徐學(xué)紅 李娜娜

摘 要：針對小孩、老人或行動不便人員的監(jiān)護，設(shè)計了一種具有手機提醒和智能照明功能的家用監(jiān)護系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，監(jiān)護終端以CC2530單片機為核心，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)采集、信號發(fā)送和接收、自動照明;網(wǎng)關(guān)包括ZigBee協(xié)調(diào)器和RT5350模塊，實現(xiàn)終端和手機之間的通信;手機接收到終端按鈕或聲音傳感的信號時，震動并響鈴提醒，且能通過APP控制終端上的燈。該系統(tǒng)通信質(zhì)量好、性能穩(wěn)定且靈活方便，滿足了家庭監(jiān)護的需求。

關(guān)鍵詞：傳感器;ZigBee;WiFi;Android;家用監(jiān)護

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）28-0020-03

Design of Intelligent Domestic Monitoring System

XU Xuehong LI Nana

（School of Information Engineering， Henan University of Animal Husbandry and Economy，Zhengzhou Henan 450044）

Abstract： According to the protection of the children， elders and disables， a domestic monitoring system with mobile phone reminder and intelligent lighting was designed. The system adopted modular structure. Monitoring terminal with CC2530 microcontroller as the core realized the sensor data acquisition， signal sending or receiving and automatic lighting. The gateway included ZigBee coordinator and RT5350 module. Its function is to realize the communication between terminal and mobile phone. When the phone received the terminal button or sensor signal， it vibrates and rings a bell to remind the monitor. The phone can also control the lamp on the terminal. The communication quality of the system is good and the performance is stable. It is flexible and convenientvery much. It can meet the needs of homemonitoring well.

Keywords：sensor;ZigBee;WiFi;Android;domestic monitoring

隨著我國人口老齡化程度加劇和計劃生育政策的調(diào)整，嬰幼兒和老人數(shù)量大幅度增加。忙碌的父母如何能在其他房間安心休息或者處理其他事務(wù)，而無須擔(dān)心睡覺中的孩子，子女如何能在緊張的生活中更好地照顧高齡或者行動不便的老人，是很多家庭中存在且需要解決的現(xiàn)實問題。

本文利用ZigBee短距離無線通信技術(shù)成本低、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠和抗干擾能力強的特點和現(xiàn)有智能手機等移動設(shè)備資源的便利性，設(shè)計了一種由監(jiān)護終端、網(wǎng)關(guān)和手機組成的家用監(jiān)護系統(tǒng)。夜晚，監(jiān)護終端上的按鈕被按下，或者感應(yīng)到的聲強超過閾值（哭鬧聲或喊聲），手機端震動并響鈴提醒，同時，終端和網(wǎng)關(guān)上的夜燈自動點亮[1]。白天，監(jiān)護終端上的按鈕被按下，或者聲強超過閾值時，手機震動并響鈴提醒，但夜燈不亮。手機端，接收到終端按鈕或聲音傳感信號時，震動并響鈴提醒，實時顯示監(jiān)護終端環(huán)境的溫濕度，且能通過手機APP界面上的按鈕控制終端夜燈的亮滅。該監(jiān)護系統(tǒng)兼具手機提醒和自動照明功能，操作簡單、穩(wěn)定可靠、智能方便，具有很強的實用性。

1 智能家用監(jiān)護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)護系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，其由監(jiān)護終端、協(xié)調(diào)器和WiFi模塊組成的網(wǎng)關(guān)、手機組成。

1.1 監(jiān)護終端

監(jiān)護終端以CC2530單片機為核心，配置按鈕、光敏傳感器、聲音傳感器、溫濕度傳感器、繼電器、夜燈、電池組和穩(wěn)壓模塊。為滿足不同人群的需求，比如，幼兒、年齡稍大點的孩子、行動能力不同的老人，設(shè)計兩種觸發(fā)模式，一種是人為按下按鈕，一種是聲音傳感器自動感應(yīng)哭鬧聲或喊聲，同時通過光敏傳感器區(qū)分白天和夜晚，具體來說，白天按下按鈕或感應(yīng)到聲音時，發(fā)送信號給網(wǎng)關(guān)，但夜燈不亮;夜晚按下按鈕或感應(yīng)到聲音時，發(fā)送信號給網(wǎng)關(guān)，終端夜燈自動點亮;同時，終端實時采集環(huán)境溫濕度發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。終端也可接收手機端的信號，通過手機APP控制終端夜燈[2]。終端主控芯片選用TI公司的CC2530F256單片機，除了具有增強型8051的功能外，還具有2.4G的RF收發(fā)功能，支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee協(xié)議，功耗低。數(shù)字溫濕度傳感器選用含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器DHT11。光敏傳感器選用直流電源環(huán)氧樹脂膠封裝的G5516光敏傳感器，可靠性好、體積小、靈敏度高、反應(yīng)速度快、光譜特性好。通過測試與對比，聲音傳感器選用動態(tài)響應(yīng)好、分辨率高、抗干擾能力強、靈敏度高且可以調(diào)整的電容式聲音傳感器。

1.2 網(wǎng)關(guān)

