基于Wifi和Arduino的空巢老人智能家居系統設計?

王希娟

?

基于Wifi和Arduino的空巢老人智能家居系統設計?

王希娟

（陜西國際商貿學院信息與工程學院，咸陽 712046）

居家養老方式隨著空巢老人數量的增多正面臨著巨大的考驗，而伴隨著物聯網發展的智能家居則可以有效緩解這一社會現狀。因此，設計開發一套能夠解決空巢老人的日常照料、安全防范、健康娛樂等問題的智能家居系統是具有應用價值和市場前景的。筆者通過對多地空巢老人問卷調查、掌握社會需求后，最終確定了系統開發要采用的工具和關鍵技術，并對系統架構、系統功能和無線傳感網進行了設計和構建。

空巢老人；智能家居

0 引言

目前，我國老齡化問題突顯，“空巢老人”突增，其中大城市的平均比例已超過30%，傳統的家庭養老方式面臨極大的困難。近年來，物聯網技術的興起為智能家居帶來蓬勃生機，特別是以關愛老年人健康、提升老年人幸福指數為核心的智能化家居養老方式，既可以為空巢老人提供安全、便捷、健康和舒適的現代化養老服務，又是傳統家庭養老的有效補充。

1 需求分析

據統計，“空巢老人”面臨的主要問題包括缺乏生活保障、日常照料和精神慰藉。而作為城市里的“空巢老人”，往往有一定的養老金，自身經濟獨立且有獨立的生活空間，因此，經濟保障對于這些老人而言就顯得不那么重要了。城市“空巢老人”面臨的問題更多的集中在“日常照料”和“精神慰藉”兩方面。有些老人在家中生病、猝死不能被及時發現，有些老人雖然身體安康，但是存在不同程度的焦慮不安、孤獨抑郁等情緒而不能及時排解，以致于在一些發達國家中，老年人自殺現象頻發。

智能家居在沉寂了若干年后，終于在物聯網技術的推動下峰回路轉，迎來了新的發展契機。如果將智能家居作為家庭養老的有效補充，則可以不同程度的緩解“空巢老人”帶來的諸多社會問題。智能家居可以使用無線傳感器對老年人的心率、血壓等指標進行監測，老年人足不出戶便可讓醫生隨時了解病情，以便異常時及時援救；可以通過在家具、家電或衣物中嵌入傳感器，幫助醫生及時監控他們的健康狀況；還可以通過射頻識別技術對藥品進行比對，降低老年人誤用藥品的概率；對醫護人員也可以通過無線傳感器網絡進行定位、監控，保持患者和醫生的聯系。

目前適用于空巢老人的智能家居系統成型產品尚少，因此，筆者在北京、重慶、西安、咸陽、寶雞、銅川等多地開展了關于“空巢老人”智能家居系統功能需求的問卷調查。在本次調查中，共發放調查問卷8705份，其中，回收調查問卷8656份，有效調查問卷8607份。本次問卷針對于空巢老人對智能家居系統的功能、終端控制器、產品價格和年齡等方面進行了調查，統計的數據，如表1所示。

表1 空巢老人對智能家居系統問卷調查數據統計表

根據表1的數據可以看出，在年齡方面，76歲以下的空巢老人對智能家居系統比較感興趣且需求量大，特別是61歲-75歲之間的受訪者需求量最大。在功能需求方面，安全防盜功能需求量最大，占35%；家電控制需求量次之，占30%；其他需求方面，醫療需求較多，占14%，而對于照明、娛樂、環境監測等功能均有不同程度的需求。在終端控制器的選擇上，34%的受訪者認為語音控制最好，而手機、電腦控制需求量也較大，分別占27%和21%。在產品價格方面，43%的用戶選擇了1000元以下，29%的用戶選擇了1000元至5000元，少部分受訪者可以接受5000元以上的產品。

綜上所述，空巢老人最需要的智能家居系統功能主要集中在安全防盜、家電控制和醫療等方面，產品價格在1000元左右為宜，而終端控制器最好采用語音控制，其次是手機或電腦控制。因此，本系統的硬件選材應在保證功能實現的基礎上盡可能的降低價格成本，控制器方面則選用目前普遍使用的Android智能手機。

