基于Wifi和Arduino的空巢老人智能家居系统设计

王希娟



基于Wifi和Arduino的空巢老人智能家居系统设计

王希娟

（陕西国际商贸学院信息与工程学院，咸阳 712046）

居家养老方式随着空巢老人数量的增多正面临着巨大的考验，而伴随着物联网发展的智能家居则可以有效缓解这一社会现状。因此，设计开发一套能够解决空巢老人的日常照料、安全防范、健康娱乐等问题的智能家居系统是具有应用价值和市场前景的。笔者通过对多地空巢老人问卷调查、掌握社会需求后，最终确定了系统开发要采用的工具和关键技术，并对系统架构、系统功能和无线传感网进行了设计和构建。

空巢老人；智能家居

0 引言

目前，我国老龄化问题突显，“空巢老人”突增，其中大城市的平均比例已超过30%，传统的家庭养老方式面临极大的困难。近年来，物联网技术的兴起为智能家居带来蓬勃生机，特别是以关爱老年人健康、提升老年人幸福指数为核心的智能化家居养老方式，既可以为空巢老人提供安全、便捷、健康和舒适的现代化养老服务，又是传统家庭养老的有效补充。

1 需求分析

据统计，“空巢老人”面临的主要问题包括缺乏生活保障、日常照料和精神慰藉。而作为城市里的“空巢老人”，往往有一定的养老金，自身经济独立且有独立的生活空间，因此，经济保障对于这些老人而言就显得不那么重要了。城市“空巢老人”面临的问题更多的集中在“日常照料”和“精神慰藉”两方面。有些老人在家中生病、猝死不能被及时发现，有些老人虽然身体安康，但是存在不同程度的焦虑不安、孤独抑郁等情绪而不能及时排解，以致于在一些发达国家中，老年人自杀现象频发。

智能家居在沉寂了若干年后，终于在物联网技术的推动下峰回路转，迎来了新的发展契机。如果将智能家居作为家庭养老的有效补充，则可以不同程度的缓解“空巢老人”带来的诸多社会问题。智能家居可以使用无线传感器对老年人的心率、血压等指标进行监测，老年人足不出户便可让医生随时了解病情，以便异常时及时援救；可以通过在家具、家电或衣物中嵌入传感器，帮助医生及时监控他们的健康状况；还可以通过射频识别技术对药品进行比对，降低老年人误用药品的概率；对医护人员也可以通过无线传感器网络进行定位、监控，保持患者和医生的联系。

目前适用于空巢老人的智能家居系统成型产品尚少，因此，笔者在北京、重庆、西安、咸阳、宝鸡、铜川等多地开展了关于“空巢老人”智能家居系统功能需求的问卷调查。在本次调查中，共发放调查问卷8705份，其中，回收调查问卷8656份，有效调查问卷8607份。本次问卷针对于空巢老人对智能家居系统的功能、终端控制器、产品价格和年龄等方面进行了调查，统计的数据，如表1所示。

表1 空巢老人对智能家居系统问卷调查数据统计表

根据表1的数据可以看出，在年龄方面，76岁以下的空巢老人对智能家居系统比较感兴趣且需求量大，特别是61岁-75岁之间的受访者需求量最大。在功能需求方面，安全防盗功能需求量最大，占35%；家电控制需求量次之，占30%；其他需求方面，医疗需求较多，占14%，而对于照明、娱乐、环境监测等功能均有不同程度的需求。在终端控制器的选择上，34%的受访者认为语音控制最好，而手机、电脑控制需求量也较大，分别占27%和21%。在产品价格方面，43%的用户选择了1000元以下，29%的用户选择了1000元至5000元，少部分受访者可以接受5000元以上的产品。

综上所述，空巢老人最需要的智能家居系统功能主要集中在安全防盗、家电控制和医疗等方面，产品价格在1000元左右为宜，而终端控制器最好采用语音控制，其次是手机或电脑控制。因此，本系统的硬件选材应在保证功能实现的基础上尽可能的降低价格成本，控制器方面则选用目前普遍使用的Android智能手机。

