基于單片機(jī)的獨(dú)居老人浴室智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)家用安防盲區(qū)，本文使用STC12C5A60S2單片機(jī)為核心控制器，結(jié)合漫反射紅外開(kāi)關(guān)與SIM800L模塊，實(shí)現(xiàn)獨(dú)居老人浴室異常停留監(jiān)測(cè)與即時(shí)報(bào)警。結(jié)果顯示，該智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈敏高效，安裝便捷，實(shí)用性強(qiáng)，適于推廣，有效保障老人安全。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；獨(dú)居老人；智能監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.02.022

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 277；TP 368.1" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）02-00-04

Design of an Intelligent Monitoring System for the Bathrooms"of Elderly People Living Alone Based on Microcontroller

WANG Dandan

（School of Information Technology， Anhui Vocational College of Urban Management， Hefei 230011， China）

Abstract： Addressing the blind spots in home security， this paper utilizes the STC12C5A60S2 microcontroller as the core controller， combined with diffuse reflection infrared switches and the SIM800L module， to achieve abnormal staymonitoring and instant alerting for the elderly living alone in the bathroom. The results indicate that the system is sensitive，efficient， easy to install， highly practical， and suitable for widespread adoption， effectively ensuring the safety of the elderly.

Keywords：" microcontroller; elderly people living alone; intelligent monitoring; system design

0" "引言

進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)逐漸步入老年社會(huì)，老年人數(shù)量逐年增多。根據(jù)“十四五”規(guī)劃及2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)要求，做好養(yǎng)老事業(yè)，尤其是社區(qū)居家養(yǎng)老服務(wù)至關(guān)重要[1]。與在養(yǎng)老院養(yǎng)老相比，大多數(shù)老年人更愿意選擇居家養(yǎng)老，這種形式更貼近他們的生活習(xí)慣和心理需求。現(xiàn)如今不少子女在工作或成家后，與老人分開(kāi)居住，獨(dú)居老人的安全隱患日益凸顯。尤其是在失去伴侶無(wú)人陪護(hù)的情況下，獨(dú)居老人在上門(mén)服務(wù)、緊急救援等方面的需求比例明顯高于非獨(dú)居老人[2]。由于目前常見(jiàn)的老人安全監(jiān)測(cè)設(shè)備多用于監(jiān)測(cè)其身體狀況[3]，在智能攝像頭監(jiān)測(cè)盲區(qū)或者老人不配帶健康監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)，老人突發(fā)不適不能及時(shí)被家人或社區(qū)工作人員發(fā)現(xiàn)。本系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)老人在浴室（智能攝像頭監(jiān)控盲區(qū)）停留時(shí)間，在老人摔倒、昏迷等無(wú)法自主呼救時(shí)，自動(dòng)撥打緊急聯(lián)系人電話，使老人得到救助。本系統(tǒng)具有發(fā)現(xiàn)救助需求及時(shí)處理的優(yōu)點(diǎn)，配合智能攝像頭能夠?qū)Κ?dú)居老人實(shí)現(xiàn)全天候、全方位守護(hù)。

1" "系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)對(duì)獨(dú)居老人的全方位安全保護(hù)，本文設(shè)計(jì)了獨(dú)居老人浴室智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)通過(guò)漫反射紅外光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)老人進(jìn)出浴室動(dòng)作，并由單片機(jī)記錄老人停留在浴室里的時(shí)間。當(dāng)老人在浴室內(nèi)停留的時(shí)間超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)將判定老人需要救助。此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即通過(guò)蜂鳴器和LED聲光報(bào)警，同時(shí)GSM通信模塊會(huì)自動(dòng)撥打緊急聯(lián)系人的電話，以確保老人能夠得到及時(shí)救助。

2" "系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 單片機(jī)與供電模塊電路

單片機(jī)與供電模塊電路如圖2所示。

本系統(tǒng)選用LQFP44封裝的STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心控制元件[4]。該單片機(jī)具有體積小，外圍器件少等特點(diǎn)，可以很好地控制成本和減小系統(tǒng)體積。本系統(tǒng)STC12C5A60S2的P3.5引腳接蜂鳴器，P2.5、P2.6、P2.7引腳接LED指示燈，P3.0和P3.1引腳接串口信號(hào)，并通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)SW1連接USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340和GSM模塊SIM800L，P4.6引腳將光電開(kāi)關(guān)信號(hào)接入單片機(jī)。

TYPE-C接口可為系統(tǒng)接入5V直流電源，也可為系統(tǒng)下載程序到單片機(jī)。TYPE-C的DP、DN信號(hào)接入CH340的5、6引腳，CH340的1、2引腳與撥碼開(kāi)關(guān)相連。當(dāng)撥碼開(kāi)關(guān)將CH340的RXD2和TXD2信號(hào)與單片機(jī)的RXD、TXD信號(hào)相連時(shí)，系統(tǒng)就可以通過(guò)TYPE-C接口下載程序到單片機(jī)。

