趙　彥，許常青，邵逸煒

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院　物聯(lián)網(wǎng)工程學院，江蘇　無錫　214000)

互聯(lián)網(wǎng)+老人居家監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

趙彥，許常青，邵逸煒

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院物聯(lián)網(wǎng)工程學院，江蘇無錫214000)

摘要:針對傳統(tǒng)老人居家服務系統(tǒng)終端復雜、布線多的問題，提出基于“互聯(lián)網(wǎng)+”模式的具有遠距離監(jiān)控、燈光控制、防火、防盜、防漏、報警功能的老人居家監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以嵌入式處理器ARM Cortex-A8作為智能終端，采用ZigBee、RF-433、藍牙、無線網(wǎng)絡相結(jié)合的通信技術(shù)，滿足老人居家遠程監(jiān)控和家電控制的個性化需求。使用ZigBee建立家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡，WiFi通信實現(xiàn)外部對該系統(tǒng)的連接和控制，達到不破壞原有裝修結(jié)構(gòu)的目的。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效提高老人居家監(jiān)控的便利性和智能家居設(shè)備擴展方面的兼容性。

關(guān)鍵詞:互聯(lián)網(wǎng)+；Android平臺；遠程監(jiān)控；智能視頻監(jiān)控；嵌入式；老人居家

1老人居家監(jiān)控系統(tǒng)

隨著社會和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人民生活水平的提高，平均壽命延長，社會老齡化和家庭結(jié)構(gòu)的演變，空巢老人問題日益凸顯。智能化老人居家監(jiān)控系統(tǒng)利用“互聯(lián)網(wǎng)+”模式、移動互聯(lián)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依托現(xiàn)有產(chǎn)品和資源，構(gòu)建智能化老人居家監(jiān)控系統(tǒng)，探索智能化老人居家監(jiān)控系統(tǒng)的個性化設(shè)計，結(jié)合工業(yè)設(shè)計和人機交互設(shè)計，尋求實現(xiàn)滿足人口老齡化背景下居家監(jiān)控，對老人身心健康提供有力保障，對于促進和構(gòu)建和諧的老齡社會具有重要意義。

目前現(xiàn)有的系統(tǒng)通常采用移動終端藍牙模塊結(jié)合軟件實施監(jiān)控，控制方式單一、成本偏高，工薪階層難以接受。然而，傳統(tǒng)的老人居家監(jiān)控系統(tǒng)采用大量實線連接，不但成本高，而且安裝過程需要破壞原有房屋裝修結(jié)構(gòu)，對于具有環(huán)境依賴感的老人們而言難以接受房屋改造，且不具備良好的可擴展性。本文采用“互聯(lián)網(wǎng)+”模式，將ZigBee、短信息、藍牙、WiFi網(wǎng)絡等通信技術(shù)運用得淋漓盡致，在不破壞原有裝修的基礎(chǔ)上，構(gòu)建可靠性高、便利性強的智能化老人居家監(jiān)控系統(tǒng)，并以模塊化的形式呈現(xiàn)，增強系統(tǒng)可擴展性的同時降低成本。整套系統(tǒng)能提升家居環(huán)境的舒適性、安全性、便利性、藝術(shù)性，并達到節(jié)能環(huán)保的效果。

2總體方案設(shè)計

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的智能化老人居家監(jiān)控系統(tǒng)，依賴于高速無線傳感網(wǎng)技術(shù)，使用無線和有線混合接入技術(shù)，采用性能高、能耗低的嵌入式處理器作為控制中心，完成遠程居家信息、音視頻信息的實時采集、處理，為老人智能家居環(huán)境提供強大“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)支持。該系統(tǒng)設(shè)計方案以其獨到的自由組合模式呈獻給用戶，憑借物美價廉的優(yōu)勢，具有廣闊的市場前景[1]。

