趙 青，何厚奇，閔陽陽，許育恒

（南通職業(yè)大學(xué)，江蘇 南通 226007）

當(dāng)今社會已經(jīng)處于老齡化社會。隨著越來越多的年輕人為了夢想外出打拼，空巢老人數(shù)量與日俱增。空巢老人特別是空巢獨(dú)居老人的居家安全成為一個社會問題，居家養(yǎng)老看護(hù)系統(tǒng)的市場需求巨大。目前，主要采用攝像頭視頻監(jiān)控的方式進(jìn)行居家養(yǎng)老看護(hù)，這導(dǎo)致用戶的隱私得不到保障。對于大多數(shù)具有獨(dú)立生活能力的老人，這種看護(hù)方案并不受歡迎。為此，設(shè)計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能居家看護(hù)系統(tǒng)，在確保老人隱私的前提下能有效保障空巢老人的生命及財產(chǎn)安全、提高老人的生活質(zhì)量。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文采用ZigBee技術(shù)組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)云接入。多個ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)（環(huán)境檢測節(jié)點(diǎn)、防火節(jié)點(diǎn)、防盜節(jié)點(diǎn)、生命保障節(jié)點(diǎn)）利用傳感器實(shí)時采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過點(diǎn)對點(diǎn)無線射頻方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)后通過網(wǎng)關(guān)、路由器接入新大陸物聯(lián)網(wǎng)云平臺，將數(shù)據(jù)上傳到云端。遠(yuǎn)程終端（手機(jī)或電腦）登錄新大陸云平臺就可以看到相應(yīng)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ZigBee芯片的選擇

CC2530是德州儀器推出的新一代ZigBee片上系統(tǒng)芯片，集成了增強(qiáng)型8051內(nèi)核和性能優(yōu)良的射頻模塊以及其他強(qiáng)大的功能和外設(shè)。本文選擇256 kB閃存空間的CC2530F256作為控制核心。

2.2 ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計

在CC2530基礎(chǔ)上加上晶振、電源去耦電路、射頻電路等外圍電路，組成ZigBee核心板。ZigBee核心板的問世為用戶開發(fā)CC2530提供了便捷。本文選擇上海朗譯公司生產(chǎn)的ZigBee核心板。將CC2530核心板與傳感器等元器件相連，構(gòu)成ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)所需電源電壓為3.3 V，可用電池供電。

2.2.1 環(huán)境檢測節(jié)點(diǎn)

在家中多處設(shè)置環(huán)境檢測節(jié)點(diǎn)，利用DHT11和MQ135檢測室內(nèi)環(huán)境。DHT11是一款溫度/濕度復(fù)合傳感器，而MQ135空氣質(zhì)量傳感器對氨氣、硫化物和苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其他有害氣體也比較靈敏。DHT11的DATA與CC2530的P1_0相連；MQ135的Aout與CC2530的P0_7引腳相連。如果環(huán)境指標(biāo)異常，通過黃色LED燈進(jìn)行提醒。為了安裝方便，本文選用低電平觸發(fā)的LED模塊。該LED模塊只要“-”端得到低電平，便可點(diǎn)亮LED燈。CC2530核心板與傳感器、LED模塊的連接如圖2所示。

圖2 環(huán)境節(jié)點(diǎn)CC2530與其他模塊連接圖

2.2.2 防火節(jié)點(diǎn)

在廚房設(shè)置防火檢測節(jié)點(diǎn)，用MQ2煙霧氣敏傳感器來檢測空氣中有無天然氣、液化氣和煙霧，用火焰?zhèn)鞲衅鳎╢lame）檢測有無火焰的紫外線強(qiáng)輻射。若有，則通過蜂鳴器進(jìn)行報警。為了安裝方便，本文選擇低電平觸發(fā)的有源蜂鳴器模塊。該蜂鳴器模塊只要“-”端得到低電平，便可發(fā)出較大鳴叫聲。CC2530核心板與傳感器、有源蜂鳴器模塊（Buzzer）的連接如圖3所示。

圖3 防火節(jié)點(diǎn)CC2530與其他模塊連接圖

2.2.3 防盜節(jié)點(diǎn)

在陽臺設(shè)置防盜節(jié)點(diǎn)，利用HC-SR501人體紅外傳感器檢測有無外人闖入。無人入侵時，HC-SR501的out端輸出一個低電平。而有人入侵時，由于人體會產(chǎn)生特定波長的紅外線，HC-SR501感應(yīng)到人體發(fā)出的紅外信號后，從out輸出一個高電平。HC-SR501的out引腳與CC2530的P1_7引腳相連，當(dāng)P1_7接收到一個高電平時，啟動LED模塊和蜂鳴器模塊進(jìn)行聲光報警。

2.2.4 生命保障節(jié)點(diǎn)

為保障老人生命安全，設(shè)置了生命保障節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)具有摔倒自動報警以及一鍵緊急求助功能，以掛件或配飾的形式被老人隨身佩戴。ADXL345數(shù)字式加速度傳感器可以檢測X軸、Y軸和Z軸3個方向的重力加速度。老人摔倒時，ADXL345檢測到的三軸加速度數(shù)值發(fā)生改變，從而觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行報警。如果老人突感不適，對TTP223電容式觸摸傳感器觸摸1 min，同樣觸發(fā)報警。誤報警時，可以通過按鍵取消報警。CC2530核心板與傳感器、有源蜂鳴器模塊、按鍵模塊（Button）的連接如圖4所示。