2 開發工具和關鍵技術

空巢老人智能家居系統以物聯網為基礎基于開源、性價比高的Arduino單片機開發，采用Android智能手機與Arduino單片機Wifi通信的方式進行系統控制。因此，本系統所涉及的開發工具和關鍵技術包括：

2.1 Arduino單片機

作為空巢老人智能家居系統開發的核心，單片機的選擇尤為重要。市場上單片機的品種眾多，常見的有51系列單片機、PIC系列單片機、AVR系列單片機、MSP系列單片機和ARM系列單片機。本系統采用AVR系列的Arduino單片機進行設計開發。Arduino單片機除了繼承AVR系列單片機速度快、安全性強、價格便宜等優點外，還具有編程門檻低、功能函數化處理、與手機等終端設備對接方便、軟硬件開源、可與多種電子元件進行簡單的插拔連接等優勢。進行硬件驅動程序編程時，Arduino使用基礎的C語言即可。

2.2 傳感器技術

傳感器技術與通信技術、計算機技術齊名，并稱為信息技術的三大支柱。在物聯網中，人們借助于傳感器來感知萬事萬物，正如人們利用自己的五官感知世界一樣。但是通過五官感知的外界信息是極其有限的，而傳感器可以感知的信息量則是巨大的。傳感器有兩個顯著的特點，一個是“感”，另一個則是“傳”。其中，“感”指的是傳感器可以自動檢測到被測的信息；“傳”則指的是將檢測到的信息自動處理成一定規律的電信號或其他形式的信息之后進行傳輸。因此，傳感器是可以滿足信息的感知、處理、傳輸和控制要求的一種檢測設備。

在物聯網中，傳感器可以獨立存在，也可以與其他設備集成，但不論以哪種方式存在，它都是物聯網感知萬事萬物的關鍵部件。傳感器通常由敏感元件和轉換元件組成。其中,敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。

傳感器應用領域廣泛，種類眾多。按被測參數分類，傳感器包括溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、速度傳感器等；按工作原理分類，傳感器包括有應變式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器等。隨著科技的進步，將來還會有更多的傳感器出現。

物聯網發展以來，傳感器地位日益高漲，以美、日、英為代表的多個國家先后將傳感器技術列為重點發展技術。據統計，在世界各國的科研經費當中，傳感器的經費在美國占到了20%，日本約占19%，西歐占21%，而中國僅有1%。例如，一輛普通家用轎車中需要安裝幾十到上百個傳感器，豪華轎車則更甚，傳感器高達200多種。

YoleDeveloppement數據顯示，傳感器消費類應用比重最大，規模可達到59億美元，占傳感器產品市場的45%，預計2019年將超過100億美元。我國手機類傳感器應用，占到傳感器市場的1/4。上海世博會中，使用無線傳感器網絡對所進入園區的人、車、噪聲等進行了實時監測，充分保障了世博會的安全。

近幾年來，傳感器在可穿戴設備領域的應用激增。據全球居領先地位的關鍵信息、產品、解決方案和服務供應商IHS的數據顯示，單個可穿戴設備所用傳感器的平均數量2013年為1.4顆，預計2019年將增長為4.1顆，總出貨量將從2013年的6700萬顆上升至2019年的4.66億顆，這也意味著傳感器的時代正在到來。

2.3 Wifi技術

無線上網就是一種以家中ADSL、小區寬帶等有線網為基礎，通過安裝的無線路由器將有線信號轉換成無線信號，從而實現無線終端（如筆記本、pad、智能手機等）接入Internet的上網方式。而WiFi無疑是這種無線上網方式中最流行的技術，一般在大城市比較常見[1]。WiFi（Wireless Fidelity）既是一種適用于短距離傳輸的無線高保真信號通信的技術，以1997年推出的IEEE802.11b標準為基礎，能夠在百米內實現無線信號的Internet接入。后來，隨著IEEE802.11a、IEEE802.11g、IEEE802.11n等標準的出現，IEEE802.11標準則被認為是WiFi技術的標準[2,3]。

