基于ZigBee和LabVIEW的社區空巢老人監護系統設計

0 引言

隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展，人口流動(dòng)性加大，家庭結構也在不斷發(fā)生改變，越來(lái)越多的老年人單獨居住，無(wú)人照料。據第六次人口普查數據顯示，在有老年人的家庭中，空巢家庭占比已達到31.77%，伴隨老齡化程度的加深，空巢家庭的比重仍會(huì )迅速上升，同時(shí)老人的健康情況也會(huì )限制其子女的就業(yè)選擇與工作時(shí)長(cháng)，老年人的安全監護問(wèn)題己成為社會(huì )關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，基于GSM的老人遠程監護系統在國內得到推廣，基于圖像理解的家庭監護技術(shù)也在國外展開(kāi)研究。然而，這些方法往往因為救助不及時(shí)或是老人病發(fā)時(shí)失去求救能力而錯過(guò)最佳的救治時(shí)間，給家人帶來(lái)遺憾。本文針對空巢老人的安全監護問(wèn)題，設計了基于ZigBee和LabVIEW的社區空巢老人室內監護與報警系統。此系統以社區為單位對空巢老人進(jìn)行統一的日常監護，實(shí)現跌倒檢測、脈搏檢測、求助報警、室內安全監測以及進(jìn)門(mén)人員身份識別等多種功能，從多個(gè)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 系統總體設計

社區空巢老人監護系統由終端節點(diǎn)、ZigBee網(wǎng)絡(luò )和社區監護中心三部分組成。

(1)終端節點(diǎn)。終端節點(diǎn)由移動(dòng)式監護儀、智能家居傳感器、RFID門(mén)禁模塊和ZigBee模塊構成，分別放置在老人身上、廚房、房門(mén)等位置，用來(lái)實(shí)時(shí)采集室內監護的各項數據。這些數據經(jīng)單片機處理后通過(guò)ZigBee模塊發(fā)送到無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )。

(2)ZigBee網(wǎng)絡(luò )。采用ZigBee協(xié)議，構建網(wǎng)狀型拓撲結構，與用戶(hù)端的ZigBee節點(diǎn)共同完成用戶(hù)端向社區監護中心無(wú)線(xiàn)傳輸數據的功能。

(3)社區監護中心?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/LabVIEW">LabVIEW平臺構建監護中心上位機系統，通過(guò)RS232串口實(shí)時(shí)接收各個(gè)用戶(hù)單元發(fā)送的數據，同時(shí)存儲并顯示各用戶(hù)的情況。一旦發(fā)生異常，系統會(huì )向監護人員發(fā)出警報，由監護人員確認老人的情況并及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。

系統總體結構示意圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

本系統的硬件設計包括用戶(hù)端硬件設計和ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件設計，共同完成監護參數的數據采集和無(wú)線(xiàn)傳輸。

2.1 用戶(hù)端

用戶(hù)端作為監護系統的終端節點(diǎn)，主要完成空巢老人身體狀況檢測、家庭安防智能監控以及進(jìn)門(mén)人員的身份識別等功能。用戶(hù)端分為移動(dòng)式監護儀、廚房燃氣等檢測儀和入戶(hù)門(mén)禁模塊。

(1)移動(dòng)式監護儀。老人隨身攜帶的移動(dòng)式監護儀終端節點(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(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊，實(shí)現跌倒檢測、脈搏監測和求助報警等功能。圖2為監護儀硬件結構框圖。其中，加速度傳感器MPU6050用于老人的跌倒檢測，當人在直立或行走時(shí)，z軸的加速度接近g，x軸和y軸加速度約為0，而摔倒時(shí)三個(gè)軸向的加速度均會(huì )發(fā)生明顯變化，通過(guò)與設定閾值比較，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(guò)單片機處理可將采集到的模擬信號轉化為數字信號并得到人體的心率數值;報警按鈕用來(lái)處理緊急事件，當突發(fā)疾病或有意外發(fā)生時(shí)，老人可以通過(guò)監護儀上的緊急報警按鈕主動(dòng)向小區監護中心發(fā)出報警求助信號;無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊NRF24L01外形小巧，作為無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊，可以減小監護儀的體積，更加便于攜帶，它將監護儀采集到的數據發(fā)送給與ZigBee節點(diǎn)相連的無(wú)線(xiàn)接收模塊，再通過(guò)ZigBee節點(diǎn)傳送到ZigBee網(wǎng)絡(luò )中，從而實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳輸的目的。

