2019年10月17日 | 基于ZigBee和LabVIEW的社区空巢老人监护系统设计

0 引言

随着社会经济的发展，人口流动性加大，家庭结构也在不断发生改变，越来越多的老年人单独居住，无人照料。据第六次人口普查数据显示，在有老年人的家庭中，空巢家庭占比已达到31.77%，伴随老龄化程度的加深，空巢家庭的比重仍会迅速上升，同时老人的健康情况也会限制其子女的就业选择与工作时长，老年人的安全监护问题己成为社会关注的焦点。目前，基于GSM的老人远程监护系统在国内得到推广，基于图像理解的家庭监护技术也在国外展开研究。然而，这些方法往往因为救助不及时或是老人病发时失去求救能力而错过最佳的救治时间，给家人带来遗憾。本文针对空巢老人的安全监护问题，设计了基于ZigBee和LabVIEW的社区空巢老人室内监护与报警系统。此系统以社区为单位对空巢老人进行统一的日常监护，实现跌倒检测、脉搏检测、求助报警、室内安全监测以及进门人员身份识别等多种功能，从多个角度关注老人的安全和健康状况，使子女在外更加安心。

1 系统总体设计

社区空巢老人监护系统由终端节点、ZigBee网络和社区监护中心三部分组成。

(1)终端节点。终端节点由移动式监护仪、智能家居传感器、RFID门禁模块和ZigBee模块构成，分别放置在老人身上、厨房、房门等位置，用来实时采集室内监护的各项数据。这些数据经单片机处理后通过ZigBee模块发送到无线通信网络。

(2)ZigBee网络。采用ZigBee协议，构建网状型拓扑结构，与用户端的ZigBee节点共同完成用户端向社区监护中心无线传输数据的功能。

(3)社区监护中心。基于LabVIEW平台构建监护中心上位机系统，通过RS232串口实时接收各个用户单元发送的数据，同时存储并显示各用户的情况。一旦发生异常，系统会向监护人员发出警报，由监护人员确认老人的情况并及时采取措施进行处理。

系统总体结构示意图如图1所示。

2 系统硬件设计

本系统的硬件设计包括用户端硬件设计和ZigBee网络节点硬件设计，共同完成监护参数的数据采集和无线传输。

2.1 用户端

用户端作为监护系统的终端节点，主要完成空巢老人身体状况检测、家庭安防智能监控以及进门人员的身份识别等功能。用户端分为移动式监护仪、厨房燃气等检测仪和入户门禁模块。

(1)移动式监护仪。老人随身携带的移动式监护仪终端节点，以STM32为核心，配以加速度传感器、脉搏传感器、报警按钮和无线发射模块，实现跌倒检测、脉搏监测和求助报警等功能。图2为监护仪硬件结构框图。其中，加速度传感器MPU6050用于老人的跌倒检测，当人在直立或行走时，z轴的加速度接近g，x轴和y轴加速度约为0，而摔倒时三个轴向的加速度均会发生明显变化，通过与设定阈值比较，可以判断是否有跌倒发生;脉搏传感器(pulse sensor)是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器，将其佩戴于手指或耳垂处，通过单片机处理可将采集到的模拟信号转化为数字信号并得到人体的心率数值;报警按钮用来处理紧急事件，当突发疾病或有意外发生时，老人可以通过监护仪上的紧急报警按钮主动向小区监护中心发出报警求助信号;无线收发模块NRF24L01外形小巧，作为无线发射模块，可以减小监护仪的体积，更加便于携带，它将监护仪采集到的数据发送给与ZigBee节点相连的无线接收模块，再通过ZigBee节点传送到ZigBee网络中，从而实现无线传输的目的。

(2)燃气检测仪和温湿度检测仪。在厨房安装的温湿度检测模块和燃气检测模块，作为系统的终端节点，具有监测室内安全的功能。随着生活水平的发展和电子信息技术的进步，越来越多的家庭使用家庭监控系统对家居进行智能监控。而老年人随着年龄的增长，听觉和嗅觉等均发生退化，记忆力不断下降，当室内出现安全隐患时往往很难察觉，因此家庭的智能监控更应该普及到空巢家庭中。本系统选用烟雾气敏传感器MQ-2和温湿度传感器DHT11监测厨房的燃气浓度和各房间的温湿度，各模块以支持ZigBee协议的CC2430作为核心芯片。CC2430芯片具备MCS-51内核、EEPROM、非易失性存储器和多种IO接口，既可以完成普通单片机的所有工作，又能使用片内的无线收发组件完成所有有关ZigBee网络传输的工作，将传感器节点采集的数据进行处理并传输。