監(jiān)護系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)由ZigBee協(xié)調(diào)器和WiFi模塊組成，其中，協(xié)調(diào)器以CC2530單片機為核心，WiFi模塊以Ralink公司的RT5350芯片為核心，將這兩部分集成到一起并配以穩(wěn)壓模塊、電池組、散熱風(fēng)扇、繼電器、夜燈，完成監(jiān)護終端和手機端之間ZigBee-串口-WiFi信號的處理，從而實現(xiàn)監(jiān)護終端和手機之間的無線通信。另外，為方便網(wǎng)關(guān)房間夜晚照明，網(wǎng)關(guān)上配置夜燈。網(wǎng)關(guān)接收到終端信號時將信號發(fā)送給手機，如果是夜晚，同時自動點亮網(wǎng)關(guān)夜燈。RT5350內(nèi)部集成了基帶處理器、射頻功率放大器、高性能的MIPS 24Kc CPU內(nèi)核，僅需要很少的外圍器件就可以實現(xiàn)低成本2.4GHz802.11n無線產(chǎn)品，性能穩(wěn)定、覆蓋范圍大。

1.3 通信方式和電源的選擇

ZigBee無線通信技術(shù)建立在IEEE802.15.4上，通信時延15～30ms，使用AES-128加密算法，單跳有效范圍為10～75ms，低功耗、低成本、短距離，自組織、容量大，非常適合家庭/樓宇自動控制系統(tǒng)使用。終端和協(xié)調(diào)器之間采用ZigBee通信，ZigBee協(xié)調(diào)器和RT5350之間采用串口通信，再通過WiFi連接到手機端[3]。

在供電方式上，采取外部供電和內(nèi)置蓄電池備用供電兩種供電模式。市電停電時，可由蓄電池為監(jiān)護系統(tǒng)持續(xù)供電，夜燈可用來應(yīng)急照明。

2 監(jiān)護終端的設(shè)計與實現(xiàn)

監(jiān)護終端的主控芯片為CC2530單片機，通過程序進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集、判斷按鈕狀態(tài)、檢測聲音情況、環(huán)境明暗情況判斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和夜燈的控制，終端發(fā)送數(shù)據(jù)的程序設(shè)計流程如圖2所示。同時，能無線接收手機端的信號，通過系統(tǒng)設(shè)計的命令自解析，實現(xiàn)夜燈的定時點亮和手動點亮。

3 網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)由RT5350芯片通過串口連接到ZigBee協(xié)調(diào)器上，通過協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計實現(xiàn)ZigBee-WiFi信號的轉(zhuǎn)換和通信。協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計基于TI公司的Z-Stack協(xié)議棧，使用IAR公司的IAR Embedded Workbench for 8051開發(fā)環(huán)境進(jìn)行。通信模式采用點對點通信，為便于系統(tǒng)擴展，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)器程序設(shè)計流程如圖3所示。

4 手機端Android軟件設(shè)計

手機端APP程序設(shè)計借助Eclipse軟件，基于JDK、SDK環(huán)境，使用Java語言編寫，Android應(yīng)用軟件設(shè)計流程如圖4所示。

用戶先連接WiFi，打開應(yīng)用程序后，需要先在軟件“網(wǎng)絡(luò)設(shè)置”中輸入系統(tǒng)的IP地址信息，Android應(yīng)用程序在后臺進(jìn)行偵聽，系統(tǒng)自動做出一系列處理并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接請求。如果請求成功，系統(tǒng)調(diào)用Socket類下的對應(yīng)方法對網(wǎng)關(guān)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后存入緩存中。之后，只要手機WiFi連接正常，不用打開APP，即可以正常接收終端數(shù)據(jù)，在有情況時進(jìn)行震動和報警鈴聲提醒，如需查看溫濕度數(shù)據(jù)，打開APP，系統(tǒng)就會調(diào)用后臺數(shù)據(jù)并且在界面上顯示;需要結(jié)束震動和鈴聲時，打開APP點擊“停止”按鈕，需要控制終端夜燈時，打開APP點擊“定時照明”按鈕，終端夜燈點亮一段時間后自動熄滅，也可點擊“手動照明”按鈕，終端夜燈點亮，再次點擊，夜燈熄滅[4]。智能監(jiān)護系統(tǒng)的手機端界面如圖5所示。

5 結(jié)語

本文利用傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、Android應(yīng)用開發(fā)實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家用監(jiān)護。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，實現(xiàn)智能、方便、靈活的同時，充分考慮了人性化設(shè)計，操作簡單、成本低廉，能成為小孩、老人或行動不便人員監(jiān)護的好幫手。另外，可以根據(jù)實際需求擴展監(jiān)護終端的數(shù)量，將監(jiān)護系統(tǒng)推廣應(yīng)用到托兒所、養(yǎng)老院、醫(yī)院等地方。

參考文獻(xiàn)：

[1]葛聰樂，車進(jìn)，田斌，等.基于OpenWrt與ZigBee的遠(yuǎn)程分布式物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2019（10）：70-72，75.

[2]楊建衛(wèi)，任曉莉.基于Zigbee的倉庫環(huán)境檢測系統(tǒng)設(shè)計[J]，微型電腦應(yīng)用，2018（9）：62-65.

[3]王峰，宣伯凱.基于Android的家庭移動醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計[J]，計算機測量與控制，2015（5）：1586-1588.

[4]明日科技.Android開發(fā)從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.