歐亞軍

摘要：隨著我國老齡化社會的到來，如何讓老人更好的安享晚年，已成為社會急需解決的問題。本系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的居家養(yǎng)老中，實(shí)現(xiàn)了對住宅內(nèi)部老人身體生理參數(shù)的監(jiān)測、住宅環(huán)境的監(jiān)測，可以為老年人帶去智能的安全健康的生活環(huán)境，幫助子女解決遇到的養(yǎng)老問題，探索了一種新的居家養(yǎng)老方式。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);ZigBee技術(shù);GPRS技術(shù);協(xié)調(diào)器;傳感器

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）32-0256-02

1概述

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人口老齡化問題已日漸凸顯;據(jù)全國老齡辦統(tǒng)計(jì)，截至2019年初我國60周歲及以上的老年人口約2.5億，占總?cè)丝诘?7.9%。預(yù)計(jì)到2050年我國的老年人口達(dá)到4.8億人，將達(dá)到34.1%的人口比重。老年人養(yǎng)老問題已成為我國社會生活中存在的一個(gè)不容忽視的問題，給我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前，我國養(yǎng)老方式主要為居家養(yǎng)老、機(jī)構(gòu)養(yǎng)老及社區(qū)養(yǎng)老，其中居家養(yǎng)老占96%，機(jī)構(gòu)養(yǎng)老占3%，社區(qū)養(yǎng)老占1%。居家養(yǎng)老由于可以和周圍環(huán)境融為一體，延續(xù)以往的社會網(wǎng)絡(luò)，使老人的心理更健康，所以老年人更傾向于居家養(yǎng)老，這也是符合我國國情的主要養(yǎng)老方式選擇。但是在傳統(tǒng)居家養(yǎng)中，老年人生病往往不能及時(shí)知曉，老人外出發(fā)生意外時(shí)不能及時(shí)回應(yīng)，這些都是子女離家在外的顧慮，也是居家養(yǎng)老的短板。智能居家養(yǎng)老將現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)智能家居技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)居家養(yǎng)老中，讓老人的日常生活能通過網(wǎng)絡(luò)讓子女遠(yuǎn)程了解和查看，讓老人在足不出戶的情況下通過現(xiàn)代化科技手段完善居家養(yǎng)老質(zhì)量，最大限度地提高老年人的生活質(zhì)量，提升老年人的幸福指數(shù)，從而促進(jìn)家庭和睦，低成本應(yīng)對人口老齡化，推動整個(gè)和諧社會的快速進(jìn)程，具有重要意義和積極作用。

2系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種新興的低成本、低功耗、安全性好的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它介于Wifi和藍(lán)牙技術(shù)之間，主要用于近距離無線通信;ZigBee基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，它可以將數(shù)千個(gè)傳感器組建成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這些傳感器功耗很低，它們以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。如表1所示為ZigBee主要技術(shù)參數(shù)。

2.2GPRS技術(shù)

GPRS是一種基于GSM的無線分組交換技術(shù)，它在GSM系統(tǒng)上成功解決了移動通信技術(shù)與IP技術(shù)的結(jié)合;GPRS允許用開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

戶在端到端分組模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，特別適合于間斷的，突發(fā)的和少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。

3智能居家養(yǎng)老系統(tǒng)的架構(gòu)

系統(tǒng)運(yùn)用ZigBee技術(shù)、GPRS技術(shù)、嵌入式技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與居家養(yǎng)老的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行結(jié)合，針對居家老人的日常生活照料的需要，完成實(shí)時(shí)監(jiān)測居家老人的主要生理指標(biāo)及家居環(huán)境的管理和控制，讓老人在足不出戶的情況下通過現(xiàn)代化科技手段完善居家養(yǎng)老質(zhì)量，提升老年人的幸福指數(shù)。如圖1所示為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)框圖，系統(tǒng)底層感知由生物醫(yī)學(xué)傳感器節(jié)點(diǎn)、環(huán)境檢測傳感器節(jié)點(diǎn)及控制節(jié)點(diǎn)構(gòu)成ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，生物醫(yī)學(xué)傳感器節(jié)點(diǎn)對老人的主要生理參數(shù)，如血糖、血壓、心跳、體溫等信息進(jìn)行采集，環(huán)境檢測傳感器節(jié)點(diǎn)采集室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，如室內(nèi)溫度、濕度、煤煙、火情、安防等信息;協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立并維護(hù)傳感網(wǎng)絡(luò)，收集終端節(jié)點(diǎn)采集的信息，實(shí)現(xiàn)各終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的通信。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊等，實(shí)現(xiàn)外部通信網(wǎng)絡(luò)與家庭內(nèi)部傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合.子女可以通過智能終端（Pc、智能手機(jī)、平板電腦等），對老人在家中的生活進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使子女能夠隨時(shí)隨地了解老人的生活情況。

