基于ZigBee和LabVIEW的社區(qū)空巢老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口流動性加大，家庭結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)生改變，越來越多的老年人單獨(dú)居住，無人照料。據(jù)第六次人口普查數(shù)據(jù)顯示，在有老年人的家庭中，空巢家庭占比已達(dá)到31.77%，伴隨老齡化程度的加深，空巢家庭的比重仍會迅速上升，同時老人的健康情況也會限制其子女的就業(yè)選擇與工作時長，老年人的安全監(jiān)護(hù)問題己成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，基于GSM的老人遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在國內(nèi)得到推廣，基于圖像理解的家庭監(jiān)護(hù)技術(shù)也在國外展開研究。然而，這些方法往往因?yàn)榫戎患皶r或是老人病發(fā)時失去求救能力而錯過最佳的救治時間，給家人帶來遺憾。本文針對空巢老人的安全監(jiān)護(hù)問題，設(shè)計了基于ZigBee和LabVIEW的社區(qū)空巢老人室內(nèi)監(jiān)護(hù)與報警系統(tǒng)。此系統(tǒng)以社區(qū)為單位對空巢老人進(jìn)行統(tǒng)一的日常監(jiān)護(hù)，實(shí)現(xiàn)跌倒檢測、脈搏檢測、求助報警、室內(nèi)安全監(jiān)測以及進(jìn)門人員身份識別等多種功能，從多個角度關(guān)注老人的安全和健康狀況，使子女在外更加安心。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

社區(qū)空巢老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)和社區(qū)監(jiān)護(hù)中心三部分組成。

(1)終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)由移動式監(jiān)護(hù)儀、智能家居傳感器、RFID門禁模塊和ZigBee模塊構(gòu)成，分別放置在老人身上、廚房、房門等位置，用來實(shí)時采集室內(nèi)監(jiān)護(hù)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后通過ZigBee模塊發(fā)送到無線通信網(wǎng)絡(luò)。

(2)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。采用ZigBee協(xié)議，構(gòu)建網(wǎng)狀型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與用戶端的ZigBee節(jié)點(diǎn)共同完成用戶端向社區(qū)監(jiān)護(hù)中心無線傳輸數(shù)據(jù)的功能。

(3)社區(qū)監(jiān)護(hù)中心。基于LabVIEW平臺構(gòu)建監(jiān)護(hù)中心上位機(jī)系統(tǒng)，通過RS232串口實(shí)時接收各個用戶單元發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時存儲并顯示各用戶的情況。一旦發(fā)生異常，系統(tǒng)會向監(jiān)護(hù)人員發(fā)出警報，由監(jiān)護(hù)人員確認(rèn)老人的情況并及時采取措施進(jìn)行處理。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括用戶端硬件設(shè)計和ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計，共同完成監(jiān)護(hù)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和無線傳輸。

2.1 用戶端

用戶端作為監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)，主要完成空巢老人身體狀況檢測、家庭安防智能監(jiān)控以及進(jìn)門人員的身份識別等功能。用戶端分為移動式監(jiān)護(hù)儀、廚房燃?xì)獾葯z測儀和入戶門禁模塊。

(1)移動式監(jiān)護(hù)儀。老人隨身攜帶的移動式監(jiān)護(hù)儀終端節(jié)點(diǎn)，以STM32為核心，配以加速度傳感器、脈搏傳感器、報警按鈕和無線發(fā)射模塊，實(shí)現(xiàn)跌倒檢測、脈搏監(jiān)測和求助報警等功能。圖2為監(jiān)護(hù)儀硬件結(jié)構(gòu)框圖。其中，加速度傳感器MPU6050用于老人的跌倒檢測，當(dāng)人在直立或行走時，z軸的加速度接近g，x軸和y軸加速度約為0，而摔倒時三個軸向的加速度均會發(fā)生明顯變化，通過與設(shè)定閾值比較，可以判斷是否有跌倒發(fā)生;脈搏傳感器(pulse sensor)是一款用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器，將其佩戴于手指或耳垂處，通過單片機(jī)處理可將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并得到人體的心率數(shù)值;報警按鈕用來處理緊急事件，當(dāng)突發(fā)疾病或有意外發(fā)生時，老人可以通過監(jiān)護(hù)儀上的緊急報警按鈕主動向小區(qū)監(jiān)護(hù)中心發(fā)出報警求助信號;無線收發(fā)模塊NRF24L01外形小巧，作為無線發(fā)射模塊，可以減小監(jiān)護(hù)儀的體積，更加便于攜帶，它將監(jiān)護(hù)儀采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給與ZigBee節(jié)點(diǎn)相連的無線接收模塊，再通過ZigBee節(jié)點(diǎn)傳送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，從而實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)哪康摹?/p>

