趙詩辭，何 勇，畢贛斌

(貴州大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

中國人口老齡化問題日趨嚴(yán)重，因此研發(fā)一個看護(hù)獨居老人生活情況的智能系統(tǒng)具有一定的實際意義?，F(xiàn)有的智能監(jiān)測系統(tǒng)較多地使用了攝像頭監(jiān)控，導(dǎo)致被監(jiān)測者的隱私外泄，許多家庭并不愿意使用。傳統(tǒng)的獨居老年人監(jiān)測系統(tǒng)主要用于測量老年人的心率、血壓、血氧等生理參數(shù)。這些測量生理參數(shù)的傳感器需要貼身使用，給老年人的日常生活帶來不便，并且老年人的生理參數(shù)正常，生活環(huán)境卻并不舒適[1]?；赟3C6410技術(shù)的老年人遠(yuǎn)程看護(hù)系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)，采用多種傳感器設(shè)備結(jié)合攝像頭對老年人的生活環(huán)境進(jìn)行智能監(jiān)測，改善傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)易泄露隱私、日常生活不便等不足，具有安全、可靠、節(jié)能的特點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于S3C6410的老年人遠(yuǎn)程看護(hù)系統(tǒng)由智能網(wǎng)關(guān)、手機(jī)客戶端、后臺處理軟件、ZigBee協(xié)調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、傳感器等部分組成。無線傳感器用于采集家庭溫濕度、煙霧和有害氣體等數(shù)據(jù)，通過ZigBee終端節(jié)點將這些數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)至后臺，后臺再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理來判斷家中是否有異常情況發(fā)生。網(wǎng)絡(luò)攝像頭在正常情況下不能打開，只有當(dāng)發(fā)生異常情況時才能打開：當(dāng)家中出現(xiàn)煤氣泄露、火災(zāi)、人體紅外傳感器長時間監(jiān)測不到老年人活動情況等異常狀況時，該系統(tǒng)自動向監(jiān)護(hù)人手機(jī)發(fā)送報警信息，此時允許監(jiān)護(hù)人使用手機(jī)應(yīng)用打開攝像頭，能夠有效保護(hù)老年人的隱私。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖見圖1。

圖1 老年人遠(yuǎn)程看護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 智能網(wǎng)關(guān)模塊硬件設(shè)計

智能網(wǎng)關(guān)是整個系統(tǒng)的核心部件，它能夠?qū)崿F(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)、Wi-Fi之間的通信。該模塊主要由ZigBee模塊、Wi-Fi模塊、以太網(wǎng)模塊、電源模塊、復(fù)位模塊、報警器模塊、存儲器模塊等組成。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 智能網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖

智能網(wǎng)關(guān)的核心處理器采用基于ARM1176JZFS內(nèi)核的Samsung S3C6410芯片。該芯片包含USB OTG、USB HOST、PWM功能、內(nèi)部時鐘功能，支持4通道UART，32通道DMA以及SPI、IIC串行通信[2]。

電源模塊包括電源接口和紐扣電池模塊。電源接口電路中先接一個220 μF/16 V的有極電容和一個100 nF的無極電容，再通過AMS1086CM穩(wěn)壓電路，后接一個10 μF的有極電容和100 nF的無極電容，以實現(xiàn)將5 V電壓降為3.3 V電壓的過程。紐扣電池可以在斷電的情況下，給RTC實時時鐘供電，使其一直運行下去。智能網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)攝像頭之間通過Wi-Fi進(jìn)行通信，與ZigBee協(xié)調(diào)器之間通過UART串口進(jìn)行通信。ZigBee協(xié)調(diào)器接收各ZigBee終端節(jié)點所發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過UART接口上傳至網(wǎng)關(guān)。

2.2 ZigBee通信模塊

由于各傳感器節(jié)點均為ZigBee節(jié)點，它們通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，故該系統(tǒng)選擇使用ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)對終端設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控和管理。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其特點包括近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率[3]。系統(tǒng)采用的是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器和多個終端設(shè)備組成，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，比樹形網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)更易于實現(xiàn)、方便擴(kuò)展、容易維護(hù)，比較適用于家庭這種小范圍的室內(nèi)場合[4-6]。

系統(tǒng)中ZigBee終端節(jié)點的通信處理模塊采用美國德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530芯片[7]。該芯片符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz片上系統(tǒng)，內(nèi)部使用8051內(nèi)核作為處理器，結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，包含了系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM等強(qiáng)大功能。

2.3 傳感器模塊設(shè)計

系統(tǒng)中用到的傳感器主要有溫濕度傳感器、人體紅外傳感器、煙霧傳感器等，這些傳感器均為ZigBee節(jié)點，兼顧終端節(jié)點和路由的身份，負(fù)責(zé)傳感器信號采集和處理、無線數(shù)據(jù)的發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)。