2.2 系統(tǒng)其他模塊

系統(tǒng)其他模塊電路如圖3所示。

2.2.1 光電開(kāi)關(guān)模塊

人體紅外傳感器存在感應(yīng)距離短、信號(hào)傳輸延遲大等缺點(diǎn)，而分體式對(duì)射紅外開(kāi)關(guān)雖然對(duì)人體感應(yīng)比較靈敏，但存在安裝復(fù)雜，室內(nèi)不防水等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)對(duì)比測(cè)試，本系統(tǒng)選用了漫射紅外光電開(kāi)關(guān)。漫射紅外光電開(kāi)關(guān)工作電壓范圍在5～36 V，感應(yīng)距離可在10～50 cm之間調(diào)節(jié)，響應(yīng)時(shí)間短，且防水等級(jí)達(dá)到IP68。本系統(tǒng)將漫反射式光電開(kāi)關(guān)放置在浴室門(mén)口，老人進(jìn)出浴室時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)檢測(cè)到。

2.2.2 GSM/GPRS模塊

本系統(tǒng)選用SIM800L作為GSM/GPRS模塊。該模塊的工作電壓為直流3.4～4.4V，支持4頻GSM/GPRS：GSM/GPRS：850/900/1 800/1 900 MHz。它還提供模擬音頻輸入通道用于連接麥克風(fēng)，以及模擬音頻輸出通道用于連接揚(yáng)聲器。為SIM800L供電的電源需要能提供高達(dá)2 A的峰值耗流。考慮到本系統(tǒng)的使用場(chǎng)景，不使用鋰電池給SIM800L供電，而是在SIM800L電源輸入端串接一個(gè)1N5408二極管，1N5408的正向壓降是1.0 V，整流電流為3 A，能承受200 A 的正向浪涌電流，可將5V電源適配器電壓降到4 V左右。經(jīng)測(cè)試，使用上述供電方案SIM800L能夠穩(wěn)定工作。

SIM800L的串口支持TTL電平，并具備從1 200 bps到115 200 bps的自適應(yīng)波特率檢測(cè)功能。本系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)的串口與SIM800L進(jìn)行通信。SIM800L上電會(huì)立即啟動(dòng)并主動(dòng)搜尋網(wǎng)絡(luò)，其信號(hào)指示燈通過(guò)閃爍頻率來(lái)表示信號(hào)狀態(tài)：閃爍頻率慢表示有信號(hào)，閃爍頻率快表示無(wú)信號(hào)。

表1列出了本系統(tǒng)使用到的主要AT指令。單片機(jī)向SIM800L發(fā)送AT指令時(shí)，必須把“AT”或“at”放在指令首位，并以回車(chē)（＼ r）結(jié)尾。表1中的“AT”命令用于測(cè)試通信是否成功，如果單片機(jī)與SIM800L通信成功，SIM800L會(huì)返回“AT OK”；“AT+CPIN？”命令用于確認(rèn)SIM800L 是否讀取到SIM卡，返回“+CPIN： READY”表示已成功讀取；“AT+ CREG？”命令用于確認(rèn)SIM卡是否已注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)，如果返回“+ CREG：0 ，1 OK”或者“+CREG： 0，5 OK ”，則表示網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)成功；“ATD電話號(hào)碼；”命令用于撥打電話，例如，如果需要向138XXXX9916手機(jī)上撥打電話，可以發(fā)送“ATD138XXXX9916 ；”命令，SIM800L返回“OK”后等待電話接通。在本系統(tǒng)中，當(dāng)判斷老人在浴室停留時(shí)間超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，SIM800L會(huì)自動(dòng)撥打緊急聯(lián)系人的電話進(jìn)行呼救。

2.2.3 麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器模塊

麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器模塊主要用于老人與緊急聯(lián)系人的通話。本系統(tǒng)選用駐極體電容麥克風(fēng)，工作電壓范圍為1～10 V，具有全指向性、技術(shù)成熟，價(jià)格便宜等特點(diǎn)。同時(shí)，為提高音頻質(zhì)量，在電路中加入12個(gè)電容用于給揚(yáng)聲器濾波。揚(yáng)聲器的額定阻抗為8 Ω、功率為1 W。

2.2.4 報(bào)警模塊

當(dāng)老人在浴室停留時(shí)間超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，STC12C5A60S2的P3.5 引腳輸出低電平，使三極管8550導(dǎo)通，蜂鳴器接通電源并發(fā)出警報(bào)聲。STC12C5A60S2的P2.5、P2.6和P2.7引腳也同時(shí)輸出高、低電平，使3個(gè)LED指示燈閃爍報(bào)警。

3" "軟件流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先配置串口和定時(shí)器中斷參數(shù)，并開(kāi)啟定時(shí)器中斷，之后延時(shí)1秒，等待SIM800L網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。流程圖如圖4所示。

