基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的老人居家安全管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李 強，艾靜蕊，徐書彤

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河北 唐山 063299）

1 研究背景

根據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的第七次全國人口普查數(shù)據(jù)顯示，截至2021年5月，全國65周歲及以上老年人口有1.9億人，占總?cè)丝诘?3.5%。我國老年人的養(yǎng)老模式基本符合“9073”養(yǎng)老格局，即90%的老年人居家養(yǎng)老，7%的老年人社區(qū)養(yǎng)老，3%的老年人機構(gòu)養(yǎng)老[1]。隨著更多家庭的老人選擇居家養(yǎng)老，老年人意外事故發(fā)生在家中的占比已高達58.62%。此外，多數(shù)老人居住在老舊小區(qū)，70%以上有獨居老人的家庭存在居家監(jiān)管難、意外處理不及時等隱患。其中典型的有因忘記關(guān)煤氣導致的火災、忘記關(guān)門窗引發(fā)的安全隱患、忘記關(guān)水龍頭造成水浸事件、離床后發(fā)病無人知曉等意外事故。

近五年，中央應對老齡化的政策文件已達百余份。2020年7月15日，國務院九部委印發(fā)《關(guān)于加快推進老年人居家適老化改造工程實施方案》要求加快智能化養(yǎng)老發(fā)展，積極應對人口老齡化，并強調(diào)對高齡、失能、殘疾老年人（統(tǒng)稱為特殊困難老年人）家庭實施居家適老化改造[2]。

我國的老人居家安防系統(tǒng)的開發(fā)相對于國外起步較晚，目前市面上存在的相關(guān)產(chǎn)品大多存在功 能單一、誤差率較高、數(shù)據(jù)無法上傳客戶端等不足[3]。而且大多以空間定位、移動路線記錄等監(jiān)護手段為主，監(jiān)護效果弱且隱私性差。很多產(chǎn)品的對外接口協(xié)議缺乏規(guī)范性，有的核心技術(shù)沒有對外公開，技術(shù)復雜，不易掌握。還有很多產(chǎn)品是針對特定的環(huán)境開發(fā)的產(chǎn)品，因此限制了其使用的范圍。此外，各個接入設(shè)備之間不能兼容，互操作性差，系統(tǒng)擴展性不足，無法根據(jù)客戶需求融入更多新功能，限制了其進一步的發(fā)展。還有的系統(tǒng)購買成本和維護成本均較高，普通家庭用戶難以接受，得不到廣泛推廣使用。因此，本文提出的“老人居家安全管理系統(tǒng)”對硬件接口兼容好，摒棄常見智能系統(tǒng)接入的設(shè)備安裝復雜或需要老人頻繁操作的弊端，是一個符合國情、符合國家規(guī)范的集遠程控制和本地控制于一體的安防控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體概述

“老人居家安全管理系統(tǒng)”融軟硬件于一體，是基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等高級技術(shù)融合的系統(tǒng)工程，由云平臺、老人端、子女端及第三方服務端組成。通過數(shù)據(jù)中樞分析異常操作并根據(jù)操作下達正確指令，同時數(shù)據(jù)中樞和傳感器等設(shè)備同Wi-Fi無線網(wǎng)或ZigBee下，解決了傳統(tǒng)預警設(shè)備、線材凌亂的現(xiàn)狀。同時為住宅與應急情況提供了一套完整性、全局性、可操作性、安全可靠的數(shù)字化平臺，使得住戶在遇到緊急情況前可以有效預防、緊急情況下及時通報、緊急情況后有記錄可查，為老人的日常生活提供保障。平臺功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺功能架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)功能描述

系統(tǒng)采用自上向下方法開發(fā)，將計算機、無線傳感器、自動控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡技術(shù)等綜合運用[4]，當檢測異常時，啟動語音播報功能播放對應的音頻文件通知老人，同時通過“阿里云”服務器（以下簡稱為服務器）推送報警信息至子女和第三方機構(gòu)。系統(tǒng)主要分成五個相對獨立的模塊，包括：煤氣和煙霧監(jiān)控、安全用電監(jiān)控、異常用水監(jiān)控、門窗安全監(jiān)控、離床狀態(tài)監(jiān)控。

1）煤氣和煙霧監(jiān)控。安裝煤氣和煙霧報警器，將采集到的氣體信號轉(zhuǎn)化為中樞可以識別的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)分析與處理。

2）安全用電監(jiān)控。系統(tǒng)采用施耐德的低壓空氣斷路器和隔離開關(guān)MasterpactMTZ1，設(shè)計漏電保護、接地故障保護、電路過載以及短路等功能，檢測到用電是否異常。

3）異常用水監(jiān)控。由水流量檢測裝置、電池外殼/發(fā)射器（與傳感器連接）組成，通過插入水流的運動部件和表盤機構(gòu)之間的磁力耦合，檢測用水是否存在異常情況并對其信號進行處理。

4）門窗安全監(jiān)控。采用磁性干式簧管檢測門窗的開關(guān)情況，通過磁鐵的磁力引起開關(guān)的通斷采集信息，并分析門窗開啟模式是否異常。

5）離床狀態(tài)監(jiān)控。通過床墊采集老人臥床時的身體指標（溫度、壓力、心率等）和離床時間數(shù)據(jù)，采用高靈敏度及高柔性的觸覺傳感器和溫度傳感器分析壓力情況及溫度采集情況，檢測是否存在長時間未臥床、異常時間起床后未再次臥床、臥床期間異常運動、臥床時間異常、體溫變化異常等情況。