(2)燃氣檢測儀和溫濕度檢測儀。在廚房安裝的溫濕度檢測模塊和燃氣檢測模塊，作為系統的終端節點(diǎn)，具有監測室內安全的功能。隨著(zhù)生活水平的發(fā)展和電子信息技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的家庭使用家庭監控系統對家居進(jìn)行智能監控。而老年人隨著(zhù)年齡的增長(cháng)，聽(tīng)覺(jué)和嗅覺(jué)等均發(fā)生退化，記憶力不斷下降，當室內出現安全隱患時(shí)往往很難察覺(jué)，因此家庭的智能監控更應該普及到空巢家庭中。本系統選用煙霧氣敏傳感器MQ-2和溫濕度傳感器DHT11監測廚房的燃氣濃度和各房間的溫濕度，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的所有工作，又能使用片內的無(wú)線(xiàn)收發(fā)組件完成所有有關(guān)ZigBee網(wǎng)絡(luò )傳輸的工作，將傳感器節點(diǎn)采集的數據進(jìn)行處理并傳輸。

(3)入戶(hù)門(mén)禁模塊。安裝在門(mén)上的基于射頻識別技術(shù)的門(mén)禁模塊，作為系統的終端節點(diǎn)，主要由射頻卡、讀卡器、電磁鎖和ZigBee模塊組成。當用戶(hù)進(jìn)門(mén)時(shí)，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(guò)單片機核對處理確定卡號的進(jìn)門(mén)權限，從而決定電磁鎖是否開(kāi)啟。當該用戶(hù)在監護中心產(chǎn)生報警時(shí)，監護中心會(huì )向門(mén)禁控制模塊發(fā)出指令，更改儲存在單片機中的門(mén)禁白名單，使擁有“萬(wàn)能鑰匙”的監護人員能夠進(jìn)入用戶(hù)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、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，還具有多種組網(wǎng)方式和靈活的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，非常適合于低功耗、低速率的監視或傳感網(wǎng)絡(luò )。ZigBee網(wǎng)絡(luò )包含三種類(lèi)型的節點(diǎn)：協(xié)調器、路由器和終端設備。其中，協(xié)調器負責啟動(dòng)、配置、協(xié)調整個(gè)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，并把采集到的數據通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送至監護中心，路由器主要實(shí)現擴展網(wǎng)絡(luò )的功能，而網(wǎng)絡(luò )中的終端設備既可以負責采集數據并傳輸給上位機進(jìn)行數據處理，也可以作為路由節點(diǎn)傳遞其他節點(diǎn)的數據。

在本系統的ZigBee網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)終端節點(diǎn)將采集到的監護數據發(fā)送給路由器節點(diǎn)，路由器節點(diǎn)根據路由算法選擇最佳通信路徑，通過(guò)其它的路由節點(diǎn)把數據傳送給協(xié)調器，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器則通過(guò)RS232串口和PC機連接，實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計包括下位機軟件設計和上位機軟件設計兩部分。

3.1 下位機軟件設計

系統下位機軟件設計是以Z—Stack協(xié)議棧為基礎，從終端節點(diǎn)到協(xié)調器節點(diǎn)進(jìn)行整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的組建。下位機軟件主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò )中終端節點(diǎn)的數據采集程序和協(xié)調器的網(wǎng)絡(luò )配置與數據傳輸程序兩部分。

