基于ZigBee技術的智能老人助理系統

朱飛飛 李雪寶 盧冶 孫達 孫煒

摘要：我國社會人口老齡化加劇，傳統的老人助理系統已經不能滿足老人們的需求，而智能老人助理系統將會成為大多數老年人的生活必須品。針對以上需求，本系統分別使用PC上位機和智能手機終端兩種控制方式，結合CC2530無線ZigBee協調器模塊組成控制系統，通過ZigBee網絡完成對室內環境監測、家庭門鎖、燈的操控，同時利用尋跡傳感器也可以進行門鎖控制。實驗結果表明：系統傳輸的數據可靠性高，距離較遠、靈敏度高，能夠通過智能手機終端精準顯示室內環境數值和控制燈和門鎖開關。

關鍵詞：ZigBee；智能老人助理；智能手機終端；交互性設計；尋跡傳感器

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）04-0176-03

The Intelligent Old Man Assistant System Based on ZigBee Technology

ZHU Fei-fei1， LI Xue-bao2， LU Ye2， SUN Da2， SUN Wei2

（1. Jiangsu University of Science and Technology Suzhou Institute of Technology， Electrical and Information Engineering，Zhangjiagang 215600， China； 2. Jiangsu University of Science and Technology， Electrical and Information Engineering， Zhangjiagang 215600， China）

Abstract：Aging population has intensified in china， and the traditional assistant system hasnt been satisfied the needs of old people. However， the intelligent old man assistant system will be a necessity for most elders. Therefore， this system uses two control ways including PC terminal and intelligent mobile phone， which can monitor indoor environment and control the door and lamp by using CC2530 wireless ZigBee coordinator module and ZigBee networks， meanwhile， it can also control of door lock by tracking sensor. The experimental results show that the system can improve the reliability of data transport and apply to remote distance transmission and possess a high sensitivity. It also can display indoor environment data accurately and control the lamps and door lock by the smartphone terminal.

Key words：ZigBee； intelligent old assistant system； smartphone terminal； the design of interaction； tracking senso

中國已成為世界上老年人口最多的國家，到 2050 年左右，老年人口將達到全國人口的三分之一 [1] 。隨著老年人口數量逐步增多，未來市場適合老年人使用的產品需求量會逐步增大，市場發展空間極大[2] 。盡管已經有了老人助理工具，但大多粗笨，操作不靈活等特點，而基于ZigBee技術的老人助理系統可以很好地解決這個問題。ZigBee 技術在國內的發展和應用還不夠[3]，目前，雖然國內市場上已經有相關產品，但產品操作過于繁瑣、界面僵硬而缺乏交互性等問題，從而導致老年人群對此類產品較為陌生，上述問題造成ZigBee技術在智能老人助理系統方面較為緩慢。

1 系統總體設計

本系統設計由移動控制終端、協調器節點和終端節點組成。其中控制設備包括計算機、與計算機處于同一局域網內的手機終端，監控終端節點包括溫濕度檢測節點、有害氣體監測結點、舵機、51單片機、尋跡傳感器，而ZigBee協調器不但是整個ZigBee網絡的基礎，而且聯系終端節點的紐帶。本系統的主要功能：

（1） 通過 Socket 編程，借助 TCP/IP 協議，PC上位機和手機客戶端進行通信，并將信息實現共享；

（2） 實時收集室內溫濕度信息、有毒氣體預警并在 PC 上位機和交互性手機客戶端界面上顯示，動態刷新；

（3） 借助局域網，通過 PC 上位機和交互性手機客戶端界面兩種方式實現室內開門鎖、開燈的操作；

（4） 利用尋跡模塊實現開門的雙保險，利于半殘疾老人使用；

（5） CC2530芯片功耗低，設備安裝方便。

系統總體框架如圖1 所示：

2 系統硬件設計

本系統硬件采取模塊化設計理念，主要包含協調器節點、溫濕度、有毒氣體傳感器、繼電器組合節點、驅動部分。

2.1 協調器節點

本系統選取TI公司的CC2530單片機作為ZigBee模塊的控制器，它支持最新的ZigBee協議——ZigBee 2007/PRO，而TI之前的SOC射頻芯片CC2430/CC2431等不支持ZigBee2007/PRO協，ZigBee2007/PRO相對于以前的協議具有更好的互操作性、節點密度管理、數據負荷管理、頻率捷變特、支持網狀網絡和低功耗的特點。通過 USB 轉串口連接到控制中心的 ZigBee 協調器模塊，在室內建立無線星形 ZigBee網絡，并將所有終端節點加入ZigBee網絡中并實時發送到移動終端，從而實現老人對于室內環境基本參數的實時了解，和門鎖的操控，協調器節點的主要作用：

