基于ZigBee技術的智能老人助理系統(tǒng)

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(tǒng)的老人助理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足老人們的需求，而智能老人助理系統(tǒng)將會成為大多數(shù)老年人的生活必須品。針對以上需求，本系統(tǒng)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(xié)調(diào)器模塊組成控制系統(tǒng)，通過ZigBee網(wǎng)絡完成對室內(nèi)環(huán)境監(jiān)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(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(nèi)環(huán)境數(shù)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(shù)量逐步增多，未來市場適合老年人使用的產(chǎn)品需求量會逐步增大，市場發(fā)展空間極大[2] 。盡管已經(jīng)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(tǒng)可以很好地解決這個問題。ZigBee 技術在國內(nèi)的發(fā)展和應用還不夠[3]，目前，雖然國內(nèi)市場上已經(jīng)有相關產(chǎn)品，但產(chǎn)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(chǎn)品較為陌生，上述問題造成ZigBee技術在智能老人助理系統(tǒng)方面較為緩慢。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)設計由移動控制終端、協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)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(wǎng)內(nèi)的手機終端，監(jiān)控終端節(jié)點包括溫濕度檢測節(jié)點、有害氣體監(jiān)測結點、舵機、51單片機、尋跡傳感器，而ZigBee協(xié)調(diào)器不但是整個ZigBee網(wǎng)絡的基礎，而且聯(lián)系終端節(jié)點的紐帶。本系統(tǒng)的主要功能：

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

（2） 實時收集室內(nèi)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(tài)刷新；

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

（4） 利用尋跡模塊實現(xiàn)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(tǒng)總體框架如圖1 所示：

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)硬件采取模塊化設計理念，主要包含協(xié)調(diào)器節(jié)點、溫濕度、有毒氣體傳感器、繼電器組合節(jié)點、驅動部分。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點

本系統(tǒng)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(xié)議——ZigBee 2007/PRO，而TI之前的SOC射頻芯片CC2430/CC2431等不支持ZigBee2007/PRO協(xié)，ZigBee2007/PRO相對于以前的協(xié)議具有更好的互操作性、節(jié)點密度管理、數(shù)據(jù)負荷管理、頻率捷變特、支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡和低功耗的特點。通過 USB 轉串口連接到控制中心的 ZigBee 協(xié)調(diào)器模塊，在室內(nèi)建立無線星形 ZigBee網(wǎng)絡，并將所有終端節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡中并實時發(fā)送到移動終端，從而實現(xiàn)老人對于室內(nèi)環(huán)境基本參數(shù)的實時了解，和門鎖的操控，協(xié)調(diào)器節(jié)點的主要作用：

（1） 組建ZigBee網(wǎng)絡，等待節(jié)點加入；

（2） 接受有毒氣體傳感器、溫濕度傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，并通過USB轉串口發(fā)送到PC上位機界面顯示，以實現(xiàn)聯(lián)機；

（3） 通過接收 PC 上位機發(fā)送來的控制指令，再經(jīng)節(jié)點 ID 識別發(fā)送給相應控制節(jié)點；

（4） 控制終端節(jié)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(jié)點

每一個溫濕度、有毒氣體傳感器節(jié)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(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)；

MQ-2是一款用于有毒氣體監(jiān)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(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件；

系統(tǒng)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(tǒng)的驅動部分主要由51單片機最小系統(tǒng)、舵機、尋跡傳感器、電源組成：

（1） 51單片機最小系統(tǒng)采取8051系列的芯片，做好最小系統(tǒng)接到ZigBee節(jié)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(nèi)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(xiàn)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(jié)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(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要包括以下6個模塊的軟件設計：CC2530協(xié)調(diào)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(wǎng)程序設計

局域無線通訊主要有協(xié)調(diào)器和終端兩大部分組成。通過收發(fā)協(xié)議，在本系統(tǒng)中采取Z-Stack協(xié)議棧，同時采用了配套的Sample Application 作為實例。