溫濕度傳感器采用的是SHT10模塊[8]，采用IIC通信，接口簡單，而且該傳感器響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)，便于查看家中環(huán)境是否適宜。人體紅外傳感器使用的是HC-SR501模塊，當(dāng)有人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸入高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平。該傳感器可放置在廚房、餐廳、客廳、臥室、衛(wèi)生間等位置，當(dāng)老年人經(jīng)過時傳感器會檢測到老年人在家中的活動情況。煙霧傳感器采用的是MQ-2模塊，該傳感器對煙霧、液化氣、天然氣、城市煤氣有較好的靈敏度，可用于檢測家中是否燃?xì)庑孤┗虬l(fā)生火災(zāi)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 智能網(wǎng)關(guān)

智能網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)，與手機(jī)、后臺進(jìn)行交互，網(wǎng)關(guān)的配置管理等。智能網(wǎng)關(guān)上運行一個SOCKET服務(wù)，手機(jī)通過指定的IP和端口與智能網(wǎng)關(guān)建立連接。智能網(wǎng)關(guān)與手機(jī)通過SOCKET發(fā)送JSON格式的數(shù)據(jù)包進(jìn)行交互。數(shù)據(jù)包分為查詢請求-請求結(jié)果、控制請求-控制結(jié)果和心跳包三類。手機(jī)客戶端發(fā)出一個請求之后會收到對應(yīng)的請求結(jié)果。手機(jī)客戶端會定時給智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送心跳包，智能網(wǎng)關(guān)用此心跳包來監(jiān)測與手機(jī)的SOCKET連接情況，如果在給定的時間內(nèi)智能網(wǎng)關(guān)未能收到手機(jī)端的心跳包，則關(guān)閉與手機(jī)的SOCKET連接，釋放資源。

以查詢當(dāng)前室內(nèi)溫濕度為例，JSON數(shù)據(jù)包查詢溫度傳感器的控制請求如下：

"Result":{

"Type": 2,//Type表示數(shù)據(jù)包類型，值為2表示該數(shù)據(jù)包類型為查詢結(jié)果

"Object": 4,//Object表示請求對象，值為4表示請求對象為傳感器

"Operation": 1,//

"Name": "ResultTemperature",

"Time": "2014-11-30T18:30:30",

"Content”:{

"NodeID": 1,//

"Category": 1,//Category表示設(shè)備類型，值為1表示家居安防類設(shè)備

"SensorType ": 4,//SensorType表示傳感器類型，值為4表示溫度傳感器

"Value": 37.5//得到的當(dāng)前室內(nèi)溫度的值

}

}

為了合理控制攝像頭，在網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計中對攝像頭服務(wù)子程序設(shè)置一個標(biāo)志位flag，在家庭環(huán)境正常情況下設(shè)置flag為0，當(dāng)接收到后臺發(fā)送的異常情況信息后flag會被網(wǎng)關(guān)設(shè)置為1。當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到手機(jī)的攝像頭控制請求后會先查詢標(biāo)志位flag的狀態(tài)，若flag為0則拒絕監(jiān)護(hù)人使用攝像頭的請求，若flag為1則同意該請求，以避免監(jiān)護(hù)人隨時打開攝像頭。

3.2 ZigBee協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點

ZigBee協(xié)調(diào)器是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中最重要的控制節(jié)點，它的功能包括：創(chuàng)建并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)、添加新成員、與智能網(wǎng)關(guān)通信、與終端設(shè)備通信、數(shù)據(jù)管理等[9-11]。協(xié)調(diào)器是終端設(shè)備與智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信的橋梁：與終端設(shè)備通信時，協(xié)調(diào)器監(jiān)聽無線數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，將接收到的終端設(shè)備的數(shù)據(jù)通過串口透明傳輸?shù)姆绞睫D(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。與網(wǎng)關(guān)串口通信時，協(xié)調(diào)器監(jiān)聽串口數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，將用戶在客戶端下達(dá)的命令通過廣播無線方式轉(zhuǎn)發(fā)給終端設(shè)備[12]。協(xié)調(diào)器工作流程見圖3。

圖3 協(xié)調(diào)器工作流程

終端節(jié)點是監(jiān)測家庭環(huán)境的重要組成部分，主要功能是通過傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給協(xié)調(diào)器，執(zhí)行協(xié)調(diào)器的命令。為了節(jié)省傳感器能量，終端節(jié)點會周期性地采集室內(nèi)環(huán)境情況。當(dāng)節(jié)點成功加入網(wǎng)絡(luò)后，就進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)定時中斷后傳感器才開始采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過ZigBee協(xié)議打包后發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)等待下個采集周期[13-14]。以煙霧傳感器為例，其睡眠周期為60 s，每60 s主動喚醒一次，每次醒來工作100 ms。在初次上電時有2 s的時間用來加入網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)入睡眠狀態(tài)。若設(shè)備未加入到網(wǎng)絡(luò)，每次睡眠喚醒之后會再次嘗試加入，持續(xù)時間為2 s，以此循環(huán)直到加入網(wǎng)絡(luò)為止。

