基于物联网的空巢老人居家安全管理系统

孔鲁超，潘鹏伟，李洋阳，张海彬，李悦欣，吴文慧

（浙江工商大学 信息与电子工程学院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

近年来，我国空巢家庭数量呈上升趋势。随着第一代独生子女的父母陆续步入老年，到2030年中国空巢老人数量或将超过2亿，占老年人总数[1]的90%。

随着空巢老人数量急剧增多，与空巢老人相关的各类问题随之出现。时常有空巢老人出门忘带钥匙、甚至忘关灶火引发火灾的事件发生，给自己及邻居的人身财产带来巨大损害。此外，由于子女长期不在身边，缺乏日常生活照料和情感慰藉，空巢老人易成为非法推销人员、小偷等犯罪分子的目标，为老人带来不可控伤害[2]。

随着科学技术及物联网技术[3]的不断发展，“万物互联”即将成为现实。物联网将各种信息传感设备与互联网结合起来形成一个巨大网络，实现了人、机、物随时随地的互联互通。此外，深度学习技术也在各个领域取得突破性进展[4]，为行业带来了新的发展契机。

目前，市场上有老人紧急呼叫机、人体传感器等相关产品，但它们存在功能单一、监测准确率低等不足。

基于此，本文提出一种基于物联网的空巢老人居家安全管理系统。该系统在空巢老人家中出现异常时，会自动根据异常情况进行相应的语音播报，为空巢老人提供及时的安全提醒。此外，老人的子女也可通过移动端APP或者Web网页实时查看老人家中情况，实现远程监测。鉴于空巢老人数量不断增长及空巢老人安全问题层出不穷的现状，本系统将安全提醒和家人的远程监测相结合，为空巢老人提供全方位的安全看护和无微不至的关怀。

1 设计方案

基于物联网的空巢老人居家安全管理系统的总体结构如图1所示。

图1 安全管理系统总体框图

该系统主要由出行安全管理模块、用火安全管理模块，主控模块，云服务器，人数监测模块，移动端APP和Web网页模块等模块组成，主要实现如下功能。

（1）出行安全管理模块。将光敏传感器的光敏探头固定在门侧，通过开关门所产生的光强差来判断门的开关状态。当光线变化达到设置的阈值时，数据将通过无线传输模块被发送至主控模块。主控模块根据接收的数据来控制录放模块进行相应的语音提醒，并将数据上传至云服务器。当出现老人久出未归或久未出门等异常情况时，主控模块则通过移动端APP向预设联络人发送警报信息。

（2）用火安全管理模块。采用火焰传感器和温度传感器进行灶台点火、熄火状态的检测及锅具是否干烧状态的检测[5]，并通过无线传输模块将数据传送至主控模块使其控制录放模块进行语音播报提醒，同时将数据上传至云服务器。当出现用火超时或温度异常等情况时，控制模块通过移动端APP向预设联络人发送警报信息。

（3）语音播报提醒。当出现老人久出未归或久未出门，用火超时或温度异常等情况时，主控模块会控制录放模块进行相应的语音播报提醒。此外，用户也可以自定义不同情况下的语音内容并自主录制。

（4）人数监测。通过网络高清摄像头和基于NVIDIA JETSON TX2开发板搭建的在Darknet框架下使用的YOLO v3目标检测网络，对老人家中进行实时人数监测，并将人数和图片发送至云服务器。当出现人数异常情况时，主控模块通过移动端APP向预设联络人发送警报信息。

（5）老人家中情况查询。空巢老人的子女或监护人可以通过移动端APP或Web网页实时查询老人家中的情况，对老人安全进行远程看护。

2 装置工作原理

2.1 出行、用火安全管理模块

出行、用火安全管理模块包括光敏传感器、火焰传感器、温度传感器、无线传输模块和STC89C52单片机等5个部分。光敏传感器和火焰传感器、温度传感器分别将检测到的老人出行的信息和厨房用火信息传输给STC89C52单片机，单片机通过nRF24L01无线传输模块将数据发送到主控模块，如图2、图3所示。