2 开发工具和关键技术

空巢老人智能家居系统以物联网为基础基于开源、性价比高的Arduino单片机开发，采用Android智能手机与Arduino单片机Wifi通信的方式进行系统控制。因此，本系统所涉及的开发工具和关键技术包括：

2.1 Arduino单片机

作为空巢老人智能家居系统开发的核心，单片机的选择尤为重要。市场上单片机的品种众多，常见的有51系列单片机、PIC系列单片机、AVR系列单片机、MSP系列单片机和ARM系列单片机。本系统采用AVR系列的Arduino单片机进行设计开发。Arduino单片机除了继承AVR系列单片机速度快、安全性强、价格便宜等优点外，还具有编程门槛低、功能函数化处理、与手机等终端设备对接方便、软硬件开源、可与多种电子元件进行简单的插拔连接等优势。进行硬件驱动程序编程时，Arduino使用基础的C语言即可。

2.2 传感器技术

传感器技术与通信技术、计算机技术齐名，并称为信息技术的三大支柱。在物联网中，人们借助于传感器来感知万事万物，正如人们利用自己的五官感知世界一样。但是通过五官感知的外界信息是极其有限的，而传感器可以感知的信息量则是巨大的。传感器有两个显著的特点，一个是“感”，另一个则是“传”。其中，“感”指的是传感器可以自动检测到被测的信息；“传”则指的是将检测到的信息自动处理成一定规律的电信号或其他形式的信息之后进行传输。因此，传感器是可以满足信息的感知、处理、传输和控制要求的一种检测设备。

在物联网中，传感器可以独立存在，也可以与其他设备集成，但不论以哪种方式存在，它都是物联网感知万事万物的关键部件。传感器通常由敏感元件和转换元件组成。其中,敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

传感器应用领域广泛，种类众多。按被测参数分类，传感器包括温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等；按工作原理分类，传感器包括有应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器等。随着科技的进步，将来还会有更多的传感器出现。

物联网发展以来，传感器地位日益高涨，以美、日、英为代表的多个国家先后将传感器技术列为重点发展技术。据统计，在世界各国的科研经费当中，传感器的经费在美国占到了20%，日本约占19%，西欧占21%，而中国仅有1%。例如，一辆普通家用轿车中需要安装几十到上百个传感器，豪华轿车则更甚，传感器高达200多种。

YoleDeveloppement数据显示，传感器消费类应用比重最大，规模可达到59亿美元，占传感器产品市场的45%，预计2019年将超过100亿美元。我国手机类传感器应用，占到传感器市场的1/4。上海世博会中，使用无线传感器网络对所进入园区的人、车、噪声等进行了实时监测，充分保障了世博会的安全。

近几年来，传感器在可穿戴设备领域的应用激增。据全球居领先地位的关键信息、产品、解决方案和服务供应商IHS的数据显示，单个可穿戴设备所用传感器的平均数量2013年为1.4颗，预计2019年将增长为4.1颗，总出货量将从2013年的6700万颗上升至2019年的4.66亿颗，这也意味着传感器的时代正在到来。

2.3 Wifi技术

无线上网就是一种以家中ADSL、小区宽带等有线网为基础，通过安装的无线路由器将有线信号转换成无线信号，从而实现无线终端（如笔记本、pad、智能手机等）接入Internet的上网方式。而WiFi无疑是这种无线上网方式中最流行的技术，一般在大城市比较常见[1]。WiFi（Wireless Fidelity）既是一种适用于短距离传输的无线高保真信号通信的技术，以1997年推出的IEEE802.11b标准为基础，能够在百米内实现无线信号的Internet接入。后来，随着IEEE802.11a、IEEE802.11g、IEEE802.11n等标准的出现，IEEE802.11标准则被认为是WiFi技术的标准[2,3]。

