基于ZigBee和LabVIEW的社區空巢老人監護系統設計

沈露 王琳 黃武 史智慧 杜文芳 楊天冉大連海事大學信息科學技術學院

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基于ZigBee和LabVIEW的社區空巢老人監護系統設計

沈露 王琳 黃武 史智慧 杜文芳 楊天冉
大連海事大學信息科學技術學院

摘要：針對亟待解決的空巢老人監護問題，設計了基于ZigBee 和LabVIEW的社區空巢老人監護系統。該系統以CC2430為主控芯片，通過ZigBee 網絡實現對人體姿態、生理參數、室內安防等多種監護參數的數據采集和無線傳輸，采用RS232 串口實現監護中心協調器與上位機的通信，基于LabVIEW平臺完成對報警終端節點的識別、數據分析處理和救助信息發布，從而實現社區監護中心對空巢老人的統一監護管理。實驗結果表明，本系統能及時對監護區域內終端節點的報警信息進行識別并做出響應，可減少因助不及時導致的意外傷害。另外，本系統運行可靠、成本低，有較好的應用前景。

關鍵字：空巢老人 社區監護 跌倒檢測 LabVIEW ZigBee

隨著社會經濟的發展，人口流動性加大，家庭結構也在不斷發生改變，越來越多的老年人單獨居，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迅速上升，同時老人的健康情況也會限制其子女的就業選擇與工作時長，老年人的安全監護問題已成為社會關注的焦點。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也在國外展開研究。然而，這些方法往往因為救助不及時或是老人病發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護問題，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行統一的日常監護，實現跌倒檢測、脈搏檢測、求助報警、室內安全監測以及進門人員身份識別等多種功能，從多個角度關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、ZigBee 網絡和社區監護中心三部分組成。（1）終端節點。終端節點由移動式監護儀、智能家居傳感器、RFID門禁模塊和ZigBee 模塊構成，分別放置在老人身上、廚房、房門等位置，用來實時采集室內監護的各項數據。這些數據經單片機處理后通過ZigBee 模塊發送到無線通信網絡。（2）ZigBee 網絡。采用ZigBee 協議，構建網狀型拓撲結構，與用戶端的ZigBee節點共同完成用戶端向社區監護中心無線傳輸數據的功能。（3）社區監護中心。基于LabVIEW平臺構建監護中心上位機系統，通過RS232串口實時接收各個用戶單元發送的數據，同時存儲并顯示各用戶的情況。一旦發生異常，系統會向監護人員發出警報，由監護人員確認老人的情況并及時采取措施進行處理。

2　系統硬件設計

本系統的硬件設計包括用戶端硬件設計和ZigBee網絡節點硬件設計，共同完成監護參數的數據采集和無線傳輸。

2.1 用戶端

用戶端作為監護系統的終端節點，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門人員的身份識別等功能。用戶端分為移動式監護儀、廚房燃氣等檢測儀和入戶門禁模塊。（1）移動式監護儀。老人隨身攜帶的移動式監護儀終端節點，以STM32為核心，配以加速度傳感器、脈搏傳感器、報警按鈕和無線發射模塊，實現跌倒檢測、脈搏監測和求助報警等功能。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，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生明顯變化，通過與設定閾值4比較，可以判斷是否有跌倒發生；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；報警按鈕用來處理緊急事件，當突發疾病或有意外發生時，老人可以通過監護儀上的緊急報警按鈕主動向小區監護中心發出報警求助信號；無線收發模塊NRF24L01 外形小巧，作為無線發射模塊，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送給與ZigBee節點相連的無線接收模塊，再通過ZigBee節點傳送到ZigBee 網絡中，從而實現無線傳輸的目的。

（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，具有監測室內安全的功能。隨著生活水平的發展和電子信息技術的進步，越來越多的家庭使用家庭監控系統對家居進行智能監控。而老年人隨著年齡的增長，聽覺和嗅覺等均發生退化，記憶力不斷下降，當室內出現安全隱患時往往很難察覺，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，又能使用片內的無線收發組件完成所有有關ZigBee網絡傳輸的工作，將傳感器節點采集的數據進行處理并傳輸。

