基于物聯網的空巢老人居家看護系統的研究與實現

徐利謀　黃長遠

摘要：為解決老齡化社會帶來的空巢老人無法得到全方位看護的問題，文章構建了基于物聯網技術的空巢老人看護系統，系統可實時監測老人日常生活和突發狀況，為家庭和社會提供了便利。

關鍵詞：物聯網；空巢老人；看護系統

隨著中國老齡化進程的加速，養老問題成為家庭和社會面臨的重大困難。子女因為工作、學習等因素影響無法在老人身邊照顧其生活起居，空巢老人的數量不斷增加。目前國內養老保障體制不健全，社會養老機構服務不完善，不能滿足家庭和社會養老的需求。空巢老人因生理和心理等問題逐漸弱化，會有很多的意外情況發生，如何保障空巢老人的身體健康和生活質量已經成為家庭和社會的一個急需解決的問題。隨著物聯網技術的發展以及應用領域的進一步拓展，在空巢老人養老服務中嵌入物聯網技術成為可能，物聯網技術應用到空巢老人看護過程中有助于緩解家庭和社會面臨的照顧困難。在深入研究無線傳感器技術、ZigBee技術、GSM網絡技術、微控制器技術等相關理論的基礎上，構建了基于物聯網的空巢老人看護系統，系統可全方位檢測老人日常生活和突發狀況，并對不同狀況進行傳輸和報警求助，使得監護人或養老機構第一時間獲取老人的危險狀況，以便采取緊急措施以降低傷害，為家庭和社會提供了便利。

1 系統總體設計

基于物聯網的空巢老人居家看護系統由無線終端、控制中心和監管平臺三部分組成。無線終端和控制中心的數據通信通過ZigBee無線網絡實現，控制中心和監管平臺的數據通信通過GSM網絡實現。系統的總體架構如圖1所示。

無線終端是系統基礎數據的來源，通過無線跌倒監測、活動監測、無線煤氣和火災監測等模塊傳感器獲取不同的狀態數據，并對數據進行簡單分析和傳輸。

控制中心是整個監控系統的核心，主要實現監測數據的收集分析、數據和命令的傳輸以及應急處理等功能。

監管平臺負責對空巢老人突發狀況的應急處理。監管平臺在獲得無線網絡傳輸過來的求助信號后，提醒社區工作人員和監護人危險情況，以便及時做出應急反應。

2 無線終端模塊設計

2.1 無線跌倒監測模塊設計

無線跌倒監測模塊主要由微處理器電路（STM32F103芯片）、加速度傳感器電路（MPU-6050芯片）、短距離無線收發電路（CC2530F256）、集成電路和人機接口電路等部分組成。無線跌倒監測模塊采用加速度傳感器獲取空巢老人活動加速度數據，由跌倒監測算法判斷老人是否跌倒，判定結果通過無線網絡傳輸到控制中心。

2.2 無線人體活動監測模塊設計

人體活動監測模塊主要是圍繞CC2530芯片展開，傳感器選擇具有全自動感應能力的HC-SR501芯片組。人體監測模塊設定在空巢老人經常活動的區域及時獲取不同位置老人的活動數據。如果監測到老人長時間未活動，系統將不同位置老人活動數據以無線的方式傳輸到控制中心，控制中心按照預先設定的程序進行數據分析和應急處理。

2.3 無線煤氣及火災檢測模塊的設計

煤氣探測模塊主要由AT89C51單片機、A/D轉換器、MQ-5型煙霧傳感器等部分組成。火災探測模塊主要由ATMega128芯片、DSl302芯片、MAX811芯片等部分組成。無線煤氣及火災檢測模塊按照設定的閾值對煙霧傳感器和火焰傳感器采集到的實時數據進行分析，當檢測到的數據超過閾值范疇時，系統自動發出30秒警報，當警報未人工解除時系統通過無線網絡將實時數據傳輸到控制中心，由控制中心進行數據的匯總、分析和進一步的數據。無線煤氣檢測及火災檢測模塊的結構設計如圖2所示。