WiFi技术主要工作在2.4GHz频段，采用直接序列扩频技术，支持多种传输速率，最高可达54Mbps，虽然安全性和传输质量没有蓝牙技术高，但比蓝牙技术在信号覆盖范围和传输速度方面更具优势。除此之外，WiFi技术还具有扩展性强、组网便捷等特点，是ZigBee技术不可比拟的[4]。

WiFi技术是对以太网的扩展，当用户位于接入点的有效覆盖范围内，多个用户可以同时从该接入点接入，带宽也被连接的用户共享，一般不受墙壁等障碍物的阻隔，但无线信号会有所衰减。WiFi技术目前已被广泛应用于家庭、办公室、饭店、校园、商场、酒店、机场等场所[5]。特别是对于移动通信的3G、4G技术而言，WiFi技术是对它们的有效补充，主要表现在以下方面[6]：

（1）WiFi技术提供的带宽较高

虽然3G系统能够提供2Mb/s的带宽，但是对多个用户所共享的，连接的用户越多，速度越慢，特别是多媒体业务的猛增，用户的无线传输速率相对较低。而WiFi接入的有线网可以对用户数量进行要求，一般接入的用户量较少，每个用户所分享的带宽就会比较高，数据传输速率相对较高。

（2）WiFi技术的费用较低

电信运营商对WiFi进行了大规模商业应用，接入费用仅需支付有线网和路由器的费用即可。而3G、4G系统一般是根据用户所耗费的数据流量进行收费，耗费越多，费用越高，特别是多媒体数据的传输将耗费较多数据流量，因此费用相对较高。

（3）WiFi技术是移动通信技术的有效补充

在3G、4G时代，手机基站由于自身带宽不够，而用户数据需求巨大，WiFi的广泛应用是对移动通信业务的有效补充，也受到广大用户的喜爱和推崇。

3 系统架构设计

空巢老人智能家居系统是基于Wifi&Arduino平台设计开发的，根据需求分析进行了系统架构设计，如图1所示：

图1 空巢老人智能家居系统框架结构图

空巢老人智能家居系统架构主要包括无线传感网、Arduino网关、Wifi串行通信和Android智能手机四部分：

3.1 无线传感网

无线传感网由布设在家居环境中的多种不同功能的无线传感器组成，以实现对家居环境各种监测对象的实时感知、数据采集和处理。多种传感器可以通过多跳传输的方式实现自动构建无线网络，以提供给网络终端用户使用。无线传感器网络使用的传感器具有体积小，种类和数量多，以及价格低廉等特点，除了可以对目标区域的温度、湿度、粉尘、气体等环境因素进行监控外，还可以对移动物体的大小、速度和方向等进行监控。

3.2 Arduino网关

由Arduino主控板连接各子系统功能模块，如环境监测功能模块、安全防范功能模块、生活照料功能模块和健康娱乐功能模块等，主要完成各种监测数据的实时采集和子系统功能硬件驱动的功能，以实现对空巢老人的日常照料和心理慰藉。Arduino网关通过与无线传感网的交互，实现家庭环境中多种监测数据的实时采集；Arduino网关通过与智能手机的WiFi串行通信，可以让用户随时随地的掌握家庭环境状况，还可以对智能家居系统进行智能控制。

3.3 Wifi串行通信

将Android智能手机控制指令通过WiFi传递给Arduino网关，由Arduino单片机实现系统各功能模块的驱动，还可以将实时采集的数据通过WiFi串行传输到Android智能手机上显示。

3.4 Android智能手机

Android智能手机是本系统的终端控制器。在WiFi通信软件的支持下，Android智能手机可以通过WiFi模块发送指令来控制Arduino网关驱动各种子系统硬件实现其功能，同时也可以实时接收并显示如环境的温湿度、光照度、老人心率等多种监测数据。其中，WiFi通信软件在Android平台下自行设计开发。