WiFi技術主要工作在2.4GHz頻段，采用直接序列擴頻技術，支持多種傳輸速率，最高可達54Mbps，雖然安全性和傳輸質量沒有藍牙技術高，但比藍牙技術在信號覆蓋范圍和傳輸速度方面更具優勢。除此之外，WiFi技術還具有擴展性強、組網便捷等特點，是ZigBee技術不可比擬的[4]。

WiFi技術是對以太網的擴展，當用戶位于接入點的有效覆蓋范圍內，多個用戶可以同時從該接入點接入，帶寬也被連接的用戶共享，一般不受墻壁等障礙物的阻隔，但無線信號會有所衰減。WiFi技術目前已被廣泛應用于家庭、辦公室、飯店、校園、商場、酒店、機場等場所[5]。特別是對于移動通信的3G、4G技術而言，WiFi技術是對它們的有效補充，主要表現在以下方面[6]：

（1）WiFi技術提供的帶寬較高

雖然3G系統能夠提供2Mb/s的帶寬，但是對多個用戶所共享的，連接的用戶越多，速度越慢，特別是多媒體業務的猛增，用戶的無線傳輸速率相對較低。而WiFi接入的有線網可以對用戶數量進行要求，一般接入的用戶量較少，每個用戶所分享的帶寬就會比較高，數據傳輸速率相對較高。

（2）WiFi技術的費用較低

電信運營商對WiFi進行了大規模商業應用，接入費用僅需支付有線網和路由器的費用即可。而3G、4G系統一般是根據用戶所耗費的數據流量進行收費，耗費越多，費用越高，特別是多媒體數據的傳輸將耗費較多數據流量，因此費用相對較高。

（3）WiFi技術是移動通信技術的有效補充

在3G、4G時代，手機基站由于自身帶寬不夠，而用戶數據需求巨大，WiFi的廣泛應用是對移動通信業務的有效補充，也受到廣大用戶的喜愛和推崇。

3 系統架構設計

空巢老人智能家居系統是基于Wifi&Arduino平臺設計開發的，根據需求分析進行了系統架構設計，如圖1所示：

圖1 空巢老人智能家居系統框架結構圖

空巢老人智能家居系統架構主要包括無線傳感網、Arduino網關、Wifi串行通信和Android智能手機四部分：

3.1 無線傳感網

無線傳感網由布設在家居環境中的多種不同功能的無線傳感器組成，以實現對家居環境各種監測對象的實時感知、數據采集和處理。多種傳感器可以通過多跳傳輸的方式實現自動構建無線網絡，以提供給網絡終端用戶使用。無線傳感器網絡使用的傳感器具有體積小，種類和數量多，以及價格低廉等特點，除了可以對目標區域的溫度、濕度、粉塵、氣體等環境因素進行監控外，還可以對移動物體的大小、速度和方向等進行監控。

3.2 Arduino網關

由Arduino主控板連接各子系統功能模塊，如環境監測功能模塊、安全防范功能模塊、生活照料功能模塊和健康娛樂功能模塊等，主要完成各種監測數據的實時采集和子系統功能硬件驅動的功能，以實現對空巢老人的日常照料和心理慰藉。Arduino網關通過與無線傳感網的交互，實現家庭環境中多種監測數據的實時采集；Arduino網關通過與智能手機的WiFi串行通信，可以讓用戶隨時隨地的掌握家庭環境狀況，還可以對智能家居系統進行智能控制。

3.3 Wifi串行通信

將Android智能手機控制指令通過WiFi傳遞給Arduino網關，由Arduino單片機實現系統各功能模塊的驅動，還可以將實時采集的數據通過WiFi串行傳輸到Android智能手機上顯示。

3.4 Android智能手機

Android智能手機是本系統的終端控制器。在WiFi通信軟件的支持下，Android智能手機可以通過WiFi模塊發送指令來控制Arduino網關驅動各種子系統硬件實現其功能，同時也可以實時接收并顯示如環境的溫濕度、光照度、老人心率等多種監測數據。其中，WiFi通信軟件在Android平臺下自行設計開發。

