基于老年人的智能家居系統(tǒng)設計與研究

摘要：針對全球老年人口增加帶來的老齡化問題，通過設計并實現(xiàn)一套基于ZigBee通信協(xié)議的適老性智能家居系統(tǒng)，以提升老年人生活質(zhì)量。系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器、兩個終端節(jié)點和手機App三部分組成，具備溫濕度監(jiān)測、光照檢測、床墊壓力和加速度監(jiān)測等多重功能。硬件設計上，采用CC2530作為主控制器，保證系統(tǒng)的低功耗和穩(wěn)定性。軟件設計上，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的實時檢測與控制，并支持遠程通信。期望為智能家居技術在適老化領域提供了新的應用思路。

關鍵詞：ZigBee通信協(xié)議智能家居系統(tǒng)適老性溫濕度光照Wi-Fi

中圖分類號：TP399

DesignandResearchofSmartHomeSystemBasedonElderlyPeople

LIUPan1LIANGLipeng2ZHANGXiaocheng1

1.JinzhongCollegeofInformation，JinzhongCity，ShanxiProvince，030800China;2.ShanxiCokingCoalXishanCoalElectricityJinxingEnergyCo.，Ltd.，Lvliang，ShanxiProvince，033602China

Abstract：Inresponsetotheagingissuecausedbytheglobalincreaseintheelderlypopulation，thisarticledesignsandimplementsanelderly-friendlysmarthomesystembasedontheZigBeecommunicationprotocoltoenhancethequalityoflifefortheelderly.Thesystemconsistsof threecomponents：acoordinator，twoterminalnodes，andamobileAPP，withmultiplefunctionssuchastemperatureandhumiditymonitoring，lightdetection，mattresspressureandaccelerationmonitoring.Inhardwaredesign，theCC2530isusedasthemaincontrollertoensurelowpowerconsumptionandstabilityofthesystem.Insoftwaredesign，real-timedetectionandcontrolofenvironmentaldataareachieved，andremotecommunicationissupported.Itisexpectedtoprovidenewapplicationideasforsmarthometechnologyinthefieldofaging-friendlydesigns.

KeyWords：ZigBeecommunicationprotocol;Smarthomesystem;Agingadaptability;Temperatureandhumidity;Illumination;Wi-Fi

全球老年人口不斷增加，導致老齡化問題嚴重。老年人在日常生活中可能面臨著各種各樣的問題，比如居住環(huán)境不適應、生活自理能力下降、健康狀況不穩(wěn)定等挑戰(zhàn)。為解決此問題，適老性智能家居技術應運而生。

1系統(tǒng)整體方案設計

1.1功能與作用

根據(jù)適老性智能家居系統(tǒng)的設計功能，展開系統(tǒng)模塊化的設計，包括溫濕度監(jiān)測。光照、床墊壓力和加速度監(jiān)測：利用光照傳感器、床墊壓力傳感器和加速度傳感器，終端節(jié)點實現(xiàn)對老人活動情況的全面監(jiān)測。這些數(shù)據(jù)傳遞至協(xié)調(diào)器，為家居環(huán)境的智能調(diào)控提供關鍵信息，以確保老人的安全和健康[2]。

（1）設備控制：終端節(jié)點通過LED、SG90舵機和繼電器，實現(xiàn)對家居設備的智能控制，如照明、窗簾和空調(diào)。協(xié)調(diào)器接收并執(zhí)行來自終端節(jié)點的控制命令，確保設備操作的及時性和準確性。

（2）Zigbee數(shù)據(jù)通信：為了成功完成低功耗與可靠信息的傳輸，終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器之間采用Zigbee通信協(xié)議。這確保了家居系統(tǒng)在不犧牲性能的同時，保持了高效的能耗管理。

（3）遠程管控：協(xié)調(diào)器通過搭載ESP8266Wi-Fi模塊和移動終端App進行通信，使用戶能夠通過移動終端遠程監(jiān)測和調(diào)節(jié)智能家居設備。這項功能為用戶提供了方便快捷的遠程管理體驗，增強了系統(tǒng)的用戶友好性。