4 系统功能设计

空巢老人智能家居系统主要以实现老年人家庭环境的监测、安全防范、日常照料和健康娱乐等功能为目标，具体划分为5个子系统，如图2所示：

图2 空巢老人智能家居系统功能结构图

4.1 环境监测子系统

在环境监测子系统中，通过由功能各异的传感器构建的无线传感器网络实现对家庭环境的各种数据进行实时采集。无线传感网中涉及的传感器主要包括温度传感器、湿度传感器、火焰传感器、烟雾传感器、一氧化碳传感器、PM2.5颗粒物监测传感器、光照度传感器等，可以完成对家庭环境的温度、湿度、火灾、煤气、粉尘、光照度等信息的实时监测，如有异常，立即报警。

当监测到室内的一氧化碳或者粉尘超标时，子系统可以有秩序的自动开启房间内的窗户，进行空气对流。当室内有火焰且温度、烟雾超标时，子系统可以自动开启喷水装置进行灭火。当室内光线黯淡或者充足时，环境监测子系统可以联动照明子系统自行调节LED照明灯具的开启。

4.2 门禁子系统

在门禁子系统中，主要提供了入户身份验证机制，用户可以通过使用IC卡或钥匙扣刷卡入户。当用户连续五次刷卡不成功，则会自动发出警报。该子系统中主要使用了RFID-RC522读卡模块、标准S50空白卡（即IC卡）或S50异形卡（即钥匙扣）等硬件设备。

4.3 防盗子系统

防盗子系统会在家庭的各窗户周围布设红外感应传感器，实现对非法入侵者的监测，如有异常情况，系统自动启动报警装置进行报警。

4.4 照明子系统

根据环境监测子系统布设的光照度传感器实时监测的光照度数据，照明子系统可以实现功能联动。当室内黯淡的光线超过设定的时长时，照明子系统则自动开启室内的LED照明灯具；反之，当室内光线充足到一定的时长时，照明子系统则自动关闭室内的LED照明灯具，以达到节约电力资源的效果。

4.5 辅助子系统

辅助子系统作为空巢老人智能家居系统功能的有效补充，可以实现家居环境的智能化、人性化，主要包括四部分内容，如图3所示：

图3 空巢老人智能家居辅助子系统功能结构图

（1）智能垃圾桶

智能垃圾桶可以为空巢老人提供一种具有夜光照明功能，并可以使用Android智能手机控制其自由移动的智能化服务，当垃圾将满时还可以向用户发出警报。该设备不仅能够按照手机指令驱动电机遥控垃圾桶前进、后退、左转和右转，在移动的过程中，还可以通过红外避障传感器监测的障碍物信息自动避障。该设备在外层桶体表面涂抹有环保无辐射的蓄光型夜光材料，为夜晚漆黑的环境带来亮度，老年人起夜无须开灯。

（2）智能鱼缸

智能鱼缸可以随时监测水温、水污染程度，并且能够调节鱼缸中的LED灯光，为鱼缸中的鱼儿提供一个舒适、智能化的生活环境。

（3）智能浇花器

智能浇花器是一种可以自动控制或者用户手机指令控制其给花卉浇水的设备，主要硬件包括土壤湿度传感器、电位器、继电器、潜水泵等。

（4）可穿戴设备

可穿戴设备则主要提供了一款心率测试手环，用户可以通过佩戴该手环，随时随地的对用户的心跳速率进行监测。该手环采用了脉搏传感器作为主要电子器件，可以将监测的心跳速率以图形的方式显示在Android智能手机中，方便用户随时掌握自己的心率状况。特别是空巢老人佩戴该设备以后，子女即使不在身边，也可以随时了解老人的健康状况。