图2 出行安全管理模块结构

图3 用火安全管理模块结构

2.1.1 光敏传感器

光敏传感器（如图4所示）是对外界光信号或光辐射进行响应或转换的敏感装置，主要用于检测光线亮度，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。

本文选用三线制的光敏电阻传感器模块。三线制的光敏电阻传感器采用了灵敏型光敏电阻传感器，测量灵敏，配备可调电位器可以调节预定光强的阈值，通过比较器输出，信号稳定驱动能力强，其工作电压为3.3～5 V，DO口与单片机引脚相连，通过DO口输出数字信号来触发单片机模块做出相应的响应，可以实时反映光照情况。

2.1.2 温度传感器

温度传感器（如图5所示）为能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。

本系统采用DHT22温湿度传感器。DHT22具有超低能耗、传输距离远、全部自动化校准、完全互换、标准数字单总线输出、卓越的长期稳定性、采用高精度的NTC热敏电阻元件等优点。

图4 光敏传感器

图5 温度传感器

2.1.3 火焰传感器

火焰传感器（如图6所示）通过检测波长在0.38 μm以下的紫外线和0.78 μm以上的红外线来检测火焰的存在，探测角度约为60°，对火焰光谱特别灵敏。模块通过比较器输出，波形好、信号干净、，电压稳定、驱动能力强。火焰为中火情况下检测最大距离可达80 cm，火焰越大，效果越好，其对红色火焰较为灵敏。

图6 火焰传感器

2.1.4 主控模块

主控模块以STM32单片机为核心。主控芯片为STM32F103RCT6。STM32F103RCT6基 于 ARM Cortex-M内核，具有高性能、低成本、低功耗的优点，片上资源包括48 KB SRAM，256 KB FLASH，11个 定 时 器，2个I2C，5个串口，1个USB，3个SPI，3个12位ADC，2个12位DAC及51个通用I/O口，如图7所示。

图7 STM32单片机

主控模块（结构如图8所示）可实现如下功能。

（1）数据收发。STM32单片机内部带有SPI（串行外设接口）通信协议，通过SPI通信单片机能够接收来自无线传输模块的数据。

（2）响应及控制。STM32单片机对无线传输模块传送的信息进行分析处理，根据分析结果对录放模块进行控制。

（3）连接云服务器。STM32单片机通过控制ESP8266 WiFi模块来与云服务器进行通信并实时上传数据至云服务器。

图8 主控模块结构框图

2.2 无线传输模块

无线传输模块的主要功能是实现远程通信。本系统采用nRF24L01无线数传模块[6]，如图9所示。

图9 nRF24L01无线通信模块

nRF24L01无线数传模块具有极好的适配能力，它几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。此外，该模块的电流消耗极低，当工作在发射模式下，发射功率为0时，其电流消耗为11.3 mA；工作在接收模式时，电流消耗为12.3 mA；掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

nRF24L01拥有6个不同的接收地址（能够同时接收6组不同的信号），利用nRF24L01的这一特点可实现单片机之间的多对一（即一台接收机对应多台发送机）的通信。

nRF24L01无线通信模通信原理如图10所示。

图10 nRF24L01无线通信模通信原理

2.3 录放模块

采用ISD1802录放音模块（如图11所示），供电电源在3～4 V，可以直接驱动8 Ω/0.5 W的喇叭，音质好，还原度高。

图11 ISD1802录放音模块

此模块可由单片机控制，进行录音及播放。当传感器发出特定信号时，单片机将根据信号类型对录放模块进行控制调整。

2.4 人数监测模块

人数监测模块实现的功能是实时监测空巢老人家中人数。该模块的工作原理如下：

首先，摄像头将视频流数据传输到NVIDIA Jetson TX2开发板中，系统用已经安装好的OpenCV模块对视频流数据进行图像处理，将视频流数据截取成一帧一帧的图片数据；随后在Darknet框架下用YOLOv3目标检测网络进行目标检测[7]；之后在通过代码对区域内人数的进行统计。人数监测模块结构框图如图12所示。