3 控制中心設計

控制中心是整個系統的中樞，主要負責匯集來自無線終端的各類監測數據，結合控制流程和基本算法對老人跌倒狀態、活動情況或煤氣及火災監測數據進行分析，并完成不同狀況的內容顯示、傳輸模式選擇和突發狀況應急處理等功能的設置，當老人居所發生突發狀況時，會自動發生警報并通過GSM網絡將信息發送到監管平臺中的工作人或監護人，以提醒工作人員或監護人盡快完成突發狀況的處理，盡可能地降低事故風險。控制中心主要由微控制器、GSM通信模塊、ZigBee無線通信模塊、信息顯示、警報裝置等部分組成。控制中心硬件結構框圖如圖3所示。

4 監管平臺設計

監管平臺主要負責老人生活狀況的監控，實時顯示空巢老人的生活狀況和室內環境。監控平臺的終端一方面可安裝在社區或居住小區的物業管理中心，通過電腦終端進入監控和管理平臺，監控空巢老人的日常起居，當系統控制中心向監控平臺傳輸突發狀況警報時，監控平臺自動彈出警報界面并發出聲音警報；另一方面可以通過手機APP形式安裝在老人親屬手機，監護人可以查看老人的生活狀態以及接收老人居所發出的警報信息，方便監護人更好地看護空巢老人。

5 無線傳輸模塊設計

無線傳輸模塊中選用的ZigBee芯片是美國TI公司的CC2530。CC2530是基于2.4GHz IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE上的一個SOC解決方案。該芯片結合了具有良好的兼容性、代碼預取功能的低功耗8051CPU，256K可編程閃存、8kb SRAM以及許多其他模塊的強大功能，具備在各類供電方式下的數據保持能力，支持硬件調試功能。

系統中的GSM模塊選用的是SIM900A。SIM900A是緊湊型、高可靠性的無線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，采用功能強大的處理器ARM9216EJ-S內核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發要求。SIM900A能滿足M2M幾乎所有應用要求，能實現語音、SMS、數據和傳真信息的高速傳輸。其支撐的技術平臺能提供從產品定義到設計和生產的服務支持。

根據各個模塊中的ZigBee節點的主要特性，系統采用Star型無線網絡結構，由1個協調器和5個終端設備來構建一個無線傳感器網絡。將控制中心作為無線傳輸網絡的核心（主協調器），搭建一個新的無線傳輸網絡并進行管理；無線監測模塊作為無線網絡的終端設備，加入此無線網絡來實現整體上的無線數據傳輸功能。

6 系統測試

在完成系統的總體設計以及各模塊設計后，進行了無線傳輸網絡的搭建、無線終端設備的加入測試。使用CC2530和SIM900A芯片組搭建了小型局域無線網絡，完成對數據傳輸模式和數據收發方式的設定，最后對無線網絡系統進行了連通性和實用性測試，網絡傳輸性能良好，能保證數據傳輸的速度和質量。此外，設定不同的情形對老人跌倒監測、活動監測、煤氣機火災監測等模塊的功能以及警報裝置進行了驗證，并對空巢老人居家看護系統整體運行兼容性進行了測試。經過測試，系統整體運行正常，各項功能均達到預期，系統兼容性和穩定性良好。

7 結語

生活節奏加快和人口流動頻繁使得空巢老人數量激增，空巢老人的照顧和看護成為許多家庭面臨的困難。為全方位監控空巢老人的跌倒狀況、活動狀況和煤氣使用狀況及時發現老人面臨的危險并做出應急處理，文章設計了一個基于物聯網的空巢老人居家看護系統，系統具有廣闊的應用前景。通過看護系統中的硬件及相關軟件來完成對老年人的看護功能，能夠監測老人的一些突發狀況，能夠對不同狀況信息進行傳輸和報警求助。