空巢老人家庭安全衛(wèi)士

引 言

由中國首部老齡產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書《中國老齡產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告

（2014）》可知，從 2013年到 2050年間，空巢老年人口比例預(yù)計(jì)將突破 70％，老年人口健康水平堪憂。在平均約 19年的余壽中，健康余壽只有 9年左右，其余 10年基本處于帶病或者失能狀態(tài)?？粘怖先说慕】祮栴}引起了社會(huì)廣泛關(guān)注。

針對(duì)孤寡老人監(jiān)測系統(tǒng)中的實(shí)際問題，我們提出基于WSN的空巢老人家庭衛(wèi)士，以家的安全和老人身體狀況為監(jiān)測目標(biāo)，采集家中的溫度、濕度、氣體等環(huán)境參數(shù)，形成適用于家庭長期自動(dòng)監(jiān)測的產(chǎn)品原型，實(shí)現(xiàn)能夠適用于一定范圍內(nèi)環(huán)境參量的測量分布式自動(dòng)監(jiān)測和遠(yuǎn)程自動(dòng)上報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境與老人身體狀況的同步監(jiān)測并及時(shí)做出相應(yīng)提醒。該系統(tǒng)的研制對(duì)其他環(huán)境參量的監(jiān)測與對(duì)老年人易發(fā)疾病影響的研究同樣具有積極作用。該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

(1) 研究 WSN技術(shù)， 設(shè)計(jì)家庭環(huán)境及老人身體狀況WSN 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)；

(2) 研究 WSN節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)空巢老人家庭衛(wèi)士監(jiān)測系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；

(3) 研究低功耗能源管理技術(shù)，形成可長期自動(dòng)監(jiān)測的WSN 系統(tǒng)；

(4) 研究遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)，形成可利用遠(yuǎn)程通信手段的自動(dòng)上報(bào)系統(tǒng)；

(5) 研究監(jiān)測中心數(shù)據(jù)接收及分析存儲(chǔ)等，形成遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)中心。

1 項(xiàng)目研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題

1.1 研究內(nèi)容

文中需要研究的內(nèi)容分為如下幾項(xiàng)：

(1) ZigBee技術(shù)工作機(jī)理研究；

(2) 基于WSN的空巢老人家庭衛(wèi)士監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

(3) 傳感器節(jié)點(diǎn)功能設(shè)計(jì)；

(4) 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)功能設(shè)計(jì)；

(5) 無線通信技術(shù)研究，形成可利用遠(yuǎn)程通信手段的自動(dòng)上報(bào)系統(tǒng)；

(6) 研究監(jiān)測中心數(shù)據(jù)接收及分析存儲(chǔ)等，形成遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)中心及集中控制中心。

1.2 擬解決的關(guān)鍵問題

文中需要解決的問題如下所示：

(1) ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送；

(2) 節(jié)點(diǎn)任務(wù)調(diào)度設(shè)計(jì)；

(3) 傳感器、協(xié)調(diào)器（網(wǎng)關(guān)）、監(jiān)控中心通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；

(4) 基于嵌入式平臺(tái)的系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)研究與設(shè)計(jì)；

(5) 監(jiān)控中心數(shù)據(jù)處理及短信報(bào)警綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 項(xiàng)目實(shí)施方案

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)）和監(jiān)控中心組成。傳感器節(jié)點(diǎn)不僅可以采集家里的溫度、濕度及可燃?xì)怏w信息， 還可以采集老人的身體特征參數(shù)（如脈搏、體溫等），并將采集到的數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收傳感器節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)關(guān)傳送至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心接收協(xié)調(diào)器（網(wǎng)關(guān)）送來的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析處理，一旦發(fā)現(xiàn)異常立即發(fā)送告警短信通知老人的監(jiān)護(hù)人員，以降低家庭和老人的安全風(fēng)險(xiǎn)。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)能夠在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)查詢并顯示相應(yīng)的告警信息。監(jiān)控系統(tǒng)的總體框圖如圖 1所示。

