基于物联网的智能老人防走失系统设计

1.引言

随着老龄化社会的到来，对老年人的健康监测和安全保障需求日益增长。智能老人防走失手环作为一种可穿戴设备，能够实时监测老人的位置信息、健康数据（如心率、血氧饱和度、血压、步数等），并在紧急情况下及时发出警报，为老年人的生活提供了有力的保障。本设计方案基于LoRa及ESP32C6单片机，旨在打造一款超低功耗且功能丰富的智能老人防走失手环。

2.系统总体方案设计

系统总体方案设计框图如图1所示，按物联网体系架构，划分为三层：

（1）感知层：通过手环中集成的GPS模块及监测LoRa RSSI信号强度，确定手环佩戴带者的地理位置信息；集成的健康检测传感器模块实现对多种生理参数的实时监测，包括心率、血压、血氧饱和度及脉搏波形等；集成的九轴惯性测量单元检测人体的运动姿态、动作幅度和频率信息。

（2）网络层：作为感知层及应用层之间的纽带，将感知层通过定位、健康、惯性检测单元传感器采集的位置、人体健康及运动信息传送至LoRa WiFi边缘网关进行数据预处理，网关作为MQTT客户端，将处理后的设备数据封装成消息（Message），按照预设的主题（Topic）发布到云平台的MQTT服务器（Broker）。

（3）边缘网关对接收到GPS经纬度及RSSi信号进行分析，进行地理围栏校验：当判别到手环位置超出围栏时，本地即时触发警报；通过串口显示屏实时显示老人的健康状态，如遇意外，发出语音提示警报。

（4）应用层：云平台作为订阅方，通过订阅对应主题实时接收消息，主要功能是对订阅的感知层数据进行统计、分析及处理， 监护人通过 Web网页及手机 APP观察老人的位置、健康状态等信息。

3.系统硬件设计

手环硬件电路设计框图如图2所示。

手环硬件电路组成：

（1）主控制器：ESP32-C6WROOM-1模组，基本信息如下：

核心芯片：基于ESP32 - C6芯片打造，这是一款集成了32位RISC - V处理器的芯片，具备不错的运算能力，能应对多种复杂任务。

无线功能：支持Wi - Fi 6（802.11ax）和蓝牙5（LE），提供高速稳定的无线连接，既可以实现快速的数据传输，又能方便地与各种蓝牙设备进行通信。

丰富的外设接口：拥有SPI、I2C、UART、GPIO等多种常见的外设接口，方便与各种传感器、执行器以及其他外部设备进行连接，实现数据的采集和控制。

低功耗设计：具备多种低功耗模式，比如深度睡眠模式、轻睡眠模式等。在不同的应用场景下，可以根据实际需求灵活切换工作模式，有效降低功耗，延长电池供电设备的续航时间。

（2）健康检测模块：型号为JFC103，通过UART与ESP32C6连接，传输控制指令及实时采集数据信息。

（3）GPS模块：型号为SR2631U10，通过UART与ESP32C6连接，支持高性能单北斗，北斗二号和三号，超低功耗。

（4）LoRa模块：核心芯片型号为SX1278，通过SPI接口传输收发信息。工作在半双工状态，通过RX/TX设定处于接收或发送状态。

（5）电源电路模块：考虑体积及安全性，采用Li聚合物电池为手环供电电源。

（6）其它：为了减少体积采用无源蜂鸣器; 提供一个按钮，在发生紧急情况时，可按下按钮，上报紧急情况；Li电池分压后接入ESP32C6 引脚，进行电量监测。

边缘网关硬件电路设计框图如图3 所示。

边缘网关硬件电路设计组成：

主控制器：ESP32-C6WROOM-1模组，通过SPI接口连接LoRa模组与手环通讯。通过芯片中集成的WiFi模块与云平台通讯。

LCD串口屏：采用陶晶驰X5系列480x480分辨率ISP电容触摸屏，提供音频播放功能，可编程实现语音播放提示及报警功能。

电源供电输入为+5V，可用手机充电器或其它+5V输出的电源供电。

4.系统软件设计

（1）手环软件设计

在Arduino IDE开发环境下进行软件编程，需下载支持ESP32C6的esp32 by Espressif库；实现LoRa各节点通讯，需下载RadioLib库；实现GPS NMEA数据格式的解析，需下载NMEA_Parser库。手环软件控制流程图如图4所示。

（2）智能网关软件设计

在Arduino IDE开发环境下进行软件编程，将手环通过LoRa无线通讯发送的地理位置、健康状态、运动状态等信息通过WiFi基于MQTT协议发布消息到云平台，同时接收订阅的下发指令进行相应的处理。将接收到的手环的信息实时显示在LCD串口屏上，并对异常信息进行分析处理，生成语音报警信息通知监护人员。

（3）WiFi与云IoT平台联网关设计

在云平台，进入 “设备” 页面，点击 “添加设备”，创建物模型。通过三元组信息进行设备身份验证，验证成功之后连接 MQTT客户端。

（4）手机APP开发

在Android Studio开发环境下进行软件编程，手机APP作为智慧防老年人走失手环的重要组成部分，负责接收、处理并展示手环上传的数据。APP界面简洁明了，方便家人随时查看老年人的位置信息、健康状况及运动状态。同时，APP还支持设置安全区域、接收紧急求助信息等功能，为家人提供全方位的监护服务。

5.总结

基于LoRa、GPS、健康检测模块、ESP32的防老人防走失手环，通过多技术融合实现了“定位精准、通信可靠、超低功耗、功能多元”的目标，是在智慧养老领域的一种尝试性应用。未来可进一步结合AI算法（如行为模式分析）和5G/LTE-M等新技术，提升系统智能化水平和适用范围，为老龄化社会提供更完善的安全保障解决方案。

[1]陈家祺，黄诗佳，冉浩，等.基于ESP32物联网北斗定位系统智能OLED手环的设计[J].电子制作，2024，32（05）：25-27.DOI：10.16589/j.cnki.cn11-3571/tn.2024.05.004.

[2]钱雪微，郝自勉，李迎霞，等.基于“LoRa+WiFi”无线网络的智慧景区管理系统[J].物联网技术，2024，14（07）：66-70.DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.07.017.

[3]沈艳，张童，陈明强，等.基于STM32的智慧养老监护系统设计[J].无线互联科技，2025，22（03）：60-64.

[4]钱雪微，郝自勉，李迎霞，等.基于“LoRa+WiFi”无线网络的智慧景区管理系统[J].物联网技术，2024，14（07）：66-70.DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.07.017.

黑龙江省大学生创新训练项目 S202410214060

项目来源：黑龙江省大学生创新训练项目 名称：基于物联网的防走失手环 编号：S202410214060

曾钰湘（2004.7-），女，

湖南永州人，

本科学历，

学生，哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院，

研究方向：物联网的应用。

单位邮编：150080

王冉羽（2004.5-），女，

河南周口人，

本科学历，

学生，哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院，

研究方向：物联网的应用。

孙晨诚（2004.5-），女，

四川绵阳人，

本科学历，

学生，哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院，

研究方向：物联网的应用。

臧娜（2004.7-），女，

江苏徐州人，

本科学历，

学生，哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院，

研究方向：物联网的应用。

欧阳颖（2004.7-），女，

湖北武汉人，

本科学历，

学生，哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院，

研究方向：物联网的应用。