基于物联网的空巢老人居家看护系统的研究与实现
徐利谋 黄长远
摘要：为解决老龄化社会带来的空巢老人无法得到全方位看护的问题，文章构建了基于物联网技术的空巢老人看护系统，系统可实时监测老人日常生活和突发状况，为家庭和社会提供了便利。
关键词：物联网；空巢老人；看护系统
随着中国老龄化进程的加速，养老问题成为家庭和社会面临的重大困难。子女因为工作、学习等因素影响无法在老人身边照顾其生活起居，空巢老人的数量不断增加。目前国内养老保障体制不健全，社会养老机构服务不完善，不能满足家庭和社会养老的需求。空巢老人因生理和心理等问题逐渐弱化，会有很多的意外情况发生，如何保障空巢老人的身体健康和生活质量已经成为家庭和社会的一个急需解决的问题。随着物联网技术的发展以及应用领域的进一步拓展，在空巢老人养老服务中嵌入物联网技术成为可能，物联网技术应用到空巢老人看护过程中有助于缓解家庭和社会面临的照顾困难。在深入研究无线传感器技术、ZigBee技术、GSM网络技术、微控制器技术等相关理论的基础上，构建了基于物联网的空巢老人看护系统，系统可全方位检测老人日常生活和突发状况，并对不同状况进行传输和报警求助，使得监护人或养老机构第一时间获取老人的危险状况，以便采取紧急措施以降低伤害，为家庭和社会提供了便利。
1 系统总体设计
基于物联网的空巢老人居家看护系统由无线终端、控制中心和监管平台三部分组成。无线终端和控制中心的数据通信通过ZigBee无线网络实现，控制中心和监管平台的数据通信通过GSM网络实现。系统的总体架构如图1所示。
无线终端是系统基础数据的来源，通过无线跌倒监测、活动监测、无线煤气和火灾监测等模块传感器获取不同的状态数据，并对数据进行简单分析和传输。
控制中心是整个监控系统的核心，主要实现监测数据的收集分析、数据和命令的传输以及应急处理等功能。
监管平台负责对空巢老人突发状况的应急处理。监管平台在获得无线网络传输过来的求助信号后，提醒社区工作人员和监护人危险情况，以便及时做出应急反应。
2 无线终端模块设计
2.1 无线跌倒监测模块设计
无线跌倒监测模块主要由微处理器电路（STM32F103芯片）、加速度传感器电路（MPU-6050芯片）、短距离无线收发电路（CC2530F256）、集成电路和人机接口电路等部分组成。无线跌倒监测模块采用加速度传感器获取空巢老人活动加速度数据，由跌倒监测算法判断老人是否跌倒，判定结果通过无线网络传输到控制中心。
2.2 无线人体活动监测模块设计
人体活动监测模块主要是围绕CC2530芯片展开，传感器选择具有全自动感应能力的HC-SR501芯片组。人体监测模块设定在空巢老人经常活动的区域及时获取不同位置老人的活动数据。如果监测到老人长时间未活动，系统将不同位置老人活动数据以无线的方式传输到控制中心，控制中心按照预先设定的程序进行数据分析和应急处理。
2.3 无线煤气及火灾检测模块的设计
煤气探测模块主要由AT89C51单片机、A/D转换器、MQ-5型烟雾传感器等部分组成。火灾探测模块主要由ATMega128芯片、DSl302芯片、MAX811芯片等部分组成。无线煤气及火灾检测模块按照设定的阈值对烟雾传感器和火焰传感器采集到的实时数据进行分析，当检测到的数据超过阈值范畴时，系统自动发出30秒警报，当警报未人工解除时系统通过无线网络将实时数据传输到控制中心，由控制中心进行数据的汇总、分析和进一步的数据。无线煤气检测及火灾检测模块的结构设计如图2所示。
3 控制中心设计
控制中心是整个系统的中枢，主要负责汇集来自无线终端的各类监测数据，结合控制流程和基本算法对老人跌倒状态、活动情况或煤气及火灾监测数据进行分析，并完成不同状况的内容显示、传输模式选择和突发状况应急处理等功能的设置，当老人居所发生突发状况时，会自动发生警报并通过GSM网络将信息发送到监管平台中的工作人或监护人，以提醒工作人员或监护人尽快完成突发状况的处理，尽可能地降低事故风险。控制中心主要由微控制器、GSM通信模块、ZigBee无线通信模块、信息显示、警报装置等部分组成。控制中心硬件结构框图如图3所示。
4 监管平台设计
监管平台主要负责老人生活状况的监控，实时显示空巢老人的生活状况和室内环境。监控平台的终端一方面可安装在社区或居住小区的物业管理中心，通过电脑终端进入监控和管理平台，监控空巢老人的日常起居，当系统控制中心向监控平台传输突发状况警报时，监控平台自动弹出警报界面并发出声音警报；另一方面可以通过手机APP形式安装在老人亲属手机，监护人可以查看老人的生活状态以及接收老人居所发出的警报信息，方便监护人更好地看护空巢老人。
5 无线传输模块设计
无线传输模块中选用的ZigBee芯片是美国TI公司的CC2530。CC2530是基于2.4GHz IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE上的一个SOC解决方案。该芯片结合了具有良好的兼容性、代码预取功能的低功耗8051CPU，256K可编程闪存、8kb SRAM以及许多其他模块的强大功能，具备在各类供电方式下的数据保持能力，支持硬件调试功能。
系统中的GSM模块选用的是SIM900A。SIM900A是紧凑型、高可靠性的无线模块，采用SMT封装的双频GSM/GPRS模块解决方案，采用功能强大的处理器ARM9216EJ-S内核，能满足低成本、紧凑尺寸的开发要求。SIM900A能满足M2M几乎所有应用要求，能实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。其支撑的技术平台能提供从产品定义到设计和生产的服务支持。
根据各个模块中的ZigBee节点的主要特性，系统采用Star型无线网络结构，由1个协调器和5个终端设备来构建一个无线传感器网络。将控制中心作为无线传输网络的核心（主协调器），搭建一个新的无线传输网络并进行管理；无线监测模块作为无线网络的终端设备，加入此无线网络来实现整体上的无线数据传输功能。
6 系统测试
在完成系统的总体设计以及各模块设计后，进行了无线传输网络的搭建、无线终端设备的加入测试。使用CC2530和SIM900A芯片组搭建了小型局域无线网络，完成对数据传输模式和数据收发方式的设定，最后对无线网络系统进行了连通性和实用性测试，网络传输性能良好，能保证数据传输的速度和质量。此外，设定不同的情形对老人跌倒监测、活动监测、煤气机火灾监测等模块的功能以及警报装置进行了验证，并对空巢老人居家看护系统整体运行兼容性进行了测试。经过测试，系统整体运行正常，各项功能均达到预期，系统兼容性和稳定性良好。
7 结语
生活节奏加快和人口流动频繁使得空巢老人数量激增，空巢老人的照顾和看护成为许多家庭面临的困难。为全方位监控空巢老人的跌倒状况、活动状况和煤气使用状况及时发现老人面临的危险并做出应急处理，文章设计了一个基于物联网的空巢老人居家看护系统，系统具有广阔的应用前景。通过看护系统中的硬件及相关软件来完成对老年人的看护功能，能够监测老人的一些突发状况，能够对不同状况信息进行传输和报警求助。
