基于多通信技術的關愛老人助手設計與實現*

董立國，王文蓉

（廣州科技貿易職業學院智能制造學院，廣州 511442）

0 引言

根據最新的人口普查，人口老齡化將成為我國人口結構的新特征。據悉，隨著老年人口的逐年增加，其在人口中的比例達到近12%。與此同時，獨生子女的比率在計劃生育的政策實施之后，也是屢創新高，并且由于社會經濟的快速改變，人民生活方式發生了巨大變化，許多年輕人為了給家庭提供更好的物質條件，不得不外出打工，也就是說，為了生計，子女根本不可能留在家里照顧年邁的父母，導致“空巢老人雙雙離世無人知曉”的事件屢有發生。為了避免類似事件發生，必須重視空巢老人的生活，使老人的生活質量得到提升，使其過上便捷、安全、健康的老年生活，那么研究一款智能的關愛老人助手系統，是具有迫切性和必要性的。

目前，市面上的關愛老人產品，功能都較為單一，且操作繁瑣，受年齡或知識等客觀因素限制，老人群體不愿使用諸如此類的關愛產品。另外，為了滿足老人日常的多種需求，多款產品交叉使用，更增加了該群體的使用難度，令老年人苦不堪言。為了迎合老年人群的特殊需求，該設計以移動電話App 為切入點，以語音識別及指紋識別來保證其操作的簡便性，利用ZigBee、WiFi、4G 等通信技術的各自優點，保障關愛功能的實現。最終開發的系統集合了多種功能，最大程度滿足關愛老人的各種需求，也使老年人對智能產品的操作變得得心應手。

1 系統總體設計

系統總體設計方案如圖1所示。

圖1 系統功能框圖Fig.1 System functional block diagram

按照實際需求確定該助手具有個人信息、數據采集、家電控制、追蹤定位、監控等5 個功能子系統，具體如下：個人信息子系統通過移動電話App 注冊及存儲個人信息；數據采集子系統利用傳感器采集相關數據；家電控制子系統通過語音識別能控制相關家電的開啟與關閉；追蹤定位子系統能確定老人的位置，防止老人丟失；安全子系統包括實時監控老人的生活起居、指紋智能開鎖和防盜竊。按照上述功能，確定硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構框圖Fig.2 System hardware structure block diagram

1.1 硬件選擇

（1）主控單元：項目根據節約開發成本、具有較高性價比、能夠連接較多的外設等來選擇主控單元，最終選取了STM32F439作為項目主控單元[1-2]。

（2）通信模塊：在搭建物聯網組網過程中，項目選取目前能夠組網數量較多的ZigBee 作為組網通信技術[3-4]。為了使移動電話App與硬件設備實現通信，項目選用WiFi 與4G 兩種通信技術保障兩者通信；WiFi 模塊則是選取億佰特ESP8266，從而簡化了WiFi 功能的設計，加速了產品上市[5]；ZigBee 技術的芯片選取要求為具有通信穩定性好，性價比高，最終選擇了某公司的CC2530[6]。

（3）傳感器：用熱釋電紅外感應模塊檢測是否有人通過門窗入門行竊，其型號為HC-SR501；為了檢測空氣中可燃氣體濃度，最終選擇了MQ-2 型煙霧傳感器；檢測溫度濕度選用型號為HTU21的傳感器。

（4）指紋與語音識別：指紋識別采用光學指紋識別模塊AS608；語音識別模塊型號為LD3320。

通過以上方案論證的選型，最終確定了系統的硬件組成結構，具體如圖3所示。

圖3 系統硬件連接拓撲結構Fig.3 System hardware connection topology

1.2 移動電話App功能確定

按照功能設計[7]，移動電話App 的具體功能如圖4所示。

圖4 移動電話App功能框圖Fig.4 Mobile App functional block diagram

2 軟件設計

根據設計要求，來進行相關的軟件開發。下面將具體闡述主要的軟件開發內容。

2.1 服務器

在項目中，http 服務器和TCP 服務端軟件組成了私有云服務器。其中，TCP 服務端軟件程序流程如圖5 所示。該服務端軟件主要通過SOCKET 套接字的API 獲取TCP/IP 五層模型協議中的傳輸層的TCP 協議，通過6001端口創建TCP 服務端，并且通過線程等待TCP 客戶端的連接，當TCP 客戶端請求連接時，TCP 服務端則進行請求accept 操作，并且創建線程，進行對應客戶端的數據收發。

圖5 TCP服務端軟件程序流程Fig.5 TCP server software program flow chart

2.2 WiFi模塊

通過socket 套接字編程，獲取傳輸層的TCP 傳輸協議，從而進行用戶層的業務邏輯處理，利用內核空間網絡通信軟件的支持，最終將處理結果發送到API 即可，其中該API為ESP8266自帶的封裝接口。