ZigBee協(xié)調器節點(diǎn)和終端節點(diǎn)的程序流程圖如圖3所示。

3.2 上位機軟件設計

LabVIEW是美國NI公司基于G語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的一種虛擬儀器平臺，具有友好的圖形界面，強大的數據處理功能和豐富的庫函數。本系統基于LabVIEW平臺設計上位機程序，實(shí)現用戶(hù)信息管理、傳感器節點(diǎn)監視、測量閾值設置以及報警記錄查詢(xún)等功能，大大縮短了系統的開(kāi)發(fā)周期。監護系統中個(gè)人用戶(hù)監測界面如圖4所示，當有報警發(fā)生時(shí)，進(jìn)入系統識別出的報警用戶(hù)的監測界面，就可以查看該用戶(hù)終端節點(diǎn)的報警來(lái)源，以便監護人員采取措施進(jìn)行相應處理。

在本系統中，LabVIEW通過(guò)VISA節點(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，使計算機串口的參數與儀器設備保持一致，才能正確的通信，然后讀取緩沖區的字節，根據已設置好的傳輸協(xié)議，將各節點(diǎn)的信息提取出來(lái)，編程實(shí)現數據處理。經(jīng)過(guò)LabVIEW處理后的人體心率實(shí)時(shí)數據如圖5所示，當老人的心率數值超過(guò)設定閾值，就會(huì )向社區的監護人員發(fā)出警報。另外，在本系統中，用戶(hù)個(gè)人信息的管理、閾值設置以及報警記錄的查詢(xún)等，都需要通過(guò)讀寫(xiě)數據庫來(lái)實(shí)現。LabVIEW通過(guò)LabSQL訪(fǎng)問(wèn)包將信息存入Access數據庫中，實(shí)現監護人員的查詢(xún)與調用。

4 實(shí)驗結果

為了測試本監護系統的性能，本文利用校園模擬社區環(huán)境：宿舍模擬住戶(hù)，用于采集終端節點(diǎn)的數據;實(shí)驗室模擬監護中心，用于接收終端節點(diǎn)數據并在上位機進(jìn)行分析處理、數據顯示等;同時(shí)在室外固定放置一定數量的路由節點(diǎn)進(jìn)行信號的無(wú)線(xiàn)傳輸。加速度、脈搏、煙霧和溫濕度傳感器節點(diǎn)的實(shí)驗測試數據如表1所示。

實(shí)驗結果表明，監護中心與終端節點(diǎn)的數據通信實(shí)時(shí)、高效，傳感器數據采集和報警的準確性較高。整個(gè)監護系統在數據采集、數據處理、救助信息發(fā)布等方面的響應時(shí)間及準確率已達到救援信息響應的基本要求。

5 結論

本文基于LabVIEW平臺和ZigBee技術(shù)，設計構建了社區空巢老人監護系統，重點(diǎn)介紹了終端節點(diǎn)的硬件設計和監護平臺的軟件設計，實(shí)現了對老人身體狀況和室內安全監測的功能，降低了老人發(fā)生事故的風(fēng)險。實(shí)驗證明，多種類(lèi)型傳感器節點(diǎn)能準確地從多個(gè)角度對老人進(jìn)行監護，提高監護系統的可靠性，增加安全系數;采用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )使傳感節點(diǎn)的布置方式和使用更加靈活，同時(shí)ZigBee的自組織、自愈、便于維護等特點(diǎn)提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的擴展性;由社區監護中心統一管理和監護老人，可以節約資源、節省財力，而且實(shí)時(shí)高效。本設計符合設備自動(dòng)化與智能化的發(fā)展趨勢，也響應了“養老社區化”的國家政策，具有良好的的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟效益。本系統己基本實(shí)現空巢老人室內安全監護的主要功能，為了實(shí)現對空巢老人全方位的監護以及向產(chǎn)品化邁進(jìn)，下一步的研究工作主要解決以下問(wèn)題：1)本系統所用傳感器有限，將增加檢測生理參數和智能家居的傳感器，從多方面監護空巢老人的安全;2)本文研究?jì)热葜饕强粘怖先耸覂劝踩O護，下一步的工作將把本系統的監護范圍擴展到室外;3)基于LabVIEW平臺建立模擬社區環(huán)境的3D實(shí)景圖，實(shí)現監護系統對被監護對象的可視化空間定位，方便社區監護人員快速到達事發(fā)地點(diǎn)。