該系統(tǒng)由中間協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點構(gòu)成，共分為感知層、網(wǎng)絡層、應用層三大部分。其中物聯(lián)網(wǎng)感知層的功能由終端節(jié)點實現(xiàn)，用于采集家居環(huán)境的數(shù)據(jù)信息[2]，主要包括能耗、光亮、水浸、門磁、煙霧等信息的采集；網(wǎng)絡層的功能由協(xié)調(diào)器實現(xiàn)，通過擴展串口、以太網(wǎng)口連接通信模塊聯(lián)網(wǎng)，終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器連接ZigBee無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；應用層向用戶提供各種展示平臺，包括PC端、手機端、PAD端及互聯(lián)網(wǎng)客戶端，完成信息收集、分析和監(jiān)控功能。整套智能化老人居家監(jiān)控系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1　互聯(lián)網(wǎng)+老人居家監(jiān)控系統(tǒng)方案圖

3系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能

整套智能化老人居家監(jiān)控系統(tǒng)以移動手持PAD作為主控設(shè)備，實現(xiàn)如下功能。

1)實時監(jiān)控：網(wǎng)絡攝像頭通過WiFi傳輸實時音視頻影像。家人可通過手機實時查看居家老人的實時影像。遇到問題或有報警產(chǎn)生時，社區(qū)服務人員可以通過PAD查看老人居家的實時影像，并與老人進行對話。

2)安防功能：充分保障老人居住環(huán)境的安全，一旦家庭受到非法入侵，火災、偷盜、水災、報警等主要問題，對應位置的傳感器檢測到的事件發(fā)生，ZigBee模塊和RF-433模塊利用室內(nèi)的無線網(wǎng)絡，將信號發(fā)送給智能終端。經(jīng)過智能終端處理，最后將警報信息通過無線信號，以數(shù)據(jù)流的方式發(fā)送到PAD或手機上，PAD截獲并識別信息，然后進行處理，實現(xiàn)居家安防功能。

3)燈光控制：當需要遠程控制燈光時，只要用手機發(fā)送指定命令給智能終端，智能終端接收指令，進行處理，發(fā)送給繼電器模塊，實現(xiàn)燈光控制。當ZigBiee模塊接收到光敏傳感器發(fā)送的信號時，ZigBiee模塊將信息發(fā)送到智能終端，智能終端發(fā)送數(shù)據(jù)給PAD，PAD截獲信息后，返回指令給智能終端，智能終端識別指令，通知繼電器，實現(xiàn)對燈光的自動控制。手機和PAD將同步顯示燈光的狀態(tài)和結(jié)果。

4)火災報警：安裝在室內(nèi)的煙霧傳感器實時監(jiān)控老人房間煙霧信息。煙霧傳感器監(jiān)測到煙霧信息時，立即將信號通過無線ZigBee模塊傳輸?shù)街悄芙K端，智能終端將火災信息發(fā)送到PAD和手機。PAD截獲信息后，返回指令給智能終端，智能終端識別指令，通知繼電器，開啟風扇，并通知聲光報警器報警。

4系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1硬件整體功能介紹

該系統(tǒng)以SamSungS5PV210ARMCortex-A8處理器構(gòu)建主節(jié)點，作為智能終端；通過藍牙、Internet網(wǎng)絡、無線信號與用戶的PAD、手機通信；將采集到的信息發(fā)送給PAD，PAD收到信息返回相應的控制控制命令。2.4GHz的ZigBee[3]、MODBUS-RTU繼電器作為從節(jié)點與老人家中的各控制器和傳感器進行通信。老人居家環(huán)境中的各終端設(shè)備，用于接收智能終端轉(zhuǎn)發(fā)的控制信息，實現(xiàn)對終端設(shè)備開關(guān)狀態(tài)的控制，如風扇、燈光、報警器等；同時，終端設(shè)備還會將傳感器采集到的信息反饋給智能終端。

4.2主節(jié)點硬件設(shè)計

智能家居網(wǎng)絡控制器主節(jié)點硬件主要由ARMCortex-A8處理器、CC2530ZigBee無線收發(fā)模塊、GSM模塊、WCDMA模塊、有線通信模塊、人機交互等組成，主節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖及實物如圖2所示。

