基于傳感網(wǎng)絡的居家養(yǎng)老系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

王中生，楊 森，陳國紹，黃動力

（西安工業(yè)大學 陜西 西安 710032）

鑒于目前我國養(yǎng)老資源匱乏的現(xiàn)狀，我們提出了一個全新的、符合我國國情的、以社區(qū)居家養(yǎng)老為主體、最大限度節(jié)省社會資源為主導的社區(qū)居家養(yǎng)老體系。隨著傳感器技術的發(fā)展與成熟，傳感器網(wǎng)絡的應用領域越來越廣，遍及智能交通、環(huán)境保護、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、老人護理、食品溯源、情報搜集等多個領域[1]。

文中基于傳感網(wǎng)絡，構建出以社區(qū)居家養(yǎng)老為主體的新型養(yǎng)老監(jiān)護系統(tǒng)。該系統(tǒng)以監(jiān)護對象家庭終端為最初節(jié)點，以社區(qū)監(jiān)護中心為二級節(jié)點，以區(qū)（縣）或市級醫(yī)療機構為三級或四級節(jié)點，最上層為服務器控制中心。家庭節(jié)點以ZigBee平臺為基礎，通過傳感器節(jié)點對監(jiān)護對象生命體征數(shù)據(jù)的采集，以STC89C52為控制器，以CC1101和CC2530為數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。該系統(tǒng)中，可根據(jù)不同的需求增加不同的傳感器，完成監(jiān)護對象溫度、血壓、脈搏、血流量等數(shù)據(jù)的采集與傳送；實現(xiàn)對監(jiān)護對象的遠程監(jiān)視。

1 一級節(jié)點設計概述

家庭節(jié)點包括用戶節(jié)點、數(shù)據(jù)采集路由、社區(qū)路由等模塊。使用STC89C52為核心控制器，射頻芯片CC1101與CC2530作為數(shù)據(jù)收發(fā)器，采用ZigBee技術完成數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee具有低功耗、低成本、低速率、網(wǎng)絡容量大等特點,將ZigBee技術與傳感器相結合[2]，可以滿足系統(tǒng)的需求。

1）硬件設計分析

根據(jù)前期分析，硬件部分主要有以下模塊組成：用戶節(jié)點、數(shù)據(jù)采集路由、社區(qū)路由、協(xié)調器，各模塊功能如下。

用戶節(jié)點負責監(jiān)護對象生命體征信息及求助信息的采集，并通過CC1101（433MHz）發(fā)送至社區(qū)路由器。

數(shù)據(jù)采集路由負責環(huán)境信息的采集，采集的信息由ZigBee（2.4GHz）發(fā)送；ZigBee具有中繼的功能，可以完成信息的遠距離傳輸。本文僅以溫濕度傳感器AM2311作為測試示例。

社區(qū)路由負責數(shù)據(jù)的中繼，對接收的信息進行分類處理，然后按照協(xié)議發(fā)送至PC協(xié)調器。

協(xié)調器為內(nèi)信息接收終端，核心為ZigBee，通過底板與PC串口通信，將收到的信息傳至PC，由PC進行處理。

2）通信協(xié)議設計分析

傳感器網(wǎng)絡是任務型的網(wǎng)絡,脫離傳感器網(wǎng)絡談論傳感器節(jié)點沒有任何意義。傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點采用節(jié)點編號標識,節(jié)點編號是否需要全網(wǎng)唯一取決于網(wǎng)絡通信協(xié)議的設計[3]。居家養(yǎng)老系統(tǒng)節(jié)點眾多，每個節(jié)點具有唯一地址，實現(xiàn)區(qū)分。用戶節(jié)點是移動的，要對其進行定位，故信息之中需要包含定位所需要的RSSI值。系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒎N類多，要對信息進行分類標識。考慮信息傳輸過程中可能出現(xiàn)錯誤，需要添加引導碼及校驗和。綜合考慮，確定通信協(xié)議的基本格式為：

引導碼+信息分類碼+用戶節(jié)點地址+路由地址+信號強度+求救+數(shù)據(jù)信息+校驗和

2 各部分設計實現(xiàn)

1）通信協(xié)議設計實現(xiàn)

系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒅饕幸韵聨最悾汗?jié)點環(huán)境信息、用戶健康信息、緊急求助信息，據(jù)此，規(guī)范化的數(shù)據(jù)傳輸格式如表1所示。

下面就通信協(xié)議進行說明：

前導碼為FF，恒定不變；分類碼根據(jù)所發(fā)送信息種類不同，分為3類：FE（節(jié)點環(huán)境信息）、FD（用戶健康信息）、FB（緊急求助信息） ；人員地址用于區(qū)分系統(tǒng)之中的每一個用戶，具有唯一性；路由分為數(shù)據(jù)采集路由、社區(qū)路由兩類，也具有唯一性；信號強度用于協(xié)助定位，由第一個接收到求助信息的社區(qū)路由給出；求救位即緊急求助標志位，有求助為11，無求助為00；校驗和用來檢測數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出現(xiàn)錯誤。

注意：

所有數(shù)據(jù)均以16進制形式發(fā)送，表中凡是為“**”代表需要添加的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)位實際為32字節(jié)，但是在設計時候僅用其18位，剩余以00補充，預留給以后增加的其他類型的傳感器。

2）硬件部分設計實現(xiàn)

