萬珊

(西安航空職業(yè)技術(shù)學院 航空管理工程學院, 陜西 西安 710089)

0 引言

我國社會老齡化現(xiàn)象逐漸嚴重，由于獨生子女家庭比例不斷增加，對傳統(tǒng)的家庭養(yǎng)老模式帶來沖擊，受到傳統(tǒng)家庭倫理觀念的影響，現(xiàn)階段養(yǎng)老機構(gòu)的普及率較低，且存在數(shù)量較少、費用較高等問題和不足，難以滿足未來市場巨大的養(yǎng)老需求，迫使社區(qū)居家養(yǎng)老模式得到快速地發(fā)展和完善，同家庭養(yǎng)老模式形成優(yōu)勢互補，居住在家的老人仍然由子女完成主要的照料工作，同時由社區(qū)提供包括送飯上門、醫(yī)療和安全防護等必要的日常居家服務(wù)。

1 需求分析

實現(xiàn)安全舒適的居家養(yǎng)老是應(yīng)對老齡化社會的重要手段， 快速發(fā)展完善的網(wǎng)絡(luò)計算機、信息、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為智能居家養(yǎng)老提供了強大的技術(shù)支撐，促使居家養(yǎng)老系統(tǒng)得到快速發(fā)展，通過無線通信、傳感器、嵌入式技術(shù)手段的綜合應(yīng)用已使遠程訪問和控制功能得到有效實現(xiàn)(通過監(jiān)控中心和手機終端即可完成)，據(jù)此可實現(xiàn)居家環(huán)境及老人生理參數(shù)的實時獲取與監(jiān)測功能，在此基礎(chǔ)上為社區(qū)內(nèi)老人提供一些實用有針對性的包括健康監(jiān)測、環(huán)境安全監(jiān)控和醫(yī)療等在內(nèi)的服務(wù)，從而確保老人能夠安心舒適地居家養(yǎng)老。近幾年，以生物醫(yī)學傳感器技術(shù)為代表的傳感器的應(yīng)用范圍不斷擴大，在居家養(yǎng)老中通過使用基于傳感器設(shè)計的穿戴式采集器實現(xiàn)了對老人各項生理參數(shù)與生活環(huán)境的實時采集和遠程在線監(jiān)控功能，性價比較高的ZigBee 無線通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)簡單靈活，在遠程自動控制領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，具有可嵌入各種終端、可靠性高、復雜度低、容量大等優(yōu)勢，將其應(yīng)用到構(gòu)建智能居家養(yǎng)老系統(tǒng)中可有效滿足系統(tǒng)運行需求。本文使用ZigBee 技術(shù)設(shè)計了一種智能社區(qū)居家養(yǎng)老系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于家庭內(nèi)部傳感網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建，主要為社區(qū)內(nèi)的老年人提供相應(yīng)的養(yǎng)老服務(wù)，由于老年人行動不便，比較容易出現(xiàn)人身安全問題，本文系統(tǒng)以遠程監(jiān)測、健康醫(yī)療、智能安防功能作為設(shè)計實現(xiàn)的重點，實時監(jiān)控居家環(huán)境信息及老人生理參數(shù)，更加貼近老年人的生活實際情況，以便更好地為社區(qū)居家養(yǎng)老提供高質(zhì)量服務(wù)[1]。

2 智能居家養(yǎng)老系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的居家養(yǎng)老系統(tǒng)的總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