圖2　主節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖及實物

CC2530是符合IEEE802．15．4[4]標準的無線收發(fā)模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)和傳送；ARMCortex-A8作為主節(jié)點的控制模塊；接口包括常用的RS-232、USB、RJ-45、RS-485等，該接口完成數(shù)據(jù)采集、獲取以及對設(shè)備的控制，以及和PC機的通信，實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試和監(jiān)測；藍牙模塊、GSM[5]、WCDMA、RF-433、WiFi，用于對遠程家居設(shè)備的監(jiān)控；本系統(tǒng)通過觸摸屏和按鍵的方式實現(xiàn)人機交互功能，電源實現(xiàn)系統(tǒng)供電。

4.3從節(jié)點硬件設(shè)計

“互聯(lián)網(wǎng)+”老人居家監(jiān)控系統(tǒng)的從節(jié)點硬件主要由ZigBee無線收發(fā)模塊[6]、紅外控制模塊、繼電器控制模塊、CC2530、人機交互等組成，設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。CC2530ZigBee[7]實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳送和收發(fā)；繼電器通過控制開、關(guān)控制強電電路開關(guān)，從而獲取設(shè)備狀態(tài)，并執(zhí)行相關(guān)操作；紅外遙控器通過紅外波實現(xiàn)對空調(diào)、電視機、電冰箱等家用電器的紅外智能控制；電源為系統(tǒng)供電。數(shù)據(jù)采集部分采集房間的光照、電功率、煙霧濃度、水位、門磁開關(guān)、固定報警等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)控制部分包括燈光、電扇、聲光報警、智能電表等。所有數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)換均需要與智能終端(主節(jié)點)交互。

圖3　從節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖及實物圖

5系統(tǒng)軟件設(shè)計

5.1軟件設(shè)計整體介紹

整套系統(tǒng)的軟件設(shè)計選用Windows7操作系統(tǒng)，配置JDK1.7，Android4.4W開發(fā)平臺，采用Eclipse開發(fā)環(huán)境，adt-bundle-windows-x86-20140702開發(fā)包，完成PAD端和手機端開發(fā)。

5.2PAD、手機與網(wǎng)絡攝像頭的通信

PAD端與手機端均通過WiFi、Internet網(wǎng)絡與網(wǎng)絡攝像頭通信。系統(tǒng)需要加載當前網(wǎng)絡攝像頭的JAR包(ipcamera.jar)。登錄畫面要求填寫攝像頭的配置信息，包括網(wǎng)絡攝像頭的IP、端口、連接名稱、音頻緩沖時間。

連接網(wǎng)絡攝像頭的方法如下：

try{

camera=newIpCamera(""，com.pcstar.people.utils.

Configuration.IPCAMERA_NAME，

com.pcstar.people.utils.Configuration.ip，

com.pcstar.people.utils.Configuration.port，

com.pcstar.people.utils.Configuration.name，

com.pcstar.people.utils.Configuration.password，

com.pcstar.people.utils.Configuration.IPCAMERA_TIME)；

}catch(Exceptione) {

// 異常處理

}

網(wǎng)絡攝像頭的其他操作可通過表1所示的方法實現(xiàn)。

表1網(wǎng)絡攝像頭的操作方法

方法名稱方法說明camera.play_audio();打開音頻camera.stop_audio();停止音頻camera.start_talk();打開對講camera.stop_talk();關(guān)閉對講camera.start_record();開始錄音camera.stop_record();停止錄音camera.start();打開攝像機camera.stop();關(guān)閉攝像機camera.ptz_control(Para);控制攝像機轉(zhuǎn)動(上、下左右停止)Para取值為:PTZ_COMMAND.T_UP、PTZ_COMMAND.T_DOWN、PTZ_COMMAND.P_LEFT、PTZ_COMMAND.P_RIGHT、PTZ_COMMAND.PT_STOP

老人居家監(jiān)控系統(tǒng)的視頻信息是監(jiān)控的重要信息。視音頻圖像采用M-JPEG[7]壓縮格式[8]，支持VGA/QVGA/QQVGA三種視頻分辨率，碼率128kbit/s～5Mbit/s，最大幀30f/s(幀/秒)，支持360°旋轉(zhuǎn)，內(nèi)置CMOS傳感器，自帶紅外燈，實現(xiàn)全天候監(jiān)控，自帶語音采集功能，實現(xiàn)雙向?qū)χv。系統(tǒng)運行時監(jiān)控畫面獲取圖像如圖4所示。