表1 通信協(xié)議規(guī)范Tab.1 Communication protocol

硬件部分主要用到兩種模塊：威步科技的JASK51-1101、鼎泰克電子的DRF1605 。

JASK51-1101無線模塊提供源程序，任何應用只需在源程序上進行二次開發(fā)；DRF1605為2.4 GHz的ZigBee透明傳輸模塊，DRF1605 可連接至RS232底板，用戶無需任何更改。

①用戶節(jié)點

用戶節(jié)點由JASK51-1101、血壓傳感器、兩個按鍵組成。血壓傳感器自帶電源，通過串口與JASK-1101模塊相連；JASK-1101模塊供5 V電源，在P2.0與GND、P3.7與GND之間分別有一個按鍵。血壓傳感器采集到數(shù)據(jù)后會自動通過串口發(fā)至JASK-1101，按鍵按下后JASK-1101會發(fā)送求助信息。

②協(xié)調器

協(xié)調器由ZigBee模塊以及其配用的底板組成，通過串口與PC機相連。底板由廠商提供。注意該部分的ZigBee模塊要設置為Coordinator。

③數(shù)據(jù)采集路由

數(shù)據(jù)采集路由JASK-1101、DRF1605、AM2311組成。

JASK-1101與ZigBee通過串口連接，AM2311與P1^6和P1^7連接，用普通I/O口模擬I2C總線。注意AM2311的SCL與SDA需要接5K的上拉電阻，DRF1605供3.3 V電。I2C總線的通信線路簡單，程序編寫方便，易于實現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件模塊的標準化與通用化，便于系統(tǒng)升級擴展[4]。

④社區(qū)路由

社區(qū)路由由JASK-1101與DRF1605組成，通過串口相連接。JASK-1101中的的單片機負責信息的處理，CC1101負責接收由用戶節(jié)點發(fā)送來的信息，DRF1605（CC2530）負責信息的中繼傳輸。

3）各模塊編程流程圖

用戶節(jié)點編程流程如圖1所示。用戶節(jié)點的主要任務有兩個：發(fā)送緊急求助信息、接收處理并且轉發(fā)用戶健康數(shù)據(jù)。JASK-1101的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收方式由軟件制造商提供，只需要編寫程序，不斷掃描按鍵與串口，當符合發(fā)送條件時候，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去即可。

圖1 用戶端編程流程圖Fig. 1 End user programming flow chart

圖2 傳感器路由編程流程圖Fig. 2 Sensor routing programming flow chart

傳感器路由編程流程如圖2所示。傳感器路由的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給DRF1605模塊進行發(fā)送。由于AM2311數(shù)據(jù)傳輸I2C總線，需要用普通I/O口模擬I2C總線，占用空間多，導致CC1101無法編程使用，因此該模塊只數(shù)據(jù)采集與串口發(fā)送的功能。

圖3 社區(qū)路由編程流程圖Fig. 3 Community route programming flow chart

社區(qū)路由編程流程如圖3所示。社區(qū)路由程序運行后，單片機不斷檢測是否有信息接收到。如果沒有，繼續(xù)檢測；如果有，識別分類碼。讀取分類碼，如果不是求助類信息，直接由DRF1605發(fā)送；如果是求助類信息則加上本機地址與信號強度，再由DRF1605發(fā)送。

3 實驗測試

系統(tǒng)各部分電路完成后，燒寫相對應的代碼。給各個模塊上電，依次測試各部分功能，打開PC機的串口助手，進行信息的接收，結果如圖4所示。

測試結果如圖4所示。第一部分為前導碼，為FF；第二部分為信息分類碼，第一條信息為緊急求助信息，第二條為人員健康信息，第三條為環(huán)境信息；第三部分為用戶地址，求救信息與健康信息來自用戶節(jié)點，故為用戶地址，健康信息來自環(huán)境監(jiān)測路由，故該部分為空；第四部分為路由地址，前兩條信息發(fā)出后由地址為ED B1的路由接收到后中繼傳輸，第三條環(huán)境信息直接由地址為EE A0的路由發(fā)送；第五部分為信號強度，用于用戶節(jié)點定位；第六部分表示是否為緊急求助信息；第六部分為人員健康信息，依次為血壓高、血壓低、心率；第七部分為環(huán)境信息，一次為溫度高、溫度低、濕度高、濕度低；其余為空閑數(shù)據(jù)位，留作用戶使用分配。

圖4 測試結果Fig. 4 Test result

4 結束語

文中就居家養(yǎng)老系統(tǒng)的軟硬件結構進行了設計，經(jīng)實驗測試，系統(tǒng)可較好的完成數(shù)據(jù)的采集與傳輸。系統(tǒng)使用單片機作為控制器，具有低功耗、小體積、高智能、價格低的特點[5]，使系統(tǒng)的使用成本降低。根據(jù)實驗測試，系統(tǒng)在STC89C52編程空間足夠的情況下，可以添加不同種類的傳感器完成不同的系統(tǒng)要求；系統(tǒng)提供RSSI值，利用RSSI值可以完成監(jiān)護對象節(jié)點定位[6]。該系統(tǒng)不僅可以用于居家養(yǎng)老系統(tǒng)，而且可以對其進行改造，用于智能交通、環(huán)境監(jiān)測、危險爆炸物監(jiān)測等領域，具有較強的通用性。在理論上，系統(tǒng)可換用先進的微處理器，完成其他更加復雜的任務，具有較強的升級空間。

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