基于物聯(lián)網(wǎng)的智能“導(dǎo)盲犬式”社交門鈴

許家成

[摘 要]本文研究方向來源于現(xiàn)實(shí)生活中的發(fā)現(xiàn)，視聽障礙老年人對現(xiàn)有的鈴聲、語言、視頻等形式的門鈴信息難以接收，而且老年人在家中或戶外行走時容易碰撞障礙物，發(fā)生危險。為解決此類問題，本文借鑒目前熱門的智能家居系統(tǒng)與汽車自動駕駛概念，設(shè)計了一種基于單片機(jī)，無線收發(fā)模塊和超聲波測距模塊的手持無線智能避障門鈴系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過nRF24L01收發(fā)無線門鈴信號，由單片機(jī)轉(zhuǎn)化為間歇振動形式提醒，通過HC-SR04測距，以連續(xù)振動形式作出障礙物警報。HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)高到3mm。避障功能的警報距離還可以由用戶根據(jù)不同人群的行走速度，家里的面積大小靈活設(shè)置。門鈴提醒系統(tǒng)設(shè)計為手持設(shè)備，大大提高了空間適用性及便利性。此外，為方便老年人群進(jìn)行廣場舞鍛煉，系統(tǒng)集成了廣場舞一鍵召集功能，適合老年人群更方便地接收跳舞召集信息。經(jīng)實(shí)驗驗證，本文設(shè)計的無線智能門鈴系統(tǒng)通過了性能測試，運(yùn)行效果良好，滿足設(shè)計要求。

[關(guān)鍵詞]無線門鈴；避障；單片機(jī)；nRF24L01；超聲波測距；

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）02-0112-02

第一章 緒論

1.1 課題研究背景及意義

隨著科技的發(fā)展，尤其是云計算、物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，智能家居的概念在各大媒體上頻繁出現(xiàn)，進(jìn)入大眾的視野。在我國，智能家居的概念在十余年前引入，并推向市場。隨著社會的發(fā)展、經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們對家居質(zhì)量的追求也越來越高，要求家居舒適化、安全化、智能化，對智能家居系統(tǒng)的渴求也越來越強(qiáng)烈，對智能家居系統(tǒng)功能多樣性，便利性及特殊用途的要求也越來越高。其中，門鈴系統(tǒng)作為智能家居系統(tǒng)必不可少的一部分，其研究與發(fā)展的重要性不言而喻[1]。

2010年第六次全國人口普查顯示，我國60歲以上人口占13.26%，比2000年上升2.93個百分點(diǎn)，我國老齡化進(jìn)程逐步加快。目前，中國已經(jīng)成為世界上老年人口最多的國家，也是人口老齡化發(fā)展速度最快的國家之一。據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，到本世紀(jì)中期，中國將有近5億人口超過60歲，而這個數(shù)字將超過美國人口總數(shù)。中國養(yǎng)老行業(yè)是關(guān)系到每一個人切身利益的現(xiàn)實(shí)問題，也引起了全社會的廣泛關(guān)注。中國也逐漸成為全球老齡產(chǎn)業(yè)市場潛力最大的國家之一。此外，在我國，無論是城市還是農(nóng)村，普遍存在著夫妻雙方都工作而由老人單獨(dú)在家照顧小孩的現(xiàn)象。因此，針對老年人的智能家居產(chǎn)品設(shè)計將成為科技創(chuàng)新的熱門方向之一。

1.2 論文研究的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)

針對無線智能門鈴及門鈴提醒系統(tǒng)與視聽障礙老年人群的人機(jī)交互特點(diǎn)，本論文主要研究智能門鈴的無線控制系統(tǒng)及手持設(shè)備化提醒系統(tǒng)的方案設(shè)計，針對視聽障礙老年人群的人機(jī)交互方案設(shè)計，室內(nèi)行走避障報警系統(tǒng)等方面。

（1）無線控制系統(tǒng)及手持設(shè)備化提醒系統(tǒng)的方案設(shè)計

無線控制系統(tǒng)是無線傳輸技術(shù)與單片機(jī)控制技術(shù)的結(jié)合，其將門上發(fā)送端接收到的按鍵信號轉(zhuǎn)化為無線信號，通過特定的無線網(wǎng)絡(luò)傳送給門鈴接收端，這就使得門鈴系統(tǒng)脫離了各種線纜的羈絆，降低布線成本，也為加入智能家居無線組網(wǎng)提供基礎(chǔ)。

門鈴提醒系統(tǒng)手持設(shè)備是在無線控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對門鈴提醒系統(tǒng)采用鋰電池供電，縮小系統(tǒng)尺寸，實(shí)現(xiàn)手持設(shè)備化。手持設(shè)備的可移動特點(diǎn)會大大提高整個門鈴系統(tǒng)的靈活性和便利性。