5 无线传感网的构建

本系统的无线传感器网络主要由家居环境现场、无线传感器节点、汇聚节点、收发模块、外部网络和管理节点组成，如图4所示。

图4 空巢老人智能家居系统无线传感器网络结构图

在该网络结构中，家庭环境布设的多个无线传感器构成了观测节点，实现对家居环境现场的监测对象进行数据采集和数据的简单处理。各观测节点通过无线通信的方式进行自组网络，并在该网络上相互协作，通过一定的路由策略将处理的数据在各观测节点上传输，最后聚集到汇聚节点。汇聚节点将收到的信息传输到外部网络后，经过外部网络传输到终端用户的管理节点上，由终端用户进一步处理和控制。各组成部分的具体功能如下：

5.1 家居环境现场

家居环境现场是无线传感器网络的监测目标区域，在该区域中部署大量的无线传感器，利用这些传感器对目标区域的不同对象进行实时监测。

5.2 无线传感器

家居环境现场中部署的无线传感器是无线传感器网络的基本单元，由它们来承担家居环境现场的信息采集、处理和传输工作。各无线传感器通过相互协作，完成对大量原始数据的采集、处理工作，并将处理后的数据传输给Arduino单片机。各无线传感器采用的微处理器和通信协议虽然不同，但设计原理相近。典型的传感器节点有Berkeley Motes、Sensoria WNIS、Smart Mesh Dust mote、Intel iMote和Intel Xscale nodes等。

5.3 收发模块

本系统收发模块即为Arduino单片机构建的Arduino网关，它是无线传感器网络和外部网络的中转站，主要通过串行通信接口实现与外界网络Internent的通信，即无线传感器将感知的数据信息通过Arduino单片机发送至外部网络，而终端用户的管理指令则由外部网络经Arduino单片机发送至无线传感器节点。

5.4 外部网络

本系统外部网络采用Internet，将收发模块传送的数据信息转发给终端用户，通过终端用户的Android智能手机显示出来。

5.5 管理节点

管理节点采用Android智能手机作为系统的终端控制器，主要用于接收采集的数据和发送用户指令，以达到实现系统功能管理的目的。

6 总结

空巢老人智能家居系统的功能是多种多样的，但最终的目标都不能偏离居家养老的便利、智能化、人性化等目标。空巢老人通过使用本系统，不仅在安全防范、家电控制等方面实现了智能化，更重要的是提供了多种家居用品，如智能垃圾桶、智能鱼缸和可穿戴的心率测试手环，让空巢老人的生活不再缺乏照料和关爱。

[1] 李先权.WiFi网络构建与应用研究[D].华南理工大学,2012:9-10.

[2] 曾强.WIFI无线传感器网络的设计与实现[D].中北大学,2012:6-8.

[3] 刘芳华.基于ARM的WiFi无线通信终端的研究与实现[D].武汉科技大学,2010:11-15.

[4] 梁霄霄.基于WiFi的LED照明控制系统的研究与实现[D].杭州电子科技大学,2013:12-14.

[5] 夏展.WiFi的楼宇监控系统设计与实现[D].太原科技大学,2013:9-11.

[6] 姜莉.基于WiFi室内定位关键技术的研究[D].大连理工大学,2010:19-21.

Design of Intelligent Home System Based on Wifi and Arduino for Empty Nest Elder

Wang Xijuan

(College of Information and Engineering,Shaanxi Institute of International Trade and Commerce, Xianyang 712046,China)

With the increasing number of the empty nest elders, the way of home care is facing a huge challenge. Intelligent home based on the Internet of things can effectively benefit the current situation of the society. Accordingly, the research of Intelligent home system, which can solve daily care, security, entertainment and other health problems for empty nest elder, will have wide application and market prospects. Through the questionnaire survey of empty nester eldens and investugatianes the social demand, the system development tools and key technologies are identified finally, and the system architecture, system function and wireless sensor network are also designed and constructed.

Empty nest elders; Intelligent home

1007-757X(2016)12-0019-04

TP311

A

陕西省教育厅科研项目（No.14JK2018）。

王希娟（1983-），女，陕西西安人，硕士，讲师、工程师，研究领域：物联网、智能控制，咸阳 712046

（2016.08.01）