（1） 組建ZigBee網絡，等待節點加入；

（2） 接受有毒氣體傳感器、溫濕度傳感器節點采集的數據，并通過USB轉串口發送到PC上位機界面顯示，以實現聯機；

（3） 通過接收 PC 上位機發送來的控制指令，再經節點 ID 識別發送給相應控制節點；

（4） 控制終端節點的休眠與喚醒。

2.2 溫濕度、有毒氣體傳感器、繼電器組合節點

每一個溫濕度、有毒氣體傳感器節點包含一個CC2530芯片和DHT11溫濕度傳感器、MQ-2有毒氣體傳感器、繼電器：

DHT11溫濕度傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，傳感器有較為精確的濕度校驗室中進行校準，校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數；

MQ-2是一款用于有毒氣體監測的高精度傳感器。它由微型 AL2O3 陶、瓷管、SnO2 敏感層，測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件；

系統采用5V光耦繼電器與ZigBee板結合的方式，采用光隔離信號的方法，具有低功率、轉換速度快等特點，利于老人快速控制燈和門鎖。

2.3 驅動部分

為了防止老人忘記攜帶移動終端，特別設計開門雙保險，確保老人能有多種方式開門，方便老人生活。本系統的驅動部分主要由51單片機最小系統、舵機、尋跡傳感器、電源組成：

（1） 51單片機最小系統采取8051系列的芯片，做好最小系統接到ZigBee節點上；

（2） 尋跡傳感器采用 TCRT5000 紅外反射傳感器檢測，在一定范圍內對事物進行判別。通過老人靠近門鎖，反射較強點的紅外線時，通過單片機指令實現開門鎖；

（3） 舵機由外殼、電路板、無核心馬達、齒輪與位置檢測器組成。舵機在智能開鎖方面也有較大用途，其轉速較快，反應靈活，易于操控；

（4） 電源部分采用4節充電干電池作為驅動的電源，對于老人來說操作方便，更換靈活。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括以下6個模塊的軟件設計：CC2530協調器軟件設計，CC2530溫濕度檢測軟件設計，CC2350 MQ-2有毒氣體傳感器檢測軟件設計，CC2530驅動部分設計，PC上位機軟件設計，Andriod客戶端交互性界面軟件設計。

3.1 ZigBee局域網程序設計

局域無線通訊主要有協調器和終端兩大部分組成。通過收發協議，在本系統中采取Z-Stack協議棧，同時采用了配套的Sample Application 作為實例。

本實驗的協調器采用星型拓撲結構，主要負責連接和看護網絡及其終端設備，直接與ZigBee協調器通信。其中，Z-Stack在建立一系列任務時，系統給不同的任務分配不同的優先級，保證高優先級的任務有事件時最先得到處理，MAC層的任務一般會賦予最高優先級。SampleApp 中在 Z-main.c 中調用 osal-init-system （） 對Z-Stack 進行初始化，在這個函數中又層層調用了 ZDApp-init（） 對 ZDO 層首先進行初始化[4]，接著對應用層進行初始化，在這里我們選著固定的協調器節點，組建網絡，分配終端各節點地址，協調器自身分配地址為0，程序進入主要部分，協調器起著監聽的作用，它會將終端節點傳來的數據傳輸到移動終端和PC上位機界面上，協調器工作流程如圖2所示：

3.2 終端節點的軟件設計

終端節點一共有兩種，一種是溫濕度、MQ-2、繼電器組合節點，一種是溫濕度、MQ-2、智能門鎖節點。

溫濕度、MQ-2、繼電器組合節點采用DHT11溫濕度檢測傳感器、MQ-2有毒氣體傳感器、光耦繼電器結合的方式。DHT11的數據格式為8b濕度整數數據+8b濕度小數數據 +8b 溫度整數數據+8b溫度小數數據 +8b 校驗和[4] 。首先，系統初始化串口，延時20-40us進行溫濕度的讀取，然后將讀取的數據傳送給協調器。MQ-2有毒氣體傳感器選擇J10口的 0 號端口作為 MQ-2 的采樣端口。煙霧傳感器在不同的煙霧濃度環境下，自身的體電阻發生改變，從而導致輸出電壓變化。本系統用甲烷來測試，測試范圍在5000～20000ppm，如果在預設濃度內，老人移動設備會發出預警。

繼電器利用高低電平的性質來控制燈的開關。

溫濕度、MQ-2、智能門鎖節點主要由溫濕度傳感器、MQ-2傳感器與上文類似，這里不再重復，智能門鎖由51單片機、舵機、電源、尋跡傳感器組成，并連接ZigBee節點。