(3)入户门禁模块。安装在门上的基于射频识别技术的门禁模块，作为系统的终端节点，主要由射频卡、读卡器、电磁锁和ZigBee模块组成。当用户进门时，射频卡靠近读卡器，其中的ID卡号被读卡器读取后送入ZigBee模块中的CC2430芯片中，通过单片机核对处理确定卡号的进门权限，从而决定电磁锁是否开启。当该用户在监护中心产生报警时，监护中心会向门禁控制模块发出指令，更改储存在单片机中的门禁白名单，使拥有“万能钥匙”的监护人员能够进入用户家中，对老人予以救助。

2.2 ZigBee通信网络

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，还具有多种组网方式和灵活的网络拓扑结构，非常适合于低功耗、低速率的监视或传感网络。ZigBee网络包含三种类型的节点：协调器、路由器和终端设备。其中，协调器负责启动、配置、协调整个ZigBee无线网络，并把采集到的数据通过有线或无线的方式发送至监护中心，路由器主要实现扩展网络的功能，而网络中的终端设备既可以负责采集数据并传输给上位机进行数据处理，也可以作为路由节点传递其他节点的数据。

在本系统的ZigBee网络中，每个终端节点将采集到的监护数据发送给路由器节点，路由器节点根据路由算法选择最佳通信路径，通过其它的路由节点把数据传送给协调器，网络协调器则通过RS232串口和PC机连接，实现数据的无线传输。

3 系统软件设计

系统的软件设计包括下位机软件设计和上位机软件设计两部分。

3.1 下位机软件设计

系统下位机软件设计是以Z—Stack协议栈为基础，从终端节点到协调器节点进行整个网络的组建。下位机软件主要包括ZigBee网络中终端节点的数据采集程序和协调器的网络配置与数据传输程序两部分。

ZigBee协调器节点和终端节点的程序流程图如图3所示。

3.2 上位机软件设计

LabVIEW是美国NI公司基于G语言开发的一种虚拟仪器平台，具有友好的图形界面，强大的数据处理功能和丰富的库函数。本系统基于LabVIEW平台设计上位机程序，实现用户信息管理、传感器节点监视、测量阈值设置以及报警记录查询等功能，大大缩短了系统的开发周期。监护系统中个人用户监测界面如图4所示，当有报警发生时，进入系统识别出的报警用户的监测界面，就可以查看该用户终端节点的报警来源，以便监护人员采取措施进行相应处理。

在本系统中，LabVIEW通过VISA节点与串行接口仪器进行通信。在进行串口通信前，首先要配置好串口，使计算机串口的参数与仪器设备保持一致，才能正确的通信，然后读取缓冲区的字节，根据已设置好的传输协议，将各节点的信息提取出来，编程实现数据处理。经过LabVIEW处理后的人体心率实时数据如图5所示，当老人的心率数值超过设定阈值，就会向社区的监护人员发出警报。另外，在本系统中，用户个人信息的管理、阈值设置以及报警记录的查询等，都需要通过读写数据库来实现。LabVIEW通过LabSQL访问包将信息存入Access数据库中，实现监护人员的查询与调用。

4 实验结果

为了测试本监护系统的性能，本文利用校园模拟社区环境：宿舍模拟住户，用于采集终端节点的数据;实验室模拟监护中心，用于接收终端节点数据并在上位机进行分析处理、数据显示等;同时在室外固定放置一定数量的路由节点进行信号的无线传输。加速度、脉搏、烟雾和温湿度传感器节点的实验测试数据如表1所示。

实验结果表明，监护中心与终端节点的数据通信实时、高效，传感器数据采集和报警的准确性较高。整个监护系统在数据采集、数据处理、救助信息发布等方面的响应时间及准确率已达到救援信息响应的基本要求。

5 结论

本文基于LabVIEW平台和ZigBee技术，设计构建了社区空巢老人监护系统，重点介绍了终端节点的硬件设计和监护平台的软件设计，实现了对老人身体状况和室内安全监测的功能，降低了老人发生事故的风险。实验证明，多种类型传感器节点能准确地从多个角度对老人进行监护，提高监护系统的可靠性，增加安全系数;采用基于ZigBee技术的无线传感网络使传感节点的布置方式和使用更加灵活，同时ZigBee的自组织、自愈、便于维护等特点提高了整个网络的扩展性;由社区监护中心统一管理和监护老人，可以节约资源、节省财力，而且实时高效。本设计符合设备自动化与智能化的发展趋势，也响应了“养老社区化”的国家政策，具有良好的的市场前景和经济效益。本系统己基本实现空巢老人室内安全监护的主要功能，为了实现对空巢老人全方位的监护以及向产品化迈进，下一步的研究工作主要解决以下问题：1)本系统所用传感器有限，将增加检测生理参数和智能家居的传感器，从多方面监护空巢老人的安全;2)本文研究内容主要是空巢老人室内安全监护，下一步的工作将把本系统的监护范围扩展到室外;3)基于LabVIEW平台建立模拟社区环境的3D实景图，实现监护系统对被监护对象的可视化空间定位，方便社区监护人员快速到达事发地点。