單片機(jī)首先檢測(cè)光電開(kāi)關(guān)是否被觸發(fā)，判斷老人是否進(jìn)入浴室。若檢測(cè)到老人進(jìn)入浴室，蜂鳴器響1 秒，同時(shí)將傳感器觸發(fā)標(biāo)志置1，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。之后系統(tǒng)會(huì)監(jiān)測(cè)老人是否在30 分鐘內(nèi)（該時(shí)長(zhǎng)可根據(jù)老人生活習(xí)慣進(jìn)行調(diào)整）離開(kāi)浴室。如果老人在30 分鐘后仍未離開(kāi)浴室，系統(tǒng)將立即啟動(dòng)聲光報(bào)警，并撥打緊急聯(lián)系人電話。電話接通后，老人可以向緊急聯(lián)系人呼救，以便聯(lián)系人及時(shí)掌握老人的身體狀況及危險(xiǎn)程度；如果老人在系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間內(nèi)走出浴室，則系統(tǒng)停止計(jì)時(shí)，不會(huì)撥打電話呼救。

在軟件設(shè)計(jì)中，為了提高系統(tǒng)的可靠性和用戶(hù)體驗(yàn)，還特別加入了異常處理機(jī)制。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到異常情況（如光電開(kāi)關(guān)信號(hào)丟失、通信模塊故障或計(jì)時(shí)錯(cuò)誤）時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入安全模式，并通過(guò)LED指示燈閃爍和蜂鳴器短促鳴響的方式提醒用戶(hù)設(shè)備工作異常。

4" "系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖5所示。

由于衛(wèi)生間門(mén)的寬度一般在70 cm到80 cm之間，經(jīng)測(cè)試，當(dāng)光電開(kāi)關(guān)感應(yīng)距離設(shè)定在40 cm時(shí)，系統(tǒng)的靈敏度和準(zhǔn)確性最高。系統(tǒng)上電后，電源指示燈點(diǎn)亮，將障礙物從光電開(kāi)關(guān)前方大約35 cm處經(jīng)過(guò)，光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到障礙物，蜂鳴器鳴響1秒。如果在30分鐘內(nèi)讓障礙物再次從光電開(kāi)關(guān)前方大約35 cm處經(jīng)過(guò)，關(guān)電開(kāi)關(guān)第二次檢測(cè)到障礙物后，蜂鳴器鳴響1秒，表示系統(tǒng)判斷老人已從浴室出來(lái)。

如果光電開(kāi)關(guān)第一次檢測(cè)到障礙物后，超過(guò)30分鐘仍未第二次檢測(cè)到障礙物，系統(tǒng)判斷老人在浴室可能已遇到危險(xiǎn)，會(huì)立即撥打子女或社區(qū)工作人員的電話。電話接通后，老人可以向?qū)Ψ胶艟取?/p>

在本系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行了全面評(píng)估。通過(guò)模擬老人在浴室中的正常活動(dòng)和突發(fā)危險(xiǎn)情況，驗(yàn)證了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性。測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)能夠在老人進(jìn)入浴室后準(zhǔn)確開(kāi)始計(jì)時(shí)，并在超過(guò)設(shè)定時(shí)間閾值時(shí)迅速啟動(dòng)報(bào)警機(jī)制。同時(shí)，GSM通信模塊的撥號(hào)功能經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，確保在緊急情況下能夠穩(wěn)定地?fù)艽蚓o急聯(lián)系人的電話。

此外，系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性也經(jīng)過(guò)了測(cè)試。考慮到浴室環(huán)境的濕度較高，對(duì)系統(tǒng)的防水性能進(jìn)行了特別測(cè)試。結(jié)果顯示，漫反射紅外光電開(kāi)關(guān)和相關(guān)電路在高濕度環(huán)境下仍能穩(wěn)定工作，未出現(xiàn)誤報(bào)或漏報(bào)現(xiàn)象。系統(tǒng)還具備一定的抗干擾能力，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中正常運(yùn)行，確保了系統(tǒng)在實(shí)際使用中的可靠性和穩(wěn)定性。

5" "結(jié)束語(yǔ)

如今，獨(dú)居老人的安全防護(hù)變得越來(lái)越重要，獨(dú)居老人浴室智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可作為家用安全保障系統(tǒng)的補(bǔ)充。在浴室等智能攝像頭不便于監(jiān)測(cè)的區(qū)域，本系統(tǒng)可通過(guò)監(jiān)測(cè)老人在該區(qū)域的停留時(shí)間，判斷老人是否需要幫助，使老人在遇到危險(xiǎn)時(shí)能夠及時(shí)獲得社區(qū)和家人的救助。另外，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，適合在家庭、醫(yī)院、養(yǎng)老院等場(chǎng)所推廣使用，能夠有效監(jiān)測(cè)老人的安全。

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基金項(xiàng)目：本文系安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程教學(xué)研究一般項(xiàng)目《CDIO工程模式下的單片機(jī)教學(xué)研究》（編號(hào)2019jyxm0734）；安徽城市管理職業(yè)學(xué)院示范實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)中心項(xiàng)目《單片機(jī)與EDA綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心》（編號(hào)2018SXZX01）研究成果。

作者簡(jiǎn)介：汪丹丹（1983-），女，漢族，安徽宣城人，講師，碩士，研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、單片機(jī)應(yīng)用。