基于物聯網的空巢老人居家安全管理系統

孔魯超，潘鵬偉，李洋陽，張海彬，李悅欣，吳文慧

（浙江工商大學 信息與電子工程學院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

近年來，我國空巢家庭數量呈上升趨勢。隨著第一代獨生子女的父母陸續步入老年，到2030年中國空巢老人數量或將超過2億，占老年人總數[1]的90%。

隨著空巢老人數量急劇增多，與空巢老人相關的各類問題隨之出現。時常有空巢老人出門忘帶鑰匙、甚至忘關灶火引發火災的事件發生，給自己及鄰居的人身財產帶來巨大損害。此外，由于子女長期不在身邊，缺乏日常生活照料和情感慰藉，空巢老人易成為非法推銷人員、小偷等犯罪分子的目標，為老人帶來不可控傷害[2]。

隨著科學技術及物聯網技術[3]的不斷發展，“萬物互聯”即將成為現實。物聯網將各種信息傳感設備與互聯網結合起來形成一個巨大網絡，實現了人、機、物隨時隨地的互聯互通。此外，深度學習技術也在各個領域取得突破性進展[4]，為行業帶來了新的發展契機。

目前，市場上有老人緊急呼叫機、人體傳感器等相關產品，但它們存在功能單一、監測準確率低等不足。

基于此，本文提出一種基于物聯網的空巢老人居家安全管理系統。該系統在空巢老人家中出現異常時，會自動根據異常情況進行相應的語音播報，為空巢老人提供及時的安全提醒。此外，老人的子女也可通過移動端APP或者Web網頁實時查看老人家中情況，實現遠程監測。鑒于空巢老人數量不斷增長及空巢老人安全問題層出不窮的現狀，本系統將安全提醒和家人的遠程監測相結合，為空巢老人提供全方位的安全看護和無微不至的關懷。

1 設計方案

基于物聯網的空巢老人居家安全管理系統的總體結構如圖1所示。

圖1 安全管理系統總體框圖

該系統主要由出行安全管理模塊、用火安全管理模塊，主控模塊，云服務器，人數監測模塊，移動端APP和Web網頁模塊等模塊組成，主要實現如下功能。

（1）出行安全管理模塊。將光敏傳感器的光敏探頭固定在門側，通過開關門所產生的光強差來判斷門的開關狀態。當光線變化達到設置的閾值時，數據將通過無線傳輸模塊被發送至主控模塊。主控模塊根據接收的數據來控制錄放模塊進行相應的語音提醒，并將數據上傳至云服務器。當出現老人久出未歸或久未出門等異常情況時，主控模塊則通過移動端APP向預設聯絡人發送警報信息。

（2）用火安全管理模塊。采用火焰傳感器和溫度傳感器進行灶臺點火、熄火狀態的檢測及鍋具是否干燒狀態的檢測[5]，并通過無線傳輸模塊將數據傳送至主控模塊使其控制錄放模塊進行語音播報提醒，同時將數據上傳至云服務器。當出現用火超時或溫度異常等情況時，控制模塊通過移動端APP向預設聯絡人發送警報信息。

（3）語音播報提醒。當出現老人久出未歸或久未出門，用火超時或溫度異常等情況時，主控模塊會控制錄放模塊進行相應的語音播報提醒。此外，用戶也可以自定義不同情況下的語音內容并自主錄制。

（4）人數監測。通過網絡高清攝像頭和基于NVIDIA JETSON TX2開發板搭建的在Darknet框架下使用的YOLO v3目標檢測網絡，對老人家中進行實時人數監測，并將人數和圖片發送至云服務器。當出現人數異常情況時，主控模塊通過移動端APP向預設聯絡人發送警報信息。

（5）老人家中情況查詢。空巢老人的子女或監護人可以通過移動端APP或Web網頁實時查詢老人家中的情況，對老人安全進行遠程看護。

2 裝置工作原理

2.1 出行、用火安全管理模塊

出行、用火安全管理模塊包括光敏傳感器、火焰傳感器、溫度傳感器、無線傳輸模塊和STC89C52單片機等5個部分。光敏傳感器和火焰傳感器、溫度傳感器分別將檢測到的老人出行的信息和廚房用火信息傳輸給STC89C52單片機，單片機通過nRF24L01無線傳輸模塊將數據發送到主控模塊，如圖2、圖3所示。