（1）傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集環(huán)境參數(shù)和身體特征參數(shù)，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)上報(bào)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。環(huán)境參數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)包括溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、可燃?xì)怏w傳感器，身體特征傳感器節(jié)點(diǎn)采集身體的脈搏、體溫?cái)?shù)據(jù)。

（2）通信網(wǎng)關(guān)不僅可以管理 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)管理 WSN 網(wǎng)絡(luò)，接收各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，還可將數(shù)據(jù)經(jīng)由 GPRS 傳送給遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心。

（3）監(jiān)控中心接收通信網(wǎng)關(guān)發(fā)來的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)，解析與分析，最終得到家里的溫度、濕度、煙霧及可燃?xì)怏w的參數(shù)與老人的身體特征參數(shù)，監(jiān)控平臺(tái)顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)有告警時(shí)則發(fā)送報(bào)警短信到監(jiān)護(hù)人手機(jī)，提前排除安全隱患。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

2.2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)分為兩大類，即環(huán)境參數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)和身體特征傳感器節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)通過 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。環(huán)境參數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)框圖如圖 2 所示，身體特征傳感器節(jié)點(diǎn)框圖如圖 3 所示。

2.2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)）負(fù)責(zé)建立和管理 ZigBee網(wǎng)絡(luò)，接收各傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)送至監(jiān)控中心， 網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控中心通過GPRS及Internet連接。

2.2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括傳感器節(jié)點(diǎn)軟件、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)與監(jiān)控中心設(shè)計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)使用 IAR 開發(fā)環(huán)境用C 語言設(shè)計(jì)，移植 TI 公司的Z-Stack 協(xié)議棧 ；監(jiān)控中心在Windows 環(huán)境下，用 VC++6.0 進(jìn)行開發(fā)。

（1）傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)與老人身體體征數(shù)據(jù)后，經(jīng)簡單處理后發(fā)送到父節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

（2）協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)管理 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)分析處理傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心。

（3）監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

基于 VC++6.0 設(shè)計(jì)監(jiān)控中心可視化界面，通過網(wǎng)絡(luò)在線動(dòng)態(tài)接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，當(dāng)有告警時(shí)及時(shí)提醒并發(fā)送報(bào)警短信到監(jiān)護(hù)人手機(jī) ；提前消除居住環(huán)境的安全隱患，保證老人的人身安全。

3 網(wǎng)關(guān)及 WiFi 模塊設(shè)計(jì)

3.1 通信結(jié)構(gòu)圖

本項(xiàng)目終端設(shè)備與上位機(jī)的通信借助 WiFi 模塊采用無線通信方式，如圖 4 所示。

3.2 網(wǎng)關(guān)模塊工作原理

ARM 核心處理器首先通過串口 0 處理來自傳感器的數(shù)據(jù)，再通過串口1 將數(shù)據(jù)傳給WiFi 模塊，WiFi 模塊連入外網(wǎng)或加入已經(jīng)建立的局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器。服務(wù)器中的IP 地址與上位機(jī)匹配，最終將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，上位機(jī)按照程序中設(shè)置的解析格式正確解析接收到的數(shù)據(jù)，并顯示在監(jiān)視界面。

3.3 數(shù)據(jù)庫的建立與連接

（1）運(yùn)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)把由各節(jié)點(diǎn)上傳至上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和查詢 ；

（2）用 Visual Studio 2013 C++ 語言編寫 PC 機(jī)監(jiān)控平臺(tái)軟件，進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控顯示，并根據(jù)時(shí)間進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢，在軟件下方顯示當(dāng)前時(shí)間。

3.4 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)采集

（1）設(shè)置基于 ZigBee 技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) ；

（2）傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集在分布區(qū)域內(nèi)監(jiān)測對(duì)象的各種信息 ；

（3）通過無線通信方式發(fā)送至上位機(jī)。

4 結(jié) 語

文中設(shè)計(jì)的空巢老人家庭安全衛(wèi)士系統(tǒng)以家庭安全和老人的身體狀況為監(jiān)測目標(biāo)，能夠?qū)崟r(shí)采集家庭環(huán)境信息與老人的身體特征參數(shù)，并通過發(fā)送短信的方式排除安全隱患，具有良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。