圖4　老人居家監(jiān)控系統(tǒng)PAD端運行效果圖(截圖)

5.3PAD、手機、智能終端之間的通信

近距離傳輸時，PAD與智能終端通過藍牙通信；遠距離傳輸時，通過Internet通信。具體處理步驟如下(以藍牙通信為例)：

1)判斷藍牙是否開啟，如果藍牙開啟執(zhí)行步驟2)，藍牙未開啟，執(zhí)行退出操作。

2)Handler接收并處理BluetoothChatService傳來的消息。

3)handleMessage(Messagemsg)處理來自智能終端的消息。

4)根據(jù)獲取的消息種類的不同進行處理，分為以下5種操作：

(1)PAD通過藍牙向智能終端發(fā)送指令完成相關(guān)處理，操作案例如下：

MainActivity.sendMessage(Configuration.RS485+Utils.getCRC("01" +Configuration.openPort3))；

(2)PAD通過Socket與手機端進行通信，通知手機完成相應處理。手機與PAD的通信也通過Socket實現(xiàn)。操作案例如下：

UDPClientSocket.send("F"，Configuration.PHONE_HOST，Configuration.PHONE_PORT)；

(3)PAD通過Socket與PC機進行通信，通知PC完成相應處理，操作案例如下：

UDPClientSocket.send("燈開了"，Configuration.PC_HOST，Configuration.PC_PORT)；

(4)PAD向自身數(shù)據(jù)庫寫數(shù)據(jù)，記錄當前處理的信息內(nèi)容，以備查看：

writeNewsToSql("光敏報警")；

(5)PAD自身彈出警告框，提醒用戶當前發(fā)生的事件：

Configuration.isLight=true；HomeVideoActivity.ledButton.setText("關(guān)燈")；

5)實時監(jiān)聽，收到來自智能終端的數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)到步驟3)處理。

6系統(tǒng)測試

對該系統(tǒng)視頻監(jiān)控子系統(tǒng)的測試內(nèi)容主要是通過PAD發(fā)送控制命令對WiFi網(wǎng)絡攝像頭進行控制測試，以獲取攝像頭在不同角度、不同距離對同一位置的視頻監(jiān)控畫面。經(jīng)過測試，視頻監(jiān)控子系統(tǒng)能夠達到預先期望的效果(如圖5所示)，完全可以投人使用。

圖5　監(jiān)控數(shù)據(jù)和執(zhí)行操作信息的查詢畫面(截圖)

將該系統(tǒng)應用在老人居家環(huán)境下，終端節(jié)點負責采集光照、煙霧、紅外入侵、水浸等感知信息及電燈等家電設(shè)備的控制，并固定安裝在監(jiān)控位置。用戶可通過手機、PAD多種方式監(jiān)控家庭環(huán)境。所有監(jiān)控數(shù)據(jù)和執(zhí)行操作均被寫入數(shù)據(jù)庫，執(zhí)行效率高，圖5展示的是監(jiān)控數(shù)據(jù)和執(zhí)行操作信息的查詢畫面。通過5 000多次反復監(jiān)控，指令接收、處理成功執(zhí)行率可以達到99.7%，指令相應速度靈敏，無卡頓現(xiàn)象，用戶體驗度高。

7系統(tǒng)創(chuàng)新點

與傳統(tǒng)的智能化老人居家系統(tǒng)相比，整套系統(tǒng)基于“互聯(lián)網(wǎng)+”模式，具備以下創(chuàng)新點：

1)控制方式多樣化：目前國內(nèi)外現(xiàn)有的老人居家系統(tǒng)通常采用手機藍牙通信，控制方式簡單、通信范圍不廣、線路復雜、費用高，不易被接受。該系統(tǒng)將GSM、藍牙通信、WiFi、Internet四種控制集于一體，實現(xiàn)PAD、手機、PC、智能終端間的通信。將傳統(tǒng)的PC作為主控設(shè)備，改為移動手持設(shè)備PAD作為主控設(shè)備，給用戶提供更為合適、方便的控制方式。