圖2 出行安全管理模塊結構

圖3 用火安全管理模塊結構

2.1.1 光敏傳感器

光敏傳感器（如圖4所示）是對外界光信號或光輻射進行響應或轉換的敏感裝置，主要用于檢測光線亮度，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。

本文選用三線制的光敏電阻傳感器模塊。三線制的光敏電阻傳感器采用了靈敏型光敏電阻傳感器，測量靈敏，配備可調電位器可以調節預定光強的閾值，通過比較器輸出，信號穩定驅動能力強，其工作電壓為3.3～5 V，DO口與單片機引腳相連，通過DO口輸出數字信號來觸發單片機模塊做出相應的響應，可以實時反映光照情況。

2.1.2 溫度傳感器

溫度傳感器（如圖5所示）為能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器。

本系統采用DHT22溫濕度傳感器。DHT22具有超低能耗、傳輸距離遠、全部自動化校準、完全互換、標準數字單總線輸出、卓越的長期穩定性、采用高精度的NTC熱敏電阻元件等優點。

圖4 光敏傳感器

圖5 溫度傳感器

2.1.3 火焰傳感器

火焰傳感器（如圖6所示）通過檢測波長在0.38 μm以下的紫外線和0.78 μm以上的紅外線來檢測火焰的存在，探測角度約為60°，對火焰光譜特別靈敏。模塊通過比較器輸出，波形好、信號干凈、，電壓穩定、驅動能力強。火焰為中火情況下檢測最大距離可達80 cm，火焰越大，效果越好，其對紅色火焰較為靈敏。

圖6 火焰傳感器

2.1.4 主控模塊

主控模塊以STM32單片機為核心。主控芯片為STM32F103RCT6。STM32F103RCT6基 于 ARM Cortex-M內核，具有高性能、低成本、低功耗的優點，片上資源包括48 KB SRAM，256 KB FLASH，11個 定 時 器，2個I2C，5個串口，1個USB，3個SPI，3個12位ADC，2個12位DAC及51個通用I/O口，如圖7所示。

圖7 STM32單片機

主控模塊（結構如圖8所示）可實現如下功能。

（1）數據收發。STM32單片機內部帶有SPI（串行外設接口）通信協議，通過SPI通信單片機能夠接收來自無線傳輸模塊的數據。

（2）響應及控制。STM32單片機對無線傳輸模塊傳送的信息進行分析處理，根據分析結果對錄放模塊進行控制。

（3）連接云服務器。STM32單片機通過控制ESP8266 WiFi模塊來與云服務器進行通信并實時上傳數據至云服務器。

圖8 主控模塊結構框圖

2.2 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊的主要功能是實現遠程通信。本系統采用nRF24L01無線數傳模塊[6]，如圖9所示。

圖9 nRF24L01無線通信模塊

nRF24L01無線數傳模塊具有極好的適配能力，它幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無線數據傳送工作。此外，該模塊的電流消耗極低，當工作在發射模式下，發射功率為0時，其電流消耗為11.3 mA；工作在接收模式時，電流消耗為12.3 mA；掉電模式和待機模式下電流消耗更低。

nRF24L01擁有6個不同的接收地址（能夠同時接收6組不同的信號），利用nRF24L01的這一特點可實現單片機之間的多對一（即一臺接收機對應多臺發送機）的通信。

nRF24L01無線通信模通信原理如圖10所示。

圖10 nRF24L01無線通信模通信原理

2.3 錄放模塊

采用ISD1802錄放音模塊（如圖11所示），供電電源在3～4 V，可以直接驅動8 Ω/0.5 W的喇叭，音質好，還原度高。

圖11 ISD1802錄放音模塊

此模塊可由單片機控制，進行錄音及播放。當傳感器發出特定信號時，單片機將根據信號類型對錄放模塊進行控制調整。

2.4 人數監測模塊

人數監測模塊實現的功能是實時監測空巢老人家中人數。該模塊的工作原理如下：

首先，攝像頭將視頻流數據傳輸到NVIDIA Jetson TX2開發板中，系統用已經安裝好的OpenCV模塊對視頻流數據進行圖像處理，將視頻流數據截取成一幀一幀的圖片數據；隨后在Darknet框架下用YOLOv3目標檢測網絡進行目標檢測[7]；之后在通過代碼對區域內人數的進行統計。人數監測模塊結構框圖如圖12所示。