4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)包含了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)傳感器終端節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)為方便數(shù)據(jù)的搜集及系統(tǒng)的維護(hù)，節(jié)點(diǎn)在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方式，將節(jié)點(diǎn)硬件按電路功能的不同設(shè)計(jì)成多個(gè)具有相同接口類型的模塊，這樣的好處在于針對不同的應(yīng)用場景只需要選取不同的擴(kuò)展模塊，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路相同，只是軟件設(shè)計(jì)有所不同。如圖2為傳感器終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖。

節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)分為微處理器模塊f包括CPU、無線通信射頻模塊等）、傳感器模塊、電源模塊三個(gè)部分;微處理器模塊在設(shè)計(jì)時(shí)采用了德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的CC2530，此芯片性集成了高性能8051內(nèi)核、ADC、USART等，片內(nèi)集成的無線收發(fā)器射頻部分工作在2.4GHz頻段，支持ZigBee協(xié)議棧，適合星型網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)狀網(wǎng)應(yīng)用，微處理器模塊設(shè)有通用的接口電路，以方便與其他模塊進(jìn)行連接;傳感器模塊主要完成家居內(nèi)狀態(tài)信息的采集，不同類型的傳感器設(shè)計(jì)有不同的處理電路，不同的傳感器模塊與微處理模塊組合則構(gòu)成不同的傳感器終端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)不需要連接傳感器模塊;電源模塊為其他模塊提供能量，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)因需要長時(shí)期工作，一般采用市電供電，終端節(jié)點(diǎn)長期處于休眠，可以采用電池供電。

4.2中央控制器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的中央控制器模塊采用STM32F103為MCU，主要包含GPRS通信、串口攝像頭、液晶顯示模塊、等電路，如圖3所示為中央控制器模塊的整體電路結(jié)構(gòu)。

其中微控制器STM32F103是sT公司的一款基于ARM Cor-tex-M3內(nèi)核的處理器芯片，內(nèi)置了快速的中斷控制器，可以提供優(yōu)越的實(shí)時(shí)性能，它管理和協(xié)調(diào)著模塊的所有功能;GPRS模塊選用了Siemens公司推出的MC55i模塊，它除了具有GSM模塊原有的功能外，還支持分組業(yè)務(wù)功能，內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧，具有很高的可靠性和易用性，很適合在無線終端中作為通訊模塊。現(xiàn)場圖像的采集和壓縮選用了ZSV-01P串口攝像頭，它是一款內(nèi)含有拍攝控制、視頻捕捉、圖像數(shù)據(jù)采集、圖像JPEG壓縮、串口通訊等功能的齊全的工業(yè)用圖像采集設(shè)備，通過比較簡單的串行口指令就可以控制圖像的捕捉和獲取，并將采集到的圖像通過串口輸出，最大串口通訊速率可達(dá)115.2kbs。

5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1ZigBee無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞綄?shí)現(xiàn)通信，網(wǎng)絡(luò)需配置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，它的主要任務(wù)是建立網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的正常行為，并負(fù)責(zé)在傳感器節(jié)點(diǎn)與報(bào)警模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞;傳感器節(jié)點(diǎn)主要是完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理與發(fā)送等功能。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)主要通過移植TI公司免費(fèi)提供的ZigBee協(xié)議棧Z-Staek-CC2530-2.5.0，利用協(xié)議棧對網(wǎng)絡(luò)的組建、節(jié)點(diǎn)加入、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)自愈功能的自組網(wǎng)。如4圖所示為無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)基于Z-Stack協(xié)議棧的程序流程圖。

5.2中央控制器模塊軟件設(shè)計(jì)

中央控制器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，該模塊運(yùn)行著系統(tǒng)的主控程序，完成對所有外部設(shè)備的初始化、通信以及控制功能;控制著系統(tǒng)對視頻圖像采集、處理等過程。如圖5所示為中央控制器模塊工作程序流程圖。

6結(jié)束語

現(xiàn)今的家庭越來越呈現(xiàn)出一種小型化的趨勢結(jié)構(gòu)，家庭的養(yǎng)老功能弱化，而一般的養(yǎng)老服務(wù)機(jī)構(gòu)受耗資多、投資周期長、推廣范圍狹窄等因素制約，不可能滿足多數(shù)老年人在服務(wù)需求，將物聯(lián)網(wǎng)智能家居技術(shù)應(yīng)用到社會養(yǎng)老領(lǐng)域，為更多的老人、家庭帶去關(guān)愛，將有力減少政府和社會的負(fù)擔(dān)，對于提高居家養(yǎng)老服務(wù)質(zhì)量、建立和諧社區(qū)和諧社會都有著積極的意義。