基于物聯網的空巢老人智能家居系統研究

胡浩 張琰 武昌工學院

在智能家庭的應用上來說，通過智能家庭來養老是一場在全球范圍內正在進行的新型養老模式，是在人工智能社會背景下能夠極力推廣并應用的一種新型智慧養老模式。隨著老齡化人數增多趨勢，必然使許多老人陷入沒有子女照顧的危險境地，老人的身體相對脆弱，微小的碰撞都有可能引起比較大的毛病且不易自救。本文通過對空巢老人居家養老情況的調研，并分析其心理特征，不斷的優化當前系統，分析更具針對性的空巢老人智能家居系統。

1 研究思路

分析當前空巢老人的生活狀況，闡述智能家居對其生活及精神文明的重要性，并就相關概念進行系統的概述，根據空巢老人的生活和心理特性，分析空巢老人智能家居系統設計的可行性。目前市場上的家具設備普適性強，針對少數特殊人群有一定局限性，應深入了解老年人的生活習性，并分析其心理特征，通過不斷的優化當前設備，提出更具有針對性的智能家居設備。

系統整體設計，如圖1所示。

圖1 系統整體設計

2 研究擬解決的關鍵問題

對身體不便的老年人，如何讓設備提取其信息（傳感器識別技術），并讓其簡便的操作設備終端。一些老年用戶可能會有視力障礙問題，而另一些老年用戶可能有聽覺障礙問題，所以選用的傳感器應該同時具備視覺和聽覺功能，老年用戶可以通過語音發出命令，而不僅僅是通過按鈕。還有一點需要注意的是，一些老年用戶發出的聲音的音量比較微弱而且含糊不清，所以設計出的空巢老人智能家居系統也應該具有微弱模糊語音識別功能。

2.1 為老年人開發單獨的設備管理界面（簡化界面設計）

2.1.1 單一控制：較大視覺字體和相應的視覺凸顯色必不可少，單個操作屏幕應盡可能設計較少的操作元素。程序界面和物理設備中所使用的全部圖標也都應該易于識別：比如，燈泡=照明，藥丸=藥品。

2.1.2 界面元素：系統的界面設計上可以采用簡約大氣的設計元素，可以采用大圖標與大字體先結合的模式凸顯出相應的元素功能，同時也應設計相應的元素顏色，輔助老年用戶在顏色上區分相應的操作，例如異常提醒圖形可以使用明亮顏色（紅色）來凸顯當前操作的錯誤。

2.2 防止老年人錯誤操作

所有的操作界面按鈕都應該具備防錯誤觸的功能，在操作錯誤時可以使用顏色的變化來顯示操作的錯誤，避免使用文字的描述來顯示錯誤，因為如果交互失敗，容易使老年人心煩意亂，不想再次嘗試，放棄與設備交互。

2.2.1 防止虛假報警（誤觸自檢）

在老年用戶的使用過程中，存在輕微觸碰情況，空巢老人智能家居系統應該存在誤觸自檢的功能，避免發出錯誤求救信號或向警務中心發送虛假的報警信息。

2.2.2 結果可見性（數據便于查找）

生物傳感器收集的老年用戶數據，如血壓、步數等，應自動生成易于瀏覽的數據模型或數據文本，方便查找和打開。

2.2.3 長時間運行、耐用性

設計出的設備要能夠承受頻繁的操作和意外高處摔落等設備損傷的情況發生。另外這些操作設備還應該有大容量和較長使用壽命的電池加持，當空巢老人的親屬或者社區工作者發現電池電量不足可以提前更換。

3 系統整體設計

基于物聯網的空巢老人智能家居系統在整體的設計層面上首先考慮用戶的隱私問題，其次是不能影響到用戶的正常生活。通過部署在家中的無線傳感器進行采集空巢老人的生活軌跡、體征等數據，實時對用戶進行識別檢查并采集數據上傳到空巢老人智能家居系統。該系統將涉及到無線傳感數據采集模塊、智能網關模塊、用戶行為識別與處理模塊，客戶端模塊。

3.1 無線傳感器數據采集模塊

無線傳感器數據采集模塊在實際的應用中負責實時采集用戶的生活軌跡和生活環境，并將采集到的電信號轉換為模擬信號或數字信號。在傳輸數據的過程中還需要組建通信網絡來保證各個模塊之間的通信。傳感器與智能網關模塊之間組建zigbee通信網絡，相比其他通信方式，具有低功耗、低延遲、自組織等優點。空巢老人智能家居系統會運用到大量的無線傳感器，使用zigbee網絡通信可以解決傳輸過程中數據量過大問題，同時無線傳感器的選擇上存在功耗、網絡組建問題也能夠很好的解決。

3.2 智能網關模塊

智能網關模塊是家居智能化核心，也是空巢老人智能家居系統的心臟，負責Zigbee 通信網絡和Internet之間的通信、信息輸入、信息輸出、集中控制、遠程控制等功能。智能網關模塊設計有數據緩存以及數據預處理的功能，無線傳感器采集到的數據傳輸到智能網關模塊，進行短暫的緩存以及數據預處理。數據緩存的目的是為了防止傳感器采集的數據、智能網關發出的控制信息、服務器端存儲的數據流等數據的丟失。數據預處理的目的是為了剔除由于外界干擾、人為干擾等原因造成的實測數據與正常結果差距過大的數據，數據的預處理也可以減少智能網關、服務器端的內存占用以及運算占用。

3.3 用戶行為識別模塊

用戶行為識別模塊涉及到服務器端運算以及設計和訓練的算法模型，核心是一個訓練完成的神經網絡，使用神經網絡的一個優點是，一旦神經網絡被訓練，它只需要加載訓練后的參數，因此預測可以非常快。在實際的應用過程中由于每個家庭的空間環境不用以及空巢老人的生活行為習慣都會有差別，相同的動作行為都有可能會引起不同的傳感器工作，產生不同的動作行為標簽，所以需要大量的神經網絡訓練。

3.4 客戶端模塊

客戶端模塊主要是為了方便空巢老人的親屬以及社區工作人員查看老人的生活情況，防止出現意外事故。首次使用需要注冊用戶名和密碼，并綁定智能網關。登錄界面需要輸入注冊的用戶名和密碼，若用戶名不存在或者用戶名和密碼不符則提示相應的錯誤，若用戶名與密碼相符，則可以進去相應的操作界面。客戶端模塊分為兩個主要功能，一是查看用戶生活數據，另一個是設置智能家居信息。數據查看界面中，系統會自動生成老人日常生活的數據，利用可視化模型或者文字說明來向用戶展示老人的生活情況。

4 結論

基于物聯網的空巢老人智能家居系統具有實時檢測、行為預測、危險預警等功能，可以保障空巢老人在正常的生活起居的安全，老人的親人或者社區服務人員可以登錄客戶端實時查看老人的身體狀態。