（2）針對視聽障礙老年人群的人機(jī)交互方案設(shè)計

傳統(tǒng)門鈴系統(tǒng)來客提醒一般形式為電子鈴聲，語音對話或視頻監(jiān)控，而視聽障礙人群一般不便于接收此類信息。因此本研究中門鈴系統(tǒng)在保留原有固定式提醒形式外，增加了可移動手持設(shè)備上的來客振動提醒形式，更加直觀地將信息呈現(xiàn)給視聽障礙人群，實(shí)現(xiàn)完美的人機(jī)交互。

（3）室內(nèi)行走避障報警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

考慮到視聽障礙老年人群在接收到來客提醒后前去開門的過程中，會遇到室內(nèi)桌椅等各種障礙物，而這會影響老年人行走的便利性及安全性。因此，本研究汲取了目前極為熱門的汽車自動駕駛的概念，在門鈴提醒系統(tǒng)手持設(shè)備上集成了實(shí)時障礙檢測及報警系統(tǒng)，通過與來客振動提醒不同的振動形式來提醒用戶注意前方障礙。

第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計

本系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計如圖2-1所示，整個門鈴系統(tǒng)分為門鈴發(fā)送端和手持接收端，兩部分都以STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)板為控制核心。其中門鈴發(fā)送端搭載門鈴按鍵和無線發(fā)送模塊、蜂鳴器，供電系統(tǒng)可以是市電或電池；手持接收端搭載無線接收模塊、接收確認(rèn)按鍵、直流振動電機(jī)、蜂鳴器、TFT（Thin Film Transisitor）液晶顯示屏、超聲波測距模塊、障礙報警距離調(diào)節(jié)按鍵組等，供電系統(tǒng)采用可充電鋰電池。

2.2 系統(tǒng)軟件模塊的設(shè)計

本系統(tǒng)軟件部分主要分為無線傳輸模塊、超聲波測距報警模塊、人機(jī)交互界面模塊等。

無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)兩個2.4G射頻收發(fā)模塊nRF24L01之間的數(shù)據(jù)傳輸功能；

超聲波測距報警模塊包括超聲波測距模塊HC-SR04的觸發(fā)與接收，回饋數(shù)據(jù)的處理，障礙報警距離的調(diào)節(jié)；

人機(jī)交互界面模塊包括門鈴按鍵和應(yīng)答按鍵的檢測及與無線信號的轉(zhuǎn)換，提醒系統(tǒng)振動功能的控制，測距顯示以及液晶屏上其他友好性界面設(shè)計。

第三章 超聲波測距障礙物報警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 超聲波測距模塊HC-SR04介紹

HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)高達(dá)3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。模塊共有4個引腳，VCC供5V電源，GND接地，TRIG觸發(fā)控制信號輸入，ECHO回響信號輸出。

超聲波測距模塊基本工作原理：

（1）采用I/O口TRIG觸發(fā)測距，給最少10us的高電平信號；

（2）模塊自動發(fā)送8個40KHz的方波，自動檢測是否有信號返回；

（3）有信號返回時，通過I/O口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測量距離=（高電平時間*聲速（340m/s））/2。

3.2 障礙物報警距離設(shè)置

為了適應(yīng)身體健康狀況不同的老年人以及不同的家居環(huán)境，本研究設(shè)計了障礙物報警距離的用戶設(shè)置功能。設(shè)置功能硬件電路實(shí)現(xiàn)如圖3-1所示，

系統(tǒng)通過Adjust_Key選擇進(jìn)入或者退出用戶設(shè)置模式，若進(jìn)入用戶設(shè)置模式，則由left和right按鍵選擇障礙物報警距離（cm）的百位、十位、個位，再由up和down按鍵對選中位數(shù)的數(shù)值進(jìn)行增減操作。系統(tǒng)將障礙物報警距離初始值設(shè)為50cm，用戶在此基礎(chǔ)上進(jìn)行操作。

總結(jié)與展望

針對現(xiàn)實(shí)生活中視聽障礙老年人群應(yīng)答門鈴障礙及室內(nèi)行走安全問題，本文結(jié)合單片機(jī)控制技術(shù)、短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和超聲波測距技術(shù)，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種手持無線智能避障門鈴系統(tǒng)，打破傳統(tǒng)門鈴提醒系統(tǒng)空間局限性，增加對老年人的安全性，給人們的生活帶來便利，系統(tǒng)還額外集成了廣場舞一鍵召集功能，該功能由一個主機(jī)和多個從機(jī)組成，主從機(jī)關(guān)系可設(shè)置，主機(jī)由舞團(tuán)團(tuán)長或召集人擔(dān)任，其他團(tuán)員為從機(jī)。當(dāng)主機(jī)發(fā)送召集信息后，從機(jī)接收信息并由團(tuán)員確認(rèn)，從機(jī)將確認(rèn)信息發(fā)送回主機(jī)。當(dāng)老人出門時，手持設(shè)備可開啟避障功能，實(shí)現(xiàn)了視聽障礙老年人群參加健身和社交活動的便捷性，保障了老年人的身心健康。

參考文獻(xiàn)

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[6] 項目指導(dǎo)老師中科院電子研究所.鄭翔.