(2)燃?xì)鈾z測儀和溫濕度檢測儀。在廚房安裝的溫濕度檢測模塊和燃?xì)鈾z測模塊，作為系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)，具有監(jiān)測室內(nèi)安全的功能。隨著生活水平的發(fā)展和電子信息技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的家庭使用家庭監(jiān)控系統(tǒng)對家居進(jìn)行智能監(jiān)控。而老年人隨著年齡的增長，聽覺和嗅覺等均發(fā)生退化，記憶力不斷下降，當(dāng)室內(nèi)出現(xiàn)安全隱患時往往很難察覺，因此家庭的智能監(jiān)控更應(yīng)該普及到空巢家庭中。本系統(tǒng)選用煙霧氣敏傳感器MQ-2和溫濕度傳感器DHT11監(jiān)測廚房的燃?xì)鉂舛群透鞣块g的溫濕度，各模塊以支持ZigBee協(xié)議的CC2430作為核心芯片。CC2430芯片具備MCS-51內(nèi)核、EEPROM、非易失性存儲器和多種IO接口，既可以完成普通單片機(jī)的所有工作，又能使用片內(nèi)的無線收發(fā)組件完成所有有關(guān)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓ぷ?，將傳感器?jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并傳輸。

(3)入戶門禁模塊。安裝在門上的基于射頻識別技術(shù)的門禁模塊，作為系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)，主要由射頻卡、讀卡器、電磁鎖和ZigBee模塊組成。當(dāng)用戶進(jìn)門時，射頻卡靠近讀卡器，其中的ID卡號被讀卡器讀取后送入ZigBee模塊中的CC2430芯片中，通過單片機(jī)核對處理確定卡號的進(jìn)門權(quán)限，從而決定電磁鎖是否開啟。當(dāng)該用戶在監(jiān)護(hù)中心產(chǎn)生報警時，監(jiān)護(hù)中心會向門禁控制模塊發(fā)出指令，更改儲存在單片機(jī)中的門禁白名單，使擁有“萬能鑰匙”的監(jiān)護(hù)人員能夠進(jìn)入用戶家中，對老人予以救助。

2.2 ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，還具有多種組網(wǎng)方式和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，非常適合于低功耗、低速率的監(jiān)視或傳感網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含三種類型的節(jié)點(diǎn)：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。其中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動、配置、協(xié)調(diào)整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，并把采集到的數(shù)據(jù)通過有線或無線的方式發(fā)送至監(jiān)護(hù)中心，路由器主要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的功能，而網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備既可以負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并傳輸給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也可以作為路由節(jié)點(diǎn)傳遞其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

在本系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，每個終端節(jié)點(diǎn)將采集到的監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由算法選擇最佳通信路徑，通過其它的路由節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器則通過RS232串口和PC機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括下位機(jī)軟件設(shè)計和上位機(jī)軟件設(shè)計兩部分。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計是以Z—Stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)，從終端節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整個網(wǎng)絡(luò)的組建。下位機(jī)軟件主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集程序和協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)配置與數(shù)據(jù)傳輸程序兩部分。

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖3所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

LabVIEW是美國NI公司基于G語言開發(fā)的一種虛擬儀器平臺，具有友好的圖形界面，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和豐富的庫函數(shù)。本系統(tǒng)基于LabVIEW平臺設(shè)計上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)用戶信息管理、傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)視、測量閾值設(shè)置以及報警記錄查詢等功能，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中個人用戶監(jiān)測界面如圖4所示，當(dāng)有報警發(fā)生時，進(jìn)入系統(tǒng)識別出的報警用戶的監(jiān)測界面，就可以查看該用戶終端節(jié)點(diǎn)的報警來源，以便監(jiān)護(hù)人員采取措施進(jìn)行相應(yīng)處理。

