智能家用監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐學(xué)紅 李娜娜

摘 要：針對(duì)小孩、老人或行動(dòng)不便人員的監(jiān)護(hù)，設(shè)計(jì)了一種具有手機(jī)提醒和智能照明功能的家用監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，監(jiān)護(hù)終端以CC2530單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)采集、信號(hào)發(fā)送和接收、自動(dòng)照明;網(wǎng)關(guān)包括ZigBee協(xié)調(diào)器和RT5350模塊，實(shí)現(xiàn)終端和手機(jī)之間的通信;手機(jī)接收到終端按鈕或聲音傳感的信號(hào)時(shí)，震動(dòng)并響鈴提醒，且能通過(guò)APP控制終端上的燈。該系統(tǒng)通信質(zhì)量好、性能穩(wěn)定且靈活方便，滿(mǎn)足了家庭監(jiān)護(hù)的需求。

關(guān)鍵詞：傳感器;ZigBee;WiFi;Android;家用監(jiān)護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）28-0020-03

Design of Intelligent Domestic Monitoring System

XU Xuehong LI Nana

（School of Information Engineering， Henan University of Animal Husbandry and Economy，Zhengzhou Henan 450044）

Abstract： According to the protection of the children， elders and disables， a domestic monitoring system with mobile phone reminder and intelligent lighting was designed. The system adopted modular structure. Monitoring terminal with CC2530 microcontroller as the core realized the sensor data acquisition， signal sending or receiving and automatic lighting. The gateway included ZigBee coordinator and RT5350 module. Its function is to realize the communication between terminal and mobile phone. When the phone received the terminal button or sensor signal， it vibrates and rings a bell to remind the monitor. The phone can also control the lamp on the terminal. The communication quality of the system is good and the performance is stable. It is flexible and convenientvery much. It can meet the needs of homemonitoring well.

Keywords：sensor;ZigBee;WiFi;Android;domestic monitoring

隨著我國(guó)人口老齡化程度加劇和計(jì)劃生育政策的調(diào)整，嬰幼兒和老人數(shù)量大幅度增加。忙碌的父母如何能在其他房間安心休息或者處理其他事務(wù)，而無(wú)須擔(dān)心睡覺(jué)中的孩子，子女如何能在緊張的生活中更好地照顧高齡或者行動(dòng)不便的老人，是很多家庭中存在且需要解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

本文利用ZigBee短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)成本低、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)和現(xiàn)有智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備資源的便利性，設(shè)計(jì)了一種由監(jiān)護(hù)終端、網(wǎng)關(guān)和手機(jī)組成的家用監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。夜晚，監(jiān)護(hù)終端上的按鈕被按下，或者感應(yīng)到的聲強(qiáng)超過(guò)閾值（哭鬧聲或喊聲），手機(jī)端震動(dòng)并響鈴提醒，同時(shí)，終端和網(wǎng)關(guān)上的夜燈自動(dòng)點(diǎn)亮[1]。白天，監(jiān)護(hù)終端上的按鈕被按下，或者聲強(qiáng)超過(guò)閾值時(shí)，手機(jī)震動(dòng)并響鈴提醒，但夜燈不亮。手機(jī)端，接收到終端按鈕或聲音傳感信號(hào)時(shí)，震動(dòng)并響鈴提醒，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)護(hù)終端環(huán)境的溫濕度，且能通過(guò)手機(jī)APP界面上的按鈕控制終端夜燈的亮滅。該監(jiān)護(hù)系統(tǒng)兼具手機(jī)提醒和自動(dòng)照明功能，操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、智能方便，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

1 智能家用監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，其由監(jiān)護(hù)終端、協(xié)調(diào)器和WiFi模塊組成的網(wǎng)關(guān)、手機(jī)組成。