2.3 網絡視頻傳輸模塊

在軟件設計過程中，需要考慮攝像頭被多個線程訪問的情況，互斥和同步問題成為設計的關鍵。利用互斥體和讀寫鎖的方法，解決了上述問題。對寫鎖和讀鎖同時進行上鎖操作，來解決緩沖區從視頻設備中取圖片的操作，圖片獲取完畢后再釋放讀鎖。為了解決多線程的互斥問題[8-9]，采取其中一個線程需要獲取圖片時，則對互斥體進行上鎖操作，當這個線程獲取完圖片后，對互斥體進行解鎖操作，應用程序流程如圖6所示。

圖6 網絡視頻傳輸應用軟件程序流程Fig.6 Network video transmission applicationsoftware program flow chart

2.4 多重門禁識別模塊

結合串口通信、網絡通信和視頻采集的技術，開發了多重門禁識別軟件。當有人按下門前的指紋模塊，系統將進行指紋配對，如果成功，主控單元通過串口向WiFi 模塊發出人臉識別指令，攝像頭接收指令后將進行人臉信息采集，并將該信息發送給WiFi模塊。WiFi模塊通過串口收到信息后，解析請求信息獲得家庭編號并通過http 請求SDK 向API 圖片地址發出GET 請求，解析返回結果，如果返回結果為0 則向主控單元發出允許開門信息，否則發出拒絕開門信息。應用程序流程如圖7所示。

圖7 多重門禁識別應用程序流程Fig.7 Flowchart of multiple accesscontrol recognition application program

2.5 移動端安卓視頻監控模塊

在該模塊設計中，通過安卓HTTP，請求SDK 向視頻監控WEB_API發出GET請求，與此同時創建線程。在線程中循環接收視頻服務端發送的buf 字節數組，對buf字節數組進行http 響應解析，解析出JPG 格式圖片數據，并把圖片數據顯示在安卓的SurfaceView 控件中。應用程序流程如圖8所示。

圖8 安卓視頻監控應用程序流程Fig.8 Flow chart of android video surveillance application

3 系統測試與性能分析

為了驗證系統性能，進行了軟硬件之間的聯調聯試，以此來查看各個模塊之間的通信狀況、功能狀況等是否正常。關愛老人助手系統實物如圖9 所示。

圖9 系統實物Fig.9 System physical map

3.1 網絡視頻監控模塊測試

系統上電后，WiFi 模塊會自動連接先前設置好的無線路由器。與此同時，移動電話也通過WiFi連接無線路由器，打開關愛老人助手移動電話App 并且登陸用戶。在硬件端，同時觸碰兩個裝置在門窗外的紅外傳感器，此時，移動電話App 會在通知欄彈出室內老人危險的通知，點擊此通知即可查看室內的視頻監控，通過代碼打印的調試信息可以查看到視頻監控的顯示幀數在29～31幀/s 之間，而人體能識別的不卡頓的幀率在24 幀/s，因此查看到的視頻監控肉眼是無法感覺到卡頓。經過測試，功能與預期效果相符。如圖10所示。

圖10 視頻監控測試Fig.10 Video surveillance test chart

3.2 多重門禁識別模塊測試

多重門禁識別模塊測試中，家人對指紋識別模塊進行識別操作，當指紋識別成功后，承載著攝像頭模塊的舵機云臺會進行180°的旋轉，對開門人進行拍照驗證；當人臉識別成功后[10-12]，門旁邊的白色LED 亮起（以白色LED 的亮滅表示門的開關狀態）。測試結果如表1 所示。系統經過測試后，多重門禁識別模塊軟件功能與預期效果相符。

表1 多重門禁識別測試用例Tab.1 Multiple access control recognition test case table

3.3 開關控制功能測試

在移動電話App 上用戶登錄成功后，系統便會直接在數據庫中獲取相對應的燈光開關、窗簾開關、大門開關等數據的情況，并分別將得到的數據顯示在首頁相對應的位置上。于此同時，也可通過語音識別對上述開關進行控制。其測試用例表如表2所示。

表2 開關控制功能測試用例Tab.2 Switch control function test case table

3.4 位置追蹤模塊測試

在用戶登錄成功后，系統便會自動獲取位置信息，并將得到的信息顯示在相對應的頁面上。測試界面如圖11所示。

圖11 位置追蹤模塊測試界面Fig.11 Location tracking module test interface

4 結束語

本文設計的系統利用ZigBee、WiFi與4G等多種通信技術各自的優勢，保障了關愛功能的實現；移動電話App、語音識別、指紋識別等技術手段，使老年人群在系統操作上更為簡便，能夠較好地滿足老年群體的特殊需求；與此同時，實時監控與百度地圖的使用，起到了觀察老人起居生活的作用。可以說，系統既具有智能家居的功能，又具有安全防護的監控作用，真正實現了關愛老人。通過測試，系統的各項功能正常，且體驗感優良，是一款實用性較強的產品，具有較高的社會與經濟效益。