4 系統功能設計

空巢老人智能家居系統主要以實現老年人家庭環境的監測、安全防范、日常照料和健康娛樂等功能為目標，具體劃分為5個子系統，如圖2所示：

圖2 空巢老人智能家居系統功能結構圖

4.1 環境監測子系統

在環境監測子系統中，通過由功能各異的傳感器構建的無線傳感器網絡實現對家庭環境的各種數據進行實時采集。無線傳感網中涉及的傳感器主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、火焰傳感器、煙霧傳感器、一氧化碳傳感器、PM2.5顆粒物監測傳感器、光照度傳感器等，可以完成對家庭環境的溫度、濕度、火災、煤氣、粉塵、光照度等信息的實時監測，如有異常，立即報警。

當監測到室內的一氧化碳或者粉塵超標時，子系統可以有秩序的自動開啟房間內的窗戶，進行空氣對流。當室內有火焰且溫度、煙霧超標時，子系統可以自動開啟噴水裝置進行滅火。當室內光線黯淡或者充足時，環境監測子系統可以聯動照明子系統自行調節LED照明燈具的開啟。

4.2 門禁子系統

在門禁子系統中，主要提供了入戶身份驗證機制，用戶可以通過使用IC卡或鑰匙扣刷卡入戶。當用戶連續五次刷卡不成功，則會自動發出警報。該子系統中主要使用了RFID-RC522讀卡模塊、標準S50空白卡（即IC卡）或S50異形卡（即鑰匙扣）等硬件設備。

4.3 防盜子系統

防盜子系統會在家庭的各窗戶周圍布設紅外感應傳感器，實現對非法入侵者的監測，如有異常情況，系統自動啟動報警裝置進行報警。

4.4 照明子系統

根據環境監測子系統布設的光照度傳感器實時監測的光照度數據，照明子系統可以實現功能聯動。當室內黯淡的光線超過設定的時長時，照明子系統則自動開啟室內的LED照明燈具；反之，當室內光線充足到一定的時長時，照明子系統則自動關閉室內的LED照明燈具，以達到節約電力資源的效果。

4.5 輔助子系統

輔助子系統作為空巢老人智能家居系統功能的有效補充，可以實現家居環境的智能化、人性化，主要包括四部分內容，如圖3所示：

圖3 空巢老人智能家居輔助子系統功能結構圖

（1）智能垃圾桶

智能垃圾桶可以為空巢老人提供一種具有夜光照明功能，并可以使用Android智能手機控制其自由移動的智能化服務，當垃圾將滿時還可以向用戶發出警報。該設備不僅能夠按照手機指令驅動電機遙控垃圾桶前進、后退、左轉和右轉，在移動的過程中，還可以通過紅外避障傳感器監測的障礙物信息自動避障。該設備在外層桶體表面涂抹有環保無輻射的蓄光型夜光材料，為夜晚漆黑的環境帶來亮度，老年人起夜無須開燈。

（2）智能魚缸

智能魚缸可以隨時監測水溫、水污染程度，并且能夠調節魚缸中的LED燈光，為魚缸中的魚兒提供一個舒適、智能化的生活環境。

（3）智能澆花器

智能澆花器是一種可以自動控制或者用戶手機指令控制其給花卉澆水的設備，主要硬件包括土壤濕度傳感器、電位器、繼電器、潛水泵等。

（4）可穿戴設備

可穿戴設備則主要提供了一款心率測試手環，用戶可以通過佩戴該手環，隨時隨地的對用戶的心跳速率進行監測。該手環采用了脈搏傳感器作為主要電子器件，可以將監測的心跳速率以圖形的方式顯示在Android智能手機中，方便用戶隨時掌握自己的心率狀況。特別是空巢老人佩戴該設備以后，子女即使不在身邊，也可以隨時了解老人的健康狀況。