本實驗的協(xié)調(diào)器采用星型拓撲結構，主要負責連接和看護網(wǎng)絡及其終端設備，直接與ZigBee協(xié)調(diào)器通信。其中，Z-Stack在建立一系列任務時，系統(tǒng)給不同的任務分配不同的優(yōu)先級，保證高優(yōu)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(yōu)先級。SampleApp 中在 Z-main.c 中調(diào)用 osal-init-system （） 對Z-Stack 進行初始化，在這個函數(shù)中又層層調(diào)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(xié)調(diào)器節(jié)點，組建網(wǎng)絡，分配終端各節(jié)點地址，協(xié)調(diào)器自身分配地址為0，程序進入主要部分，協(xié)調(diào)器起著監(jiān)聽的作用，它會將終端節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿咏K端和PC上位機界面上，協(xié)調(diào)器工作流程如圖2所示：

3.2 終端節(jié)點的軟件設計

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

溫濕度、MQ-2、繼電器組合節(jié)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(shù)據(jù)格式為8b濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8b濕度小數(shù)數(shù)據(jù) +8b 溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8b溫度小數(shù)數(shù)據(jù) +8b 校驗和[4] 。首先，系統(tǒng)初始化串口，延時20-40us進行溫濕度的讀取，然后將讀取的數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)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(huán)境下，自身的體電阻發(fā)生改變，從而導致輸出電壓變化。本系統(tǒng)用甲烷來測試，測試范圍在5000～20000ppm，如果在預設濃度內(nèi)，老人移動設備會發(fā)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(jié)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(jié)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(xié)調(diào)器通過串口連接通訊，與手機使用 TCP/IP 協(xié)議通過 Socket 相互傳遞數(shù)據(jù)[5] ，顯示實時的溫濕度數(shù)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(wǎng)絡連接好之后便開始傳輸數(shù)據(jù)，并實時顯示變化曲線，這時點擊連接數(shù)據(jù)，電腦開始監(jiān)聽，接入手機端，PC服務端和手機客戶端就會相互發(fā)送數(shù)據(jù)，當收到手機發(fā)送的指令時，便會自動轉發(fā)給協(xié)調(diào)器，之后再發(fā)送到終端節(jié)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(xié)議通過 Socket 相互傳遞數(shù)據(jù)，向上位機發(fā)送控制命令并顯示接收到的溫濕度數(shù)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?？刂骑@示模塊顯示門鎖控制、燈的開關、溫濕度數(shù)值、有毒氣體是否超標，通信模塊：通信套字節(jié)。

4 系統(tǒng)測試

通過對智能老人助理系統(tǒng)各節(jié)點的調(diào)試后如圖6所示，移動終端接入到ZigBee局域網(wǎng)中，將已經(jīng)連接好的ZigBee協(xié)調(diào)器與各個ZigBee終端節(jié)點組網(wǎng)。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(tǒng)，最后，將終端節(jié)點的數(shù)據(jù)通過ZigBee協(xié)調(diào)器傳輸?shù)缴衔粰C和移動終端，實現(xiàn)對老人室內(nèi)溫濕度、有毒氣體感知，燈、門鎖的操控。我們經(jīng)過多次試驗，可以看出系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈敏度等特點，系統(tǒng)在延時1S的情況下，數(shù)據(jù)反應迅速。為了進一步測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們分多種情況來探討系統(tǒng)的穩(wěn)定性如圖7，表1、表2所示，為了探究其穩(wěn)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(tǒng)的穩(wěn)定性良好，很好地滿足老人的使用要求。

5 結論

本系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)生時，處于休眠狀態(tài)，在選擇硬件設備時強調(diào)成本低廉，但保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏度的產(chǎn)品，移動終端又特別強調(diào)交互性界面設計，更加貼切老人需求。該智能老人助理系統(tǒng)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(tǒng)設計雙重開門措施，更加符合老人的實際情況，本系統(tǒng)在工業(yè)大棚等場所也有一定應用前景。

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