舵機與尋跡傳感器的引腳接在51單片機上，尋跡傳感器設置高電平，紅外一直打開，如果老人身體移動到門鎖前便可開門。舵機設置延時100ms方便老人開門，具體的工作流程如圖3所示：

3.3 交互性Andriod客戶端和上位機設計

為了適應老人的心理需求，特別在Andriod客戶端界面是進行了交互性設計，按鈕清晰、布局簡易、字體符合老人審美要求、顏色適合老人心理需求，PC 上位機可以在電腦上展示和控制當前溫濕度，方便兒女觀看， 交互性的Andriod客戶端界面更加方便老人使用。

PC 上位機在 VC6.0編譯器上使用C++語言編寫，主要有以下幾個功能：與協調器通過串口連接通訊，與手機使用 TCP/IP 協議通過 Socket 相互傳遞數據[5] ，顯示實時的溫濕度數值、有毒氣體預警、燈的開關以及變化曲線圖，主界面溫濕度去吸毒如圖4所示，ZigBee網絡連接好之后便開始傳輸數據，并實時顯示變化曲線，這時點擊連接數據，電腦開始監聽，接入手機端，PC服務端和手機客戶端就會相互發送數據，當收到手機發送的指令時，便會自動轉發給協調器，之后再發送到終端節點。

Andriod App在帶有 ADT 的 eclipse 編譯器上采用 Java語言編寫。主要包括以下功能：與 PC 上位機使用 TCP/IP 協議通過 Socket 相互傳遞數據，向上位機發送控制命令并顯示接收到的溫濕度數值，有毒氣體檢測情況，燈的開關，開門鎖。 主要的流程為：輸入 PC 上位機的通信 IP 和通信端口建立通信，老人在軟件界面對于對門鎖、燈、有毒氣體、溫濕度進行控制和查看。軟件結構如圖5所示：主程序用于通過輸出的 IP 和端口初始化通信。控制顯示模塊顯示門鎖控制、燈的開關、溫濕度數值、有毒氣體是否超標，通信模塊：通信套字節。

4 系統測試

通過對智能老人助理系統各節點的調試后如圖6所示，移動終端接入到ZigBee局域網中，將已經連接好的ZigBee協調器與各個ZigBee終端節點組網。首先，在上位機上輸入本地路由器的IP地址，端口號為9600，接著，將電腦IP地址連接到移動客戶端，開始初始化系統，最后，將終端節點的數據通過ZigBee協調器傳輸到上位機和移動終端，實現對老人室內溫濕度、有毒氣體感知，燈、門鎖的操控。我們經過多次試驗，可以看出系統的穩定性、靈敏度等特點，系統在延時1S的情況下，數據反應迅速。為了進一步測試系統的穩定性，我們分多種情況來探討系統的穩定性如圖7，表1、表2所示，為了探究其穩定性，實驗分為兩種情況來研究丟包率，一是多種距離無障礙情況下的丟包率，二是在15M情況下有障礙的丟包率，結果表明系統的穩定性良好，很好地滿足老人的使用要求。

5 結論

本系統最大的特色在于成本低廉、功耗低、界面交互性設計、開門多重保險。首先ZigBee模塊具有低成本、低功耗的特點，特別是系統的硬件和軟件都是從這一方面考慮的。軟件采取終端響應原理，如果沒有事件發生時，處于休眠狀態，在選擇硬件設備時強調成本低廉，但保證系統的穩定性和靈敏度的產品，移動終端又特別強調交互性界面設計，更加貼切老人需求。該智能老人助理系統有上位機和移動終端兩種控制手段，對于老人來說特別建議使用移動終端，小巧、方便，上位機作為輔助。同時，本系統設計雙重開門措施，更加符合老人的實際情況，本系統在工業大棚等場所也有一定應用前景。

參考文獻：

[1] 全國老齡委辦公室.未來20年是中國老年人口增長最快時期[R].北京：全國老齡工作委員會辦公室，2012.

[2] 張艷珠.基于用戶體驗的老年人家用智能產品交互性設計研究.[D].太原：太原理工大學，2016.

[3] 黃春英.新型閥門電動執行機構的研究與開發[D].大連：大連理工大學，2003：6-12.

[4] 周游，方濱，王普.基于 ZigBee 技術的智能家居無線網絡系統[J].自動化與儀器儀表，2005，31（9）：37-40.

[5] 侯俊，吳成東，袁中甲，等.基于 ZigBee 的智能家居安全監控系統研究[J].機電工程，2009，26（1）：67.