（4）實時數(shù)據(jù)傳輸：終端節(jié)點需要實時將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器，以確保系統(tǒng)能夠及時響應老人居住環(huán)境的變化，提供及時的警報和通知。

1.2系統(tǒng)總體設計

本設計由一個協(xié)調(diào)器和兩個終端節(jié)點組成，協(xié)調(diào)器由一個CC2530主控和一個ESP8266Wi-Fi遠程信號通信模塊組成，實現(xiàn)上位機和硬件連接，協(xié)調(diào)器起到了一個網(wǎng)關的作用，終端節(jié)點1是由CC2530主控和DHT11溫濕度采集模塊、光照傳感器、壓力傳感器、LED燈、舵機、繼電器組成，終端節(jié)點2是由CC2530主控和MPU6050加速度傳感器組成。系統(tǒng)設置有協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點和手機App三個部分。

協(xié)調(diào)器同樣采用CC2530作為主控制器，負責接收終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，并向其發(fā)送控制命令，同時通過ESP8266Wi-Fi模塊與手機App通信，方便用戶通過手機APP實現(xiàn)遠程操控。如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件設計

2.1主控部分設計

在適老性智能家居系統(tǒng)設計中，系統(tǒng)終端節(jié)點以及協(xié)調(diào)器模塊均采用CC2530芯片作為主控以實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的采集與無線傳輸。CC2530是德州儀器推出的一款低功耗無線通信，內(nèi)置強大的8位微控制器，支持多種通信協(xié)議，這使得CC2530能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的無線通信，適用于各種遠距離、低功耗的應用場景。同時芯片還具備豐富的外設接口，包括通用I/O引腳、UART、SPI等，方便與外部設備和傳感器進行連接。CC2530采用低功耗設計，有效延長電池壽命，適用于需要長時間運行的電池供電設備。

3.2光照檢測設計

本部分設計采用的是光敏電阻進行光照檢測，光敏電阻是光照檢測電路的核心元件。其電阻值隨著環(huán)境光照的變化而變化。在光照較強時，電阻值較?。欢诠庹蛰^弱時，電阻值較大。在此將電阻R5和光敏電阻D1串聯(lián)，并與GND、VCC連接，其中間點連接CC2530單片機的P16管腳，當環(huán)境光照強度改變時，光照電阻的電阻值發(fā)生變化，導致光照電阻兩端的電壓發(fā)生變化，這一變化的電壓信號通過CC2530內(nèi)部ADC實現(xiàn)光照檢測，并將其轉(zhuǎn)換為光照強度。當光強低于26lux時燈亮然后窗簾關閉，老人也可以在手機App將其打開，方便老人對燈和窗簾的控制。

2.3溫濕度檢測設計

在適老性智能家居系統(tǒng)設計中，采用DHT11實現(xiàn)溫濕度檢測，其cb40a096c20d52a439e5ebe79dff9f862280c0fcf6f9574cf0bb3180467ca531是一種常用于溫濕度檢測的數(shù)字傳感器，廣泛應用于各種嵌入式系統(tǒng)和電子項目中。它采用單總線數(shù)字信號傳輸，并且在硬件上相對簡單，成本較低。DHT11溫濕度檢測電路主要包括傳感器模塊、微控制器以及相關的電源電路。DHT11可測量的溫度范圍通常在0～50℃之間，濕度范圍在20%～90%之間。如圖3所示為DHT11檢測電路圖，通過P00與其數(shù)據(jù)引腳連接。溫濕度傳感器可以在手機端App查看實時數(shù)據(jù)，以及時關注老人的居住環(huán)境。

2.4無線通信設計

在適老性智能家居系統(tǒng)設計中，協(xié)調(diào)器通過Wi-Fi模塊與Web端建立數(shù)據(jù)遠程通信。無線通信電路采用ESP8266為核心的Wi-Fi模塊實現(xiàn)無線通信的設計要求。ESP8266通過串口與單片機進行通信，通過連接TX和RX引腳，實現(xiàn)單片機與ESP8266之間的數(shù)據(jù)交互。ESP8266的工作電壓通常在3.0～3.6V之間，確保為其提供穩(wěn)定的電源。可以使用電容濾波器和穩(wěn)壓器來減小電源噪聲，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖4所示為Wi-Fi通信電路圖，通過P04和P05與ESP8266連接。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1主程序設計