3.3 網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議設(shè)計

該系統(tǒng)是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，涉及的設(shè)備種類很多，為了防止不同設(shè)備之間的通信標(biāo)準(zhǔn)不同而導(dǎo)致傳輸信息內(nèi)容結(jié)構(gòu)混亂，制定了網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的通信協(xié)議，以實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)以及網(wǎng)關(guān)服務(wù)器和外部以太網(wǎng)的傳遞。對通用playload(有效數(shù)據(jù))格式的定義如表1所示。其中Frame Head的取值為0xFE；Target ShortAddress表示ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的短地址，作用類似于Internet的IP地址，自組網(wǎng)時由協(xié)調(diào)器動態(tài)分配2字節(jié)的地址編號；Cluster ID用來區(qū)分不同的命令；Reserved為保留字段，可使用0x00填充；ADF為發(fā)送的應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀內(nèi)容，其格式在后續(xù)定義(還有Cluster ID字段的ID部分定義)，ADF數(shù)據(jù)實際上就是協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的無線空中數(shù)據(jù)包。該通信協(xié)議中數(shù)據(jù)類型為大端模式。

表1 通用幀格式定義

3.4 后臺處理軟件

后臺處理軟件主要是對從網(wǎng)關(guān)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析和處理，判斷家中是否有異常情況發(fā)生。對于收到的溫濕度、煙霧等環(huán)境數(shù)據(jù)，后臺處理軟件先對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，當(dāng)解析后的數(shù)據(jù)超過預(yù)先設(shè)置的閾值時，分析當(dāng)前環(huán)境是否產(chǎn)生了異常。若當(dāng)前環(huán)境產(chǎn)生了異常則將異常信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)報警并將信息轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)護(hù)人手機(jī)應(yīng)用上。后臺軟件分析人體紅外感應(yīng)得到的老年人活動情況數(shù)據(jù)，根據(jù)老年人每個時間段出入的不同位置，可以判斷其每天按時吃飯、午休情況等。若系統(tǒng)白天連續(xù)5小時以上監(jiān)測不到老年人在家中的活動量并且大門口的人體紅外傳感器沒有監(jiān)測到老年人外出時，系統(tǒng)就會發(fā)出報警信息到老年人監(jiān)護(hù)人的手機(jī)上，避免老年人在家中突然病倒、突發(fā)意外卻無人知曉的情況發(fā)生。

3.5 手機(jī)端APP

使用手機(jī)APP是為了方便監(jiān)護(hù)人遠(yuǎn)程看護(hù)老年人在室內(nèi)的情況，其主要功能是與服務(wù)器建立連接，方便監(jiān)護(hù)人遠(yuǎn)程查看控制家中的情況。當(dāng)家中發(fā)生異常情況時網(wǎng)關(guān)發(fā)送報警信息給監(jiān)護(hù)人，此時監(jiān)護(hù)人可以打開攝像頭查看家中情況。攝像頭的可視化能夠讓用戶更加清楚家里的情況，而其只有在異常情況下打開攝像頭的功能可以在一定程度上保護(hù)用戶的隱私[15]。

4 系統(tǒng)測試

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，應(yīng)用Smart RF Studio軟件對該遠(yuǎn)程看護(hù)系統(tǒng)的3個ZigBee終端節(jié)點的信號強(qiáng)度和丟包率進(jìn)行了測試[16]。在測試過程中，同時設(shè)置發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點的信道為0x0B，同時設(shè)置發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點的頻率為2 430 Hz，在室內(nèi)無障礙相距1 m、5 m和有障礙(穿墻)相距12 m的環(huán)境下，測試出信號強(qiáng)度與丟包率的結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 ZigBee終端節(jié)點信號強(qiáng)度測試

圖5 ZigBee終端節(jié)點丟包率測試

可以看出，在室內(nèi)無障礙1 m環(huán)境下平均信號強(qiáng)度為-69 dB，丟包率為0%，在室內(nèi)無障礙5 m環(huán)境下平均信號強(qiáng)度為-76 dB，丟包率為0%，在室內(nèi)有障礙12 m環(huán)境下平均信號強(qiáng)度為-97 dB，丟包率為30%。由此可見，ZigBee信號的傳輸在距離較近無障礙的情況下信號強(qiáng)度較強(qiáng)且傳輸可靠，但在遠(yuǎn)距離穿墻的情況下信號強(qiáng)度較弱，丟包率較大。因此，該系統(tǒng)的通信質(zhì)量在小范圍的室內(nèi)環(huán)境下是相對可靠的。由于系統(tǒng)的硬件模塊為自主研發(fā)，在電路設(shè)計、工藝選擇上仍有一定的提高空間，因此該系統(tǒng)的通信質(zhì)量也有一定的提高空間。

5 結(jié)束語

提出了基于S3C6410的老年人遠(yuǎn)程看護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計方案，避免了復(fù)雜的接線，可根據(jù)用戶具體的需求對各終端節(jié)點進(jìn)行增減和布局，使得系統(tǒng)的部署非常簡單靈活。同時該系統(tǒng)通過對網(wǎng)絡(luò)攝像頭的合理控制，改善了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)易泄露隱私的不足。該系統(tǒng)既對老年人的生活狀況進(jìn)行了安全看護(hù)，又有效保護(hù)了老年人的隱私，為老年人提供了一個安全舒適的居住環(huán)境，且操作方便，實時性高，安全可靠。

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