图12 人数监测模块结构框图

模块硬件方面主要由摄像头和TX2开发套件组成。NVIDIA Jetson TX2开发套件是一台基于NVIDIA PascalTM架构的AI单模块超级计算机，如图13所示。它性能强大，外形小巧，节能高效，适合机器人、无人机、智能摄像机和便携医疗设备等智能终端设备。它可以铸就更大型、更复杂的深度神经网络。在这台功率在30 W以下的嵌入式模块上可以获得GPU工作站的性能。

图13 NAIDIA Jetson TX2开发板

而软件方面，在Ubuntu系统上使用YOLOv3目标检测网络和Darknet框架搭建出可以实时监测人像并记录的人数的监测系统。相比于传统的算法，YOLOv3更加灵活、高效、智能。而Darknet框架是使用C语言编写的框架，使得整个系统运行效率更高的同时，保证了其高度的可移植性。

目前该模块权衡NVIDIA Jetson TX2开发板的性能和准确率后，合理调整相应参数，在高精度识别率下稳定在10帧左右，满足正常使用需求。人数监测界面如图14所示。

图14 人数监测界面

2.5 移动端APP及Web网页模块

本系统采用支持跨平台的Flutter框架来开发移动端APP。该框架一套代码可以同时用于Android端和iOS端，有效减轻了移动端的开发工作量；同时该框架拥有强大的性能和流畅性，具有稳定的UI表现，给用户带来了流畅的体验[8]。

本系统通过VUE框架来开发Web网页，其是一套构建用户界面的渐进式框架，采用自底向上增量开发的设计。

用户可以通过移动端APP或者Web网页来使用账号登录、系统绑定、查看家中各项信息等功能。此外，当老人家中的门、灶台或者人数情况出现异常时，移动端APP会及时通知用户。

3 系统实物图及效果图

3.1 硬件装置

基于物联网的空巢老人居家安全管理系统的硬件实物图如图15所示，图中：A为NVIDIA Jetson TX2开发板；B为网络高清摄像头；C为用火安全管理模块；D为主控模块、录放模块；E为出行安全管理模块。

图15 系统实物图

3.2 软件应用

用户可以通过移动端APP或者Web网页来及时知晓空巢老人家中的情况，获取老人出行、用火的情况和家中的实时人员数量与图片。

移动端APP门界面及其子界面如图16所示，灶台界面和人数界面与其相似。用户可选择门界面、灶台界面和人数界面分别获取老人的出行信息、厨房用火信息和家中人数信息，当出现老人久出未归或久未出门、用火超时或灶台温度异常和人数异常等情况时，移动端APP会向用户发送相应的警报信息。

图16 出行信息界面图

Web网页的主界面如图17所示。用户可通过Web网页查询老人的出行信息、厨房用火信息和家中人数信息。

图17 Web主界面

4 结 语

在老龄人口不断增长的现今社会，空巢老人的居家安全问题引起了社会的高度重视，为老人服务的朝阳产业逐渐蓬勃发展起来，具有巨大的市场潜力。

本文的空巢老人居家安全管理系统从智能家居服务出发，在深入研究无线传感器技术[9]、无线通信技术、微控制器技术、前后端开发技术等相关理论的基础上，结合深度学习技术和物联网技术，可有效减少空巢老人家中火灾和忘记关门等危险事件的发生的概率，也可有效规避夜间小偷、上门推销等不安全事件，为空巢老人提供全方位的安全看护，缓解了空巢老人的居家安全问题。该系统不仅能为空巢老人提供全方位的居家安全管理，也能加深子女与老人之间的互动，让老人的子女可通过移动端APP和Web网页及时了解老人的情况，在子女和空巢老人之间架起一座关怀的桥梁。

该系统实现了对空巢老人居家安全管理的智能化及物联网化，积极响应了国家建设智慧城市的号召，因此在物联网领域和智能家居领域具有一定的实际应用价值，具有良好的发展和应用前景[10]。