在系統(tǒng)終端節(jié)點程序開發(fā)過程中，采用的是CC2530單片機作為系統(tǒng)主控核心，當系統(tǒng)程序啟動后，首先完成初始化設置并建立Zigbee無線通信，實現(xiàn)環(huán)境內(nèi)的濕度、溫度、光照、壓力、是否移動的檢測與實時顯示，并根據(jù)控制命令控制設備。

3.2溫濕度檢測程序設計

DHT11是單線通信方式，在此首先需要初始化單片機的引腳，將其設置為與DHT11通信所需的輸入輸出模式。然后發(fā)起測量請求，單片機通過將引腳拉低20μs，然后再釋放，來發(fā)起DHT11的測量請求。DHT11在測量完成后會通過引腳拉低和拉高的方式響應單片機。再讀取傳感器數(shù)據(jù)，在單片機接收到DHT11的響應后，開始讀取DHT11傳感器返回的40bit數(shù)據(jù)。最后單片機需要對接收到的40bit數(shù)據(jù)進行解析，將其轉(zhuǎn)換為實際的溫度和濕度數(shù)值。

3.3壓力和光照檢測程序設計

在實現(xiàn)系統(tǒng)壓力檢測程序設計中，通過CC2530內(nèi)部ADC實現(xiàn)對應數(shù)據(jù)檢測。首先在程序中引入用于ADC庫。通過配置寄存器設置單片機引腳，連接到MQ傳感器。然后初始化ADC模塊，配置ADC通道以連接到傳感器。然后在程序中啟動ADC轉(zhuǎn)換，以獲取模擬電壓值。通過相應的庫函數(shù)讀取ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果，得到與空氣質(zhì)量相關的數(shù)字值。通過讀取強度值，進行適當?shù)奶幚砗团袛?，以確定當前環(huán)境的空氣質(zhì)量情況。

3.4 無線通信程序設計

在系統(tǒng)設計中，需要實現(xiàn)Wi-Fi通信程序設計，保證系統(tǒng)能夠通過無線通信模塊實現(xiàn)Web端的遠程控制。系統(tǒng)采用的是ESP8266通信模塊，因此只需要通過UART串口發(fā)送AT控制指令對Wi-Fi通信模塊ESP8266進行控制就可以實現(xiàn)Wi-Fi通信功能，在程序控制上，單片機在啟動UART串口后需要完成對ESP8266通信模式，Wi-Fi的賬戶、密碼等信息的設置，然后等待與其進行連接，當連接成功就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和接收。

4結(jié)語

針對全球老齡化問題，設計并實現(xiàn)一套基于ZigBee通信協(xié)議的適老性智能家居系統(tǒng)，提升老年人的生活質(zhì)量。系統(tǒng)通過溫濕度監(jiān)測、光照檢測、床墊壓力和加速度監(jiān)測等多重功能，全面關注老年人的居住環(huán)境和生活狀態(tài)。硬件設計上，采用CC2530作為主控制器，確保了系統(tǒng)的低功耗和穩(wěn)定性；軟件設計上，實現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)的實時檢測與控制，支持遠程通信，為用戶提供了方便快捷的遠程管理體驗。

參考文獻

[1]張麗.適老化智能家居系統(tǒng)的設計研究[J].工業(yè)設計，2021（7）：19-21.

[2]王瑾，孔德貴.物聯(lián)網(wǎng)在智能家居領域的應用[J].電信網(wǎng)技術，2021（4）：66-69.

[3]牛進軍.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)[J].礦業(yè)裝備，202312）：46-47.

[4]程琪戩，王桂蘭，周明亮.遠程在線家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].智能城市，2023，9（11）：96-98.

[5]朱麗敏.基于ZigBee技術的智能家居環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].電視技術，2023，47（11）：73-79.