采用星形拓撲結(jié)構(gòu)的ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)可有效降低系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的復雜程度，主要由協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備節(jié)點構(gòu)成，為了在降低功耗的同時提升系統(tǒng)的處理能力，設(shè)計采用了 ARM 智能網(wǎng)關(guān)。(1) 在ZigBee 技術(shù)背景下，完成基于多個終端設(shè)備節(jié)點的家庭傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，包括溫濕度、安防信息等在內(nèi)的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)和包括血糖、血壓、脈搏等在內(nèi)的老年人主要生理參數(shù)，由ZigBee 數(shù)據(jù)采集節(jié)點負責完成采集過程，家中的燈光及家電設(shè)備等由ZigBee 控制節(jié)點根據(jù)相關(guān)控制指令(由監(jiān)控中心發(fā)布)完成控制過程。(2) 通過家庭傳感網(wǎng)絡(luò)完成終端設(shè)備節(jié)點的采集，實現(xiàn)節(jié)點與智能網(wǎng)關(guān)的通信。(3) 監(jiān)控中心服務(wù)器主要負責實現(xiàn)實時監(jiān)護、通信管理、異常報警功能。該系統(tǒng)的工作流程為：結(jié)合家庭需求對家庭傳感網(wǎng)絡(luò)進行構(gòu)建，在ZigBee接收到節(jié)點信息后會與預先設(shè)置閾值間的差異進行比較和判斷(發(fā)現(xiàn)異常立即啟動警報裝置)，然后向網(wǎng)關(guān)傳送信息并由其借助網(wǎng)絡(luò)向系統(tǒng)監(jiān)控中心傳送ZigBee 感知網(wǎng)絡(luò)信息，從而實現(xiàn)對居家環(huán)境及老人健康情況的遠程監(jiān)控，家庭網(wǎng)關(guān)判斷接收到的控制信息(來自監(jiān)控中心)并據(jù)此控制各控制節(jié)點執(zhí)行相應(yīng)操作[2]。

3 智能居家養(yǎng)老傳感系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計

(1) ZigBee 無線傳感器節(jié)點，設(shè)計時選用了具有RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能的CC2530F256 芯片，包含8kB RAM和256kB可編程閃存空間，通過控制節(jié)點和數(shù)據(jù)采集節(jié)點構(gòu)成終端設(shè)備節(jié)點。傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖

不同功能的實現(xiàn)需要將外圍傳感器或者繼電器開關(guān)與協(xié)調(diào)器節(jié)點相連接，主要由協(xié)議棧和應(yīng)用控制程序構(gòu)成的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點將接收到的信息(來自數(shù)據(jù)采集節(jié)點)同預設(shè)閾值進行比較(針對異常及時啟動警報器)，協(xié)調(diào)器通過 SPI同智能網(wǎng)關(guān)相連并向其傳輸采集到的居家環(huán)境和老人生理參數(shù)信息[3]。

(2) 智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計，主要負責將內(nèi)部傳感網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為外部通信網(wǎng)協(xié)議，用于管理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信及傳感器網(wǎng)絡(luò)，先啟動 ZigBee 協(xié)調(diào)器完成無線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，基于所形成的星型無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無線通信，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點將接收采集到的信息通過網(wǎng)關(guān)向遠程監(jiān)控中心發(fā)送，監(jiān)控中心將相應(yīng)的控制指令經(jīng)網(wǎng)關(guān)和ZigBee 控制節(jié)點傳輸給各終端設(shè)備節(jié)點。選用工作頻率高達72 MHz的STM32微處理器作為智能網(wǎng)關(guān)的主處理器，針對ZigBee 家庭內(nèi)部感知網(wǎng)使用接口(以太網(wǎng)和 GPRS)連接公共網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，用戶在PC端或手機中安裝該系統(tǒng)即可遠程實時查看居家老人具體情況。智能網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)[4]，如圖3所示。

圖3 智能網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

(3) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，負責創(chuàng)建和管理網(wǎng)絡(luò)的ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點將由終端節(jié)點獲取的數(shù)據(jù)向已建立起無線連接(通過 GPRS、以太網(wǎng)模塊)的網(wǎng)關(guān)傳送，實現(xiàn)同Internet間的連接，以確保監(jiān)控中心準確高效地接收到數(shù)據(jù)信息，協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備節(jié)點間借助CC2530 射頻模塊來實現(xiàn)無線通信過程。

