，同村村民家中的系统在接收到无线信号后会发出报警提示，并显示报警信号的来源编号。STM32 主控芯片会控制GSM 模块发出报警信息给老人的家人或联系人。求救装置与STM32 之间采用无线蓝牙进行通信。以农村某户家庭为例，求救系统架构如图1所示。

图1 求救系统架构

2 系统硬件

2.1 控制芯片

以STM32F411RET6 为主控芯片，STM32F411 MCU 可在工作频率为100 MHz、支持浮点运算单元的Cortex®-M4内核中运行，STM32F411器件内置高达512 kB Flash和128 kB SRAM、1个16位高级定时器、2个32位通用定时器、5个16位通用定时器、3路USART、5路SPI/I2S、3路I2C、1路SDIO、1路12位16通道ADC、1个全速USB 2.0 OTG、50个通用数字I/O口［6］。芯片引脚如图2所示。

图2 STM32F411RET6引脚

CC2530 芯片是一种增强型的8051CPU，支持可编程闪存，RAM 大小为8 KB，支持2.4 GHz IEEE802.15.4、Zigbee 等无线通信，输出功率可通过编程进行修改，最大为4.5 dBm，其抗干扰能力强、灵敏度高，有21个通用I/O 引脚，具有8路输入和可配置分辨率的12 位ADC，有16 位和8 位定时器各一个，支持多种串行通信协议。CC2530 无线通信的距离一般为10～100 m，考虑到农村各户的居住距离，使用CC2530 Zigbee 模块中有射频前端的模块CC2591，“CC2530+CC2591”带天线模块在空旷中的通信距离为1 000 m 左右，完全满足该系统对无线通信距离的要求［7］。

2.2 GSM模块

GSM模块可与STM32通过串口形式进行通信，GSM 模块具有发送短信、语音通话等功能，单片机通过AT指令来实现相关通信功能。GSM 模块要提前装入电话卡，设定需要发信息、自动拨号的目标手机号后，在接收到来自控制单元发出的指令后，会自动向目标号码发送报警信息或报警电话。本研究选用的GSM 模块为SIM900A 模块，其支持SMA天线接口和IPX MINI天线接口［8-9］。

2.3 定位模块

目前，定位模块的应用场景越来越多，如车载导航、可穿戴设备及手持定位等。本研究使用的定位模块为“GPS+北斗定位”［10］。定位模块将接收到的经度、纬度信息发送给主控芯片，主控芯片存储经纬度值。当有危险发生时，主控芯片将报警信息和经纬度值发送给老人的家人或联系人。该系统选用的定位模块为“WTGPS+BD”，定位精度为2.5 m、热启动捕捉时间为1 s、冷启动捕捉时间为32 s，有4 个引脚，分别为VCC、RXD、TXD、GND，供电电源为3.3～5 V，符合系统使用要求。

3 系统软件设计

对整个系统进行初始化，确保各模块能正常工作，使系统处于循环监测状态中。

3.1 一键求救功能

当老人因突发疾病而摔倒时，只要按下任一个求救按钮，STM32 就会监测到求救信号。首先，STM32会控制声光报警模块发出报警信息。其次，发送指令给CC2530 Zigbee 模块，将求救信息和设备编号发送给本村其他村民家中的系统接收器，提示村民家中报警器进行报警，村民家中的显示器会显示编号。再次，控制器会读取定位模块中的定位信息，并控制GSM 模块发出求救短信给老人的家人或联系人。最后，软件重新进入循环监测模块。一键求救功能的程序流程如图3所示。

图3 一键求救功能的程序流程

3.2 自动求救功能

将红外传感器安装在老人居住卧室的墙上，用于监测老人活动，从而判断是否会发生危险。主控芯片要进行24 h定时计数，当红外传感器发送有老人活动的信号给主控芯片时，定时器要重新开始计数，不会发生报警求救信号。当红外传感器没有发送信号给主控芯片时，判断定时时间是否到24 h，若已达到24 h，直接发送求救信号，处理流程与图3一致；若定时时间没有达到24 h，定时器继续定时计数。自动求救功能程序流程如图4所示。

图4 自动求救功能流程

4 结语

本研究设计了基于物联网技术的老人求救系统，该系统具有一键求救功能和自动求救功能。当老人在家中发生危险时，可通过一键求救功能进行求救。该系统可同时发出3 种求救信号，能极大提高老人被及时救助的概率，且该系统增加射频前端模块，信号通信距离满足要求，基本能覆盖同一个村庄或居住区域。该系统还增加自动求救功能，为老人独自生活提供安全保障，从而提高老人生活质量，对农村智慧生活具有重要的促进作用。