圖12 人數監測模塊結構框圖

模塊硬件方面主要由攝像頭和TX2開發套件組成。NVIDIA Jetson TX2開發套件是一臺基于NVIDIA PascalTM架構的AI單模塊超級計算機，如圖13所示。它性能強大，外形小巧，節能高效，適合機器人、無人機、智能攝像機和便攜醫療設備等智能終端設備。它可以鑄就更大型、更復雜的深度神經網絡。在這臺功率在30 W以下的嵌入式模塊上可以獲得GPU工作站的性能。

圖13 NAIDIA Jetson TX2開發板

而軟件方面，在Ubuntu系統上使用YOLOv3目標檢測網絡和Darknet框架搭建出可以實時監測人像并記錄的人數的監測系統。相比于傳統的算法，YOLOv3更加靈活、高效、智能。而Darknet框架是使用C語言編寫的框架，使得整個系統運行效率更高的同時，保證了其高度的可移植性。

目前該模塊權衡NVIDIA Jetson TX2開發板的性能和準確率后，合理調整相應參數，在高精度識別率下穩定在10幀左右，滿足正常使用需求。人數監測界面如圖14所示。

圖14 人數監測界面

2.5 移動端APP及Web網頁模塊

本系統采用支持跨平臺的Flutter框架來開發移動端APP。該框架一套代碼可以同時用于Android端和iOS端，有效減輕了移動端的開發工作量；同時該框架擁有強大的性能和流暢性，具有穩定的UI表現，給用戶帶來了流暢的體驗[8]。

本系統通過VUE框架來開發Web網頁，其是一套構建用戶界面的漸進式框架，采用自底向上增量開發的設計。

用戶可以通過移動端APP或者Web網頁來使用賬號登錄、系統綁定、查看家中各項信息等功能。此外，當老人家中的門、灶臺或者人數情況出現異常時，移動端APP會及時通知用戶。

3 系統實物圖及效果圖

3.1 硬件裝置

基于物聯網的空巢老人居家安全管理系統的硬件實物圖如圖15所示，圖中：A為NVIDIA Jetson TX2開發板；B為網絡高清攝像頭；C為用火安全管理模塊；D為主控模塊、錄放模塊；E為出行安全管理模塊。

圖15 系統實物圖

3.2 軟件應用

用戶可以通過移動端APP或者Web網頁來及時知曉空巢老人家中的情況，獲取老人出行、用火的情況和家中的實時人員數量與圖片。

移動端APP門界面及其子界面如圖16所示，灶臺界面和人數界面與其相似。用戶可選擇門界面、灶臺界面和人數界面分別獲取老人的出行信息、廚房用火信息和家中人數信息，當出現老人久出未歸或久未出門、用火超時或灶臺溫度異常和人數異常等情況時，移動端APP會向用戶發送相應的警報信息。

圖16 出行信息界面圖

Web網頁的主界面如圖17所示。用戶可通過Web網頁查詢老人的出行信息、廚房用火信息和家中人數信息。

圖17 Web主界面

4 結 語

在老齡人口不斷增長的現今社會，空巢老人的居家安全問題引起了社會的高度重視，為老人服務的朝陽產業逐漸蓬勃發展起來，具有巨大的市場潛力。

本文的空巢老人居家安全管理系統從智能家居服務出發，在深入研究無線傳感器技術[9]、無線通信技術、微控制器技術、前后端開發技術等相關理論的基礎上，結合深度學習技術和物聯網技術，可有效減少空巢老人家中火災和忘記關門等危險事件的發生的概率，也可有效規避夜間小偷、上門推銷等不安全事件，為空巢老人提供全方位的安全看護，緩解了空巢老人的居家安全問題。該系統不僅能為空巢老人提供全方位的居家安全管理，也能加深子女與老人之間的互動，讓老人的子女可通過移動端APP和Web網頁及時了解老人的情況，在子女和空巢老人之間架起一座關懷的橋梁。

該系統實現了對空巢老人居家安全管理的智能化及物聯網化，積極響應了國家建設智慧城市的號召，因此在物聯網領域和智能家居領域具有一定的實際應用價值，具有良好的發展和應用前景[10]。