5 無線傳感網的構建

本系統的無線傳感器網絡主要由家居環境現場、無線傳感器節點、匯聚節點、收發模塊、外部網絡和管理節點組成，如圖4所示。

圖4 空巢老人智能家居系統無線傳感器網絡結構圖

在該網絡結構中，家庭環境布設的多個無線傳感器構成了觀測節點，實現對家居環境現場的監測對象進行數據采集和數據的簡單處理。各觀測節點通過無線通信的方式進行自組網絡，并在該網絡上相互協作，通過一定的路由策略將處理的數據在各觀測節點上傳輸，最后聚集到匯聚節點。匯聚節點將收到的信息傳輸到外部網絡后，經過外部網絡傳輸到終端用戶的管理節點上，由終端用戶進一步處理和控制。各組成部分的具體功能如下：

5.1 家居環境現場

家居環境現場是無線傳感器網絡的監測目標區域，在該區域中部署大量的無線傳感器，利用這些傳感器對目標區域的不同對象進行實時監測。

5.2 無線傳感器

家居環境現場中部署的無線傳感器是無線傳感器網絡的基本單元，由它們來承擔家居環境現場的信息采集、處理和傳輸工作。各無線傳感器通過相互協作，完成對大量原始數據的采集、處理工作，并將處理后的數據傳輸給Arduino單片機。各無線傳感器采用的微處理器和通信協議雖然不同，但設計原理相近。典型的傳感器節點有Berkeley Motes、Sensoria WNIS、Smart Mesh Dust mote、Intel iMote和Intel Xscale nodes等。

5.3 收發模塊

本系統收發模塊即為Arduino單片機構建的Arduino網關，它是無線傳感器網絡和外部網絡的中轉站，主要通過串行通信接口實現與外界網絡Internent的通信，即無線傳感器將感知的數據信息通過Arduino單片機發送至外部網絡，而終端用戶的管理指令則由外部網絡經Arduino單片機發送至無線傳感器節點。

5.4 外部網絡

本系統外部網絡采用Internet，將收發模塊傳送的數據信息轉發給終端用戶，通過終端用戶的Android智能手機顯示出來。

5.5 管理節點

管理節點采用Android智能手機作為系統的終端控制器，主要用于接收采集的數據和發送用戶指令，以達到實現系統功能管理的目的。

6 總結

空巢老人智能家居系統的功能是多種多樣的，但最終的目標都不能偏離居家養老的便利、智能化、人性化等目標。空巢老人通過使用本系統，不僅在安全防范、家電控制等方面實現了智能化，更重要的是提供了多種家居用品，如智能垃圾桶、智能魚缸和可穿戴的心率測試手環，讓空巢老人的生活不再缺乏照料和關愛。

[1] 李先權.WiFi網絡構建與應用研究[D].華南理工大學,2012:9-10.

[2] 曾強.WIFI無線傳感器網絡的設計與實現[D].中北大學,2012:6-8.

[3] 劉芳華.基于ARM的WiFi無線通信終端的研究與實現[D].武漢科技大學,2010:11-15.

[4] 梁霄霄.基于WiFi的LED照明控制系統的研究與實現[D].杭州電子科技大學,2013:12-14.

[5] 夏展.WiFi的樓宇監控系統設計與實現[D].太原科技大學,2013:9-11.

[6] 姜莉.基于WiFi室內定位關鍵技術的研究[D].大連理工大學,2010:19-21.

Design of Intelligent Home System Based on Wifi and Arduino for Empty Nest Elder

Wang Xijuan

(College of Information and Engineering,Shaanxi Institute of International Trade and Commerce, Xianyang 712046,China)

With the increasing number of the empty nest elders, the way of home care is facing a huge challenge. Intelligent home based on the Internet of things can effectively benefit the current situation of the society. Accordingly, the research of Intelligent home system, which can solve daily care, security, entertainment and other health problems for empty nest elder, will have wide application and market prospects. Through the questionnaire survey of empty nester eldens and investugatianes the social demand, the system development tools and key technologies are identified finally, and the system architecture, system function and wireless sensor network are also designed and constructed.

Empty nest elders; Intelligent home

1007-757X(2016)12-0019-04

TP311

A

陜西省教育廳科研項目（No.14JK2018）。

王希娟（1983-），女，陜西西安人，碩士，講師、工程師，研究領域：物聯網、智能控制，咸陽 712046

（2016.08.01）