3.2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

(1) 在MyE-clipse平臺通過 Java 語言的使用完成監(jiān)控中心應(yīng)用軟件設(shè)計開發(fā)，根據(jù)居家老人主要生理指標(包括血壓、心跳、體溫等)以及居家環(huán)境(包括溫濕度、安防、煙霧等)的實時監(jiān)測信息實現(xiàn)更有針對性的實時監(jiān)護功能，對監(jiān)測信息進行動態(tài)顯示，為監(jiān)護人處理危險情況提供依據(jù)；針對數(shù)據(jù)庫的管理可以通過相應(yīng)的管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)計，手機客戶端對監(jiān)控中心進行訪問便可以實現(xiàn)雙向通信；在檢測到室內(nèi)環(huán)境有異?；蚶先四稠椛碇笜顺^閾值時發(fā)出語音報警提示，提醒監(jiān)護人員及時應(yīng)對異常情況[5]。

(2) 無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計流程，如圖4所示。

圖4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計流程

基于ZigBee 無線傳輸協(xié)議的終端節(jié)點通過傳感模塊實現(xiàn)同協(xié)調(diào)器間的采集信息和指令的收發(fā)功能[6]。

(3) 基于STM32微處理器的智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計，將TCP/IP(采用Z-Stack-CC2530協(xié)議棧)和ZigBee協(xié)議棧嵌入到STM32中以確保網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換過程的有效實現(xiàn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點向STM32微控制器發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，再通過Z-Stack-CC2530協(xié)議棧向監(jiān)控中心傳送ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)的信息，監(jiān)控中心返回相應(yīng)的控制指令[7]。通過嵌入式Linux平臺設(shè)計網(wǎng)關(guān)來提高集成度，同時降低了系統(tǒng)能耗，開機后自動執(zhí)行負責創(chuàng)建各子系統(tǒng)命名管，通過submit命令將其向CGI文件傳送，主程序會快速找到對應(yīng)程序(通過switch語句完成)[8]。

社區(qū)監(jiān)測中心通過Internet連接嵌入式Web服務(wù)器，據(jù)此執(zhí)行主要功能處理操作(無需安裝專用軟件)，降低智能終端資源消耗且提高了維護升級的便利性。

3.3 系統(tǒng)測試

以某一具體的家庭環(huán)境作為本文系統(tǒng)的實驗測試場所，為測試本文系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準確性，采用重復和對比的測試方式，在室內(nèi)安裝監(jiān)控中心，并且構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，對室內(nèi)老人的主要生理參數(shù)進行采集，以四位居家老人為例，對其體溫、血壓等進行監(jiān)測，與傳統(tǒng)的測試結(jié)果進行比較。實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，如表1、表2所示。

表1 生理參數(shù)測量值與傳統(tǒng)測量結(jié)果

表2 室內(nèi)環(huán)境測量值與傳統(tǒng)測量結(jié)果

該系統(tǒng)的測量結(jié)果與傳統(tǒng)單一測量模式的結(jié)果基本吻合，說明該系統(tǒng)具有良好的監(jiān)測功能和無線傳輸功能，傳感器節(jié)點和監(jiān)控中心在室內(nèi)出現(xiàn)生理參數(shù)異常及煤氣泄漏等異常環(huán)境時均能夠及時發(fā)出警報提示，具有一定的實際應(yīng)用價值[9]。

4 總結(jié)

為實現(xiàn)對居家老人健康的全面監(jiān)測，本文通過使用ZigBee 感知網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一種居家養(yǎng)老系統(tǒng)，通過安裝布置的終端設(shè)備節(jié)點完成對相關(guān)信息及設(shè)備(包括室內(nèi)環(huán)境、老人各項生理參數(shù)、家電設(shè)備等)的采集和控制功能，傳感器節(jié)點的數(shù)量及功能可根據(jù)實際需要進行拓展，系統(tǒng)監(jiān)控中心負責處理實時接收到的采集信息，一旦發(fā)現(xiàn)異常能夠及時發(fā)出報警提示，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對居家老人健康與安全的遠程高效監(jiān)測過程。測試結(jié)果表明本文系統(tǒng)的監(jiān)測和報警功能均得到有效實現(xiàn)，具有較高的可擴展性、安全性和穩(wěn)定性，功耗較少且響應(yīng)及時。