（3）入戶門禁模塊。安裝在門上的基于射頻識別技術的門禁模塊，作為系統的終端節點，主要由射頻卡、讀卡器、電磁鎖和ZigBee模塊組成。當用戶進門時，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，通過單片機核對處理確定卡號的進門權限，從而決定電磁鎖是否開啟。當該用戶在監護中心產生報警時，監護中心會向門禁控制模塊發出指令，更改儲存在單片機中的門禁白名單，使擁有“萬能鑰匙”的監護人員能夠進入用戶家中，對老人予以救助。

2.2 ZigBee 通信網絡

ZigBee 技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術，還具有多種組網方式和靈活的網絡拓撲結構，非常適合于低功耗、低速率的監視或傳感網絡。ZigBee網絡包含三種類型的節點：協調器、路由器和終端設備。其中，協調器負責啟動、配置、協調整個ZigBee無線網絡，并把采集到的數據通過有線或無線的方式發送至監護中心，路由器主要實現擴展網絡的功能，而網絡中的終端設備既可以負責采集數據并傳輸給上位機進行數據處理，也可以作為路由節點傳遞其他節點的數據。在本系統的ZigBee網絡中，每個終端節點將采集到的監護數據發送給路由器節點，路由器節點根據路由算法選擇最佳通信路徑，通過其它的路由節點把數據傳送給協調器，網絡協調器則通過RS232串口和PC機連接，實現數據的無線傳輸。

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 協議棧為基礎，從終端節點到協調器節點進行整個網絡的組建。下位機軟件主要包括ZigBee網絡中終端節點的數據采集程序和協調器的網絡配置與數據傳輸程序兩部分。

3.2 上位機軟件設計

LabVIEW是美國NI公司基于G 語言開發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，實現用戶信息管理、傳感器節點監視、測量閾值設置以及報警記錄查詢等功能，大大縮短了系統的開發周期。監護系統中個人用戶監測界面如圖4所示，當有報警發生時，進入系統識別出的報警用戶的監測界面，就可以查看該用戶終端節點的報警來源，以便監護人員采取措施進行相應處理。

在本系統中，LabVIEW通過VISA節點與串行接口儀器進行通信。在進行串口通信前，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議，將各節點的信息提取出來，編程實現數據處理。經過LabVIEW處理后的人體心率實時數據如圖5所示，當老人的心率數值超過設定閾值，就會向社區的監護人員發出警報。另外，在本系統中，用戶個人信息的管理、閾值設置以及報警記錄的查詢等，都需要通過讀寫數據庫來實現。LabVIEW通過LabSQL訪問包將信息存入Access 數據庫中，實現監護人員的查詢與調用。

4　實驗結果

為了測試本監護系統的性能，本文利用校園模擬社區環境：宿舍模擬住戶，用于采集終端節點的數據；實驗室模擬監護中心，用于接收終端節點數據并在上位機進行分析處理、數據顯示等；同時在室外固定放置一定數量的路由節點進行信號的無線傳輸。加速度、脈搏、煙霧和溫濕度傳感器節點的實驗測試數據所示。實驗結果表明，監護中心與終端節點的數據通信實時、高效，傳感器數據采集和報警的準確性較高。整個監護系統在數據采集、數據處理、救助信息發布等方面的響應時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，設計構建了社區空巢老人監護系統，重點介紹了終端節點的硬件設計和監護平臺的軟件設計，實現了對老人身體狀況和室內安全監測的功能，降低了老人發生事故的風險。實驗證明，多種類型傳感器節點能準確地從多個角度對老人進行監護，提高監護系統的可靠性，增加安全系數；采用基于ZigBee技術的無線傳感網絡使傳感節點的布置方式和使用更加靈活，同時ZigBee的自組織、自愈、便于維護等特點提高了整個網絡的擴展性；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，而且實時高效。本設計符合設備自動化與智能化的發展趨勢，也響應了“養老社區化”的國家政策，具有良好的的市場前景和經濟效益。本系統已基本實現空巢老人室內安全監護的主要功能，為了實現對空巢老人全方位的監護以及向產品化邁進，下一步的研究工作主要解決以下問題：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）本文研究內容主要是空巢老人室內安全監護，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境的3D實景圖，實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地點。

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