在本系統(tǒng)中，LabVIEW通過VISA節(jié)點(diǎn)與串行接口儀器進(jìn)行通信。在進(jìn)行串口通信前，首先要配置好串口，使計算機(jī)串口的參數(shù)與儀器設(shè)備保持一致，才能正確的通信，然后讀取緩沖區(qū)的字節(jié)，根據(jù)已設(shè)置好的傳輸協(xié)議，將各節(jié)點(diǎn)的信息提取出來，編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。經(jīng)過LabVIEW處理后的人體心率實(shí)時數(shù)據(jù)如圖5所示，當(dāng)老人的心率數(shù)值超過設(shè)定閾值，就會向社區(qū)的監(jiān)護(hù)人員發(fā)出警報。另外，在本系統(tǒng)中，用戶個人信息的管理、閾值設(shè)置以及報警記錄的查詢等，都需要通過讀寫數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)。LabVIEW通過LabSQL訪問包將信息存入Access數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)人員的查詢與調(diào)用。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測試本監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的性能，本文利用校園模擬社區(qū)環(huán)境：宿舍模擬住戶，用于采集終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù);實(shí)驗(yàn)室模擬監(jiān)護(hù)中心，用于接收終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并在上位機(jī)進(jìn)行分析處理、數(shù)據(jù)顯示等;同時在室外固定放置一定數(shù)量的路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號的無線傳輸。加速度、脈搏、煙霧和溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，監(jiān)護(hù)中心與終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信實(shí)時、高效，傳感器數(shù)據(jù)采集和報警的準(zhǔn)確性較高。整個監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、救助信息發(fā)布等方面的響應(yīng)時間及準(zhǔn)確率已達(dá)到救援信息響應(yīng)的基本要求。

5 結(jié)論

本文基于LabVIEW平臺和ZigBee技術(shù)，設(shè)計構(gòu)建了社區(qū)空巢老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計和監(jiān)護(hù)平臺的軟件設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了對老人身體狀況和室內(nèi)安全監(jiān)測的功能，降低了老人發(fā)生事故的風(fēng)險。實(shí)驗(yàn)證明，多種類型傳感器節(jié)點(diǎn)能準(zhǔn)確地從多個角度對老人進(jìn)行監(jiān)護(hù)，提高監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的可靠性，增加安全系數(shù);采用基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)使傳感節(jié)點(diǎn)的布置方式和使用更加靈活，同時ZigBee的自組織、自愈、便于維護(hù)等特點(diǎn)提高了整個網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性;由社區(qū)監(jiān)護(hù)中心統(tǒng)一管理和監(jiān)護(hù)老人，可以節(jié)約資源、節(jié)省財力，而且實(shí)時高效。本設(shè)計符合設(shè)備自動化與智能化的發(fā)展趨勢，也響應(yīng)了“養(yǎng)老社區(qū)化”的國家政策，具有良好的的市場前景和經(jīng)濟(jì)效益。本系統(tǒng)己基本實(shí)現(xiàn)空巢老人室內(nèi)安全監(jiān)護(hù)的主要功能，為了實(shí)現(xiàn)對空巢老人全方位的監(jiān)護(hù)以及向產(chǎn)品化邁進(jìn)，下一步的研究工作主要解決以下問題：1)本系統(tǒng)所用傳感器有限，將增加檢測生理參數(shù)和智能家居的傳感器，從多方面監(jiān)護(hù)空巢老人的安全;2)本文研究內(nèi)容主要是空巢老人室內(nèi)安全監(jiān)護(hù)，下一步的工作將把本系統(tǒng)的監(jiān)護(hù)范圍擴(kuò)展到室外;3)基于LabVIEW平臺建立模擬社區(qū)環(huán)境的3D實(shí)景圖，實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)對被監(jiān)護(hù)對象的可視化空間定位，方便社區(qū)監(jiān)護(hù)人員快速到達(dá)事發(fā)地點(diǎn)。