2)不破壞老人房屋的原有裝修結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)的老人居家監(jiān)控系統(tǒng)采用大量實線連接，不但成本高，而且安裝過程需要破壞原有房屋裝修結(jié)構(gòu)，對于具有環(huán)境依賴感的老人們而言難以接受房屋改造，且不具備良好的可擴展性。采用“互聯(lián)網(wǎng)+”模式后，將Zigbee、短信、藍牙、無線網(wǎng)絡相結(jié)合的通信技術(shù)運用得淋漓盡致，在不破壞原有裝修的基礎(chǔ)上，構(gòu)建高可靠性、便利性的智能化老人居家監(jiān)控系統(tǒng)。

3)可擴展性強：傳統(tǒng)的老人居家監(jiān)控系統(tǒng)處于集成化操作，難以實現(xiàn)重組和拼接。經(jīng)過改進后，整套系統(tǒng)以拆卸組裝的形式運作，以模塊的形式拼接完成，增強系統(tǒng)的擴展性并降低成本。實現(xiàn)家居環(huán)境安全、舒適、便利，提升居家環(huán)境的藝術(shù)性，創(chuàng)造環(huán)保、節(jié)能的居住條件。最終實現(xiàn)一套設(shè)備應對多樣化用戶需求的目的。

4)視頻監(jiān)控效果好：視頻監(jiān)控通過對WiFi網(wǎng)絡攝像頭操控實現(xiàn)，可以實時獲取無線網(wǎng)絡攝像頭在不同距離、不同角度、不同方位對同一位置的音、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)。畫面清晰，操作流暢，監(jiān)控效果極佳。

8結(jié)論

本文給出一種基于“互聯(lián)網(wǎng)+”模式的智能化老人居家監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)解決方案。系統(tǒng)由智能終端、終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器組成，應用了Android、嵌入式芯片技術(shù)，完成了軟硬件開發(fā)，實現(xiàn)居家音視頻等信息的智能化采集和監(jiān)控，通過“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，實現(xiàn)PC端、PAD端以及手機端的通信。測試結(jié)果表明，整套系統(tǒng)能夠滿足老人居家實際監(jiān)控的應用需求，同時該系統(tǒng)具有可靠性高、通用性好、抗干擾能力強、價格便宜的特點，具有較高的推廣價值。

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責任編輯：時雯

Designandimplementationofintelligentelderlyhomemonitoringsystemininternetplus

ZHAOYan，XUChangqing，SHAOYiwei

(Internet of Things Engineering College，Jiangsu Information Vocational Technology College，Jiangsu Wuxi 214000，China)

Abstract:For elderly homecare system terminal complex，multiple routing problem is presented，which is based on Internet plus mode with remote control，lighting control，fire，theft，leakage and alarm function of the elderly home monitoring system. The system uses the embedded processor Cortex-A8 ARM as the intelligent terminal， and uses ZigBee，RF-433，bluetooth，wireless network communication technology to meet the needs of the elderly home remote monitoring and control of home appliances. The ZigBee establishes the home wireless network， the WiFi network communication to achieve the external connection and control of the system， to achieve the purpose of the original decoration structure. The experimental results show that the system can effectively improve the compatibility of the old people's home monitoring and the expansion of smart home devices.

Key words:internet plus； Android platform； remote control； intelligent video surveillance； embedded； old man home

中圖分類號:TN949.6

文獻標志碼:B

DOI：10.16280/j.videoe.2016.04.009

基金項目：江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程一期項目“物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)”(PPZY2015C239；蘇教高[2015]11號)；國家自然科學基金項目(60974016)；江蘇省自然科學基金項目(BK20131097)；江蘇省產(chǎn)學研聯(lián)合創(chuàng)新資金前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2013017)；2015年江蘇省大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃立項(201513108002Y)；江蘇省教育科學“十二五”規(guī)劃基金項目“高職軟件技術(shù)專業(yè)Java課程群網(wǎng)絡教學平臺的開發(fā)及應用研究”(B-a/2013/03/007)

收稿日期：2015-09-25

文獻引用格式：趙彥，許常青，邵逸煒.互聯(lián)網(wǎng)+老人居家監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2016，40(4)：43-47.

ZHAOY，XUCQ，SHAOYW，etal.Designandimplementationofintelligentelderlyhomemonitoringsystemininternetplus[J].Videoengineering，2016，40(3)：43-47.