設(shè)備形態(tài)為床墊夾層，設(shè)備標準尺寸為1.4m×1m×0.3cm，采用陣列排列，藍色為觸覺傳感器，紅色為溫度傳感器。離床溫度分布狀態(tài)如圖2所示。

圖2 離床狀況監(jiān)控

2.3 系統(tǒng)傳輸闡述

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸在采集設(shè)備和本地中控設(shè)備、本地中控設(shè)備和云服務之間均采用了雙軌道傳輸模式，避免了無線網(wǎng)絡受到干擾時單一傳輸通道穩(wěn)定性較差的問題，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準確性。

本地傳輸設(shè)備包括了ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)分析器、Wi-Fi網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、ZigBee/TCP網(wǎng)關(guān)、NB-IOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)模組，功能詳見表1。

表1 本地傳輸設(shè)備功能

云上服務包括數(shù)據(jù)的接收、分析、存儲和通知下發(fā)，詳細功能見表2。用戶數(shù)據(jù)私密性：用戶數(shù)據(jù)在非緊急情況下只進行本地處理與儲存，本地用戶組與服務器間的數(shù)據(jù)僅包含設(shè)備運行情況、設(shè)備運行測試數(shù)據(jù)。在緊急情況時，將上傳只關(guān)于此次緊急情況的數(shù)據(jù)。但是此數(shù)據(jù)將在本地用戶組上進行加密處理，無法通過服務器進行精準的數(shù)據(jù)查看與更改。只有得到用戶許可以及用戶自主設(shè)置的唯一ID后，才能進行解密操作。

表2 云上服務功能

3 系統(tǒng)特點

1）降低實施成本。不用采取大規(guī)模鋪設(shè)的方式，也不必更改復雜線路，而通過Wi-Fi、ZigBee為媒介，易于安裝。

2）內(nèi)置充電模塊。硬件設(shè)備內(nèi)置充電模塊，不局限于依賴電力線路[5]，實現(xiàn)了斷電的緊急情況下的數(shù)據(jù)保護及安全防護。

3）實時精準報警。能夠?qū)ΡO(jiān)測到的事故進行分類實時報警通過多方式推送到用戶手中。

4）信息化管理。用戶可以通過手機APP、微信公眾號、PC平臺進行多維度監(jiān)測和管理，極大地拓展了用戶的使用環(huán)境。

5）信息可追溯。將異常行為警報通知下發(fā)后，將在服務器中儲存副本，以免本地數(shù)據(jù)丟失后造成的不便。

6）用戶數(shù)據(jù)保密性。用戶數(shù)據(jù)在不存在異常的情況下將儲存在本地的數(shù)據(jù)庫中，異常數(shù)據(jù)在上載到服務器的時候使用只有用戶設(shè)置的唯一用戶密鑰進行數(shù)據(jù)解鎖。

4 系統(tǒng)創(chuàng)新

4.1 技術(shù)創(chuàng)新

該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)、ZigBee等高級技術(shù)，緊緊圍繞居家管理需求，通過各類傳感器，采集各種信息到本地數(shù)據(jù)中樞。借助數(shù)據(jù)中樞分析異常操作并根據(jù)操作下達正確指令，同時，具有全面的功能、簡單的操作、友好的界面；擁有良好的硬件接入能力，全無線通信傳輸；具備很好的靈活性、開放性和完備的二次開發(fā)力，可適應該系統(tǒng)升級和功能擴充維護；無須老人操作，自動監(jiān)控環(huán)境，使得住戶在遇到緊急情況前可以有效預防，緊急情況下及時通報，緊急情況后有記錄可查，為老人的日常生活提供保障。

4.2 工藝創(chuàng)新

系統(tǒng)對外提供統(tǒng)一的、通用的接口標準，實現(xiàn)智慧居家安全管理系統(tǒng)與通用設(shè)備之間的信息無縫傳輸，提高安全服務質(zhì)量和效率；考慮到住房的不確定因素，采用耐水、耐熱、防磕、防碰、耐磨等特殊工藝應用于產(chǎn)品的各個模塊以及總控。

5 系統(tǒng)應用情況

該系統(tǒng)自2021年4月份起已經(jīng)開發(fā)完成并經(jīng)過嚴格測試，先后提供給曹妃甸周邊地區(qū)部分社區(qū)和家庭進行試用。累計防止老人走失60余人次；有效避免多起煤氣泄漏、水浸事件、火災事故等。例如：為某養(yǎng)老機構(gòu)提供的離床監(jiān)控服務，得到該院的肯定與好評；為某學校學生公寓區(qū)域異常用水成功進行報警，近一年及時、有效地制止了3次跑水事故，避免了學校財產(chǎn)損失；為某商業(yè)公寓提供的門窗安全監(jiān)控、煙霧監(jiān)控，應用效果良好。根據(jù)回訪調(diào)查好評率高達98%以上，故障率為1%，收獲了良好的口碑，具有很好的可行性和推廣性。

6 結(jié)語

加快智能化居家養(yǎng)老監(jiān)管，積極應對人口老齡化，將是未來社會發(fā)展的重要組成部分。基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺的居家老人防護系統(tǒng)的出現(xiàn)，代表著我國社會未來發(fā)展的一種趨勢[6]。系統(tǒng)充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)在社會服務中的作用，創(chuàng)新網(wǎng)絡化服務模式，旨在助力數(shù)字化社區(qū)建設(shè)、智能化社會養(yǎng)老、數(shù)字鄉(xiāng)村振興計劃，讓科技為老年人所用，用最小的成本、最好的服務守護老年人安全，最大程度地減少老年人意外事故的發(fā)生，替子女守護老人，其對于改善我國嚴峻的養(yǎng)老問題、緩解子女壓力等發(fā)揮著極其重要的作用。