2.3 ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)的設(shè)計

將CC2530核心板作為ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)，利用CC2530的RF射頻模塊實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信。匯聚節(jié)點(diǎn)收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、無線路由器上報物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查看功能。

2.4 網(wǎng)關(guān)

本文選用上海樂鑫公司的ESP8266 12F模塊作為網(wǎng)關(guān)，該模塊內(nèi)部集成了MCU和TCP/IP協(xié)議棧，可以實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)WIFI。將ESP8266模塊的CH_PD、VCC接3.3 V，將GPI05、GND接地，即可啟動模塊。將GPI00接地，利用XTCOM_UTIL燒錄程序燒寫固件ESP_8266_BIN0.92.bin。通過串口發(fā)送AT指令實(shí)現(xiàn)對ESP8266的控制。發(fā)送“AT+CWMODE=1”，將ESP8266設(shè)置為STA工作模式，將模塊通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)。發(fā)送“AT+RST”，將ESP8266重啟。發(fā)送“AT+CWJ=‘WIFI名稱’+‘WIFI密碼’”，將ESP8266連上相應(yīng)無線路由器。

對ESP8266燒寫固件及配置后，將其與匯聚節(jié)點(diǎn)的CC2530核心板相連。CC2530的P0_2作為USART0的RX端與ESP8266的TXD相連，P0_3作為USART0的TX端與ESP8266的RXD相連，實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)WIFI。ESP8266再通過WIFI信號與無線路由器相連，從而將匯聚節(jié)點(diǎn)接入互聯(lián)網(wǎng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送及報警。以環(huán)境檢測節(jié)點(diǎn)為例，CC2530初始化后，按照規(guī)定的時序與DHT11進(jìn)行單總線通信，從DATA總線上得到40位的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理，得到相應(yīng)的溫度和濕度值。讀取MQ135 Aout引腳電壓，利用片內(nèi)ADC進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，得到空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。判斷采集到的這3個數(shù)據(jù)是否超標(biāo)，如果超標(biāo)，用LED燈進(jìn)行提示。按照同步頭+幀載荷+幀尾的格式，分別將這3個數(shù)據(jù)封裝打包成發(fā)送數(shù)據(jù)幀。啟動RF射頻模塊，通過點(diǎn)對點(diǎn)無線射頻通信的方式將數(shù)據(jù)幀發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)。

3.2 匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

傳感數(shù)據(jù)能否上傳云平臺，匯聚節(jié)點(diǎn)至關(guān)重要。CC2530初始化后，啟動射頻模塊，查詢有無收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的無線數(shù)據(jù)。若有，對收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析、校驗(yàn)。若校驗(yàn)出錯，將收到的數(shù)據(jù)丟棄。若校驗(yàn)正確，從數(shù)據(jù)包中提取出傳感數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成JSON數(shù)據(jù)。設(shè)置TCP服務(wù)器為新大陸云平臺服務(wù)器（ndp.nlecloud.com），設(shè)置TCP服務(wù)器端口號為8600，配置WIFI名稱和密碼。啟動ESP8266的TCP客戶端功能，建立與TCP服務(wù)器的連接。將JSON數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給ESP8266，通過TCP連接，將數(shù)據(jù)上傳云平臺服務(wù)器。

4 接入nlecloud云平臺

為及時了解老人居家動態(tài)，將匯聚節(jié)點(diǎn)接入nlecloud新大陸物聯(lián)網(wǎng)云平臺。首先登陸http：//www.nlecloud.com，進(jìn)行注冊、登陸。進(jìn)入“開發(fā)者中心”新建項(xiàng)目，輸入項(xiàng)目名稱、聯(lián)網(wǎng)方案等信息。添加設(shè)備，輸入設(shè)備名稱和設(shè)備標(biāo)識（設(shè)備標(biāo)識必須與匯聚節(jié)點(diǎn)程序中定義的設(shè)備標(biāo)識一致），設(shè)置通訊協(xié)議為TCP。設(shè)備添加完成后，自動生成傳輸密鑰，這時應(yīng)修改匯聚節(jié)點(diǎn)程序中的傳輸密鑰，使兩者一致。接著為設(shè)備添加對應(yīng)的傳感器，輸入傳感名稱、標(biāo)識名，設(shè)置傳輸類型等，確保標(biāo)識名與匯聚節(jié)點(diǎn)程序中所定義的數(shù)據(jù)上報變量名一致。這樣匯聚節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)關(guān)、無線路由器接入了nlecloud云平臺，傳感數(shù)據(jù)也實(shí)時上報云平臺。物業(yè)工作人員通過電腦或手機(jī)登錄nlecloud云平臺，即可遠(yuǎn)程查看實(shí)時上報數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時，立即前往老人家里查看，及時排除安全隱患、第一時間進(jìn)行救助。在外工作的子女看到相應(yīng)信息后，可以向小區(qū)物業(yè)和鄰居求助。

5 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)的居家養(yǎng)老看護(hù)系統(tǒng)通過對居家環(huán)境和老人身體狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對老人的居家看護(hù)。針對一些突發(fā)安全事件，例如發(fā)生火災(zāi)、有小偷潛入、突然摔倒且無法動彈、突然身體嚴(yán)重不適，采取自動防火防盜報警、自動跌倒報警和一鍵緊急求助等方法給出應(yīng)對，通過聲光報警和數(shù)據(jù)上傳云平臺這2種方法，有效解決了老人特別是空巢獨(dú)居老人的生命及財產(chǎn)安全問題。該系統(tǒng)成本低、性能穩(wěn)定并且安裝方便。