1.1 監(jiān)護(hù)終端

監(jiān)護(hù)終端以CC2530單片機(jī)為核心，配置按鈕、光敏傳感器、聲音傳感器、溫濕度傳感器、繼電器、夜燈、電池組和穩(wěn)壓模塊。為滿(mǎn)足不同人群的需求，比如，幼兒、年齡稍大點(diǎn)的孩子、行動(dòng)能力不同的老人，設(shè)計(jì)兩種觸發(fā)模式，一種是人為按下按鈕，一種是聲音傳感器自動(dòng)感應(yīng)哭鬧聲或喊聲，同時(shí)通過(guò)光敏傳感器區(qū)分白天和夜晚，具體來(lái)說(shuō)，白天按下按鈕或感應(yīng)到聲音時(shí)，發(fā)送信號(hào)給網(wǎng)關(guān)，但夜燈不亮;夜晚按下按鈕或感應(yīng)到聲音時(shí)，發(fā)送信號(hào)給網(wǎng)關(guān)，終端夜燈自動(dòng)點(diǎn)亮;同時(shí)，終端實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫濕度發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。終端也可接收手機(jī)端的信號(hào)，通過(guò)手機(jī)APP控制終端夜燈[2]。終端主控芯片選用TI公司的CC2530F256單片機(jī)，除了具有增強(qiáng)型8051的功能外，還具有2.4G的RF收發(fā)功能，支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee協(xié)議，功耗低。數(shù)字溫濕度傳感器選用含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器DHT11。光敏傳感器選用直流電源環(huán)氧樹(shù)脂膠封裝的G5516光敏傳感器，可靠性好、體積小、靈敏度高、反應(yīng)速度快、光譜特性好。通過(guò)測(cè)試與對(duì)比，聲音傳感器選用動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高且可以調(diào)整的電容式聲音傳感器。

1.2 網(wǎng)關(guān)

監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)由ZigBee協(xié)調(diào)器和WiFi模塊組成，其中，協(xié)調(diào)器以CC2530單片機(jī)為核心，WiFi模塊以Ralink公司的RT5350芯片為核心，將這兩部分集成到一起并配以穩(wěn)壓模塊、電池組、散熱風(fēng)扇、繼電器、夜燈，完成監(jiān)護(hù)終端和手機(jī)端之間ZigBee-串口-WiFi信號(hào)的處理，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)終端和手機(jī)之間的無(wú)線(xiàn)通信。另外，為方便網(wǎng)關(guān)房間夜晚照明，網(wǎng)關(guān)上配置夜燈。網(wǎng)關(guān)接收到終端信號(hào)時(shí)將信號(hào)發(fā)送給手機(jī)，如果是夜晚，同時(shí)自動(dòng)點(diǎn)亮網(wǎng)關(guān)夜燈。RT5350內(nèi)部集成了基帶處理器、射頻功率放大器、高性能的MIPS 24Kc CPU內(nèi)核，僅需要很少的外圍器件就可以實(shí)現(xiàn)低成本2.4GHz802.11n無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品，性能穩(wěn)定、覆蓋范圍大。

1.3 通信方式和電源的選擇

ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)建立在IEEE802.15.4上，通信時(shí)延15～30ms，使用AES-128加密算法，單跳有效范圍為10～75ms，低功耗、低成本、短距離，自組織、容量大，非常適合家庭/樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)使用。終端和協(xié)調(diào)器之間采用ZigBee通信，ZigBee協(xié)調(diào)器和RT5350之間采用串口通信，再通過(guò)WiFi連接到手機(jī)端[3]。

在供電方式上，采取外部供電和內(nèi)置蓄電池備用供電兩種供電模式。市電停電時(shí)，可由蓄電池為監(jiān)護(hù)系統(tǒng)持續(xù)供電，夜燈可用來(lái)應(yīng)急照明。

2 監(jiān)護(hù)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

監(jiān)護(hù)終端的主控芯片為CC2530單片機(jī)，通過(guò)程序進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集、判斷按鈕狀態(tài)、檢測(cè)聲音情況、環(huán)境明暗情況判斷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)發(fā)送和夜燈的控制，終端發(fā)送數(shù)據(jù)的程序設(shè)計(jì)流程如圖2所示。同時(shí)，能無(wú)線(xiàn)接收手機(jī)端的信號(hào)，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的命令自解析，實(shí)現(xiàn)夜燈的定時(shí)點(diǎn)亮和手動(dòng)點(diǎn)亮。

3 網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)由RT5350芯片通過(guò)串口連接到ZigBee協(xié)調(diào)器上，通過(guò)協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)ZigBee-WiFi信號(hào)的轉(zhuǎn)換和通信。協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計(jì)基于TI公司的Z-Stack協(xié)議棧，使用IAR公司的IAR Embedded Workbench for 8051開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行。通信模式采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，為便于系統(tǒng)擴(kuò)展，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

4 手機(jī)端Android軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)端APP程序設(shè)計(jì)借助Eclipse軟件，基于JDK、SDK環(huán)境，使用Java語(yǔ)言編寫(xiě)，Android應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

用戶(hù)先連接WiFi，打開(kāi)應(yīng)用程序后，需要先在軟件“網(wǎng)絡(luò)設(shè)置”中輸入系統(tǒng)的IP地址信息，Android應(yīng)用程序在后臺(tái)進(jìn)行偵聽(tīng)，系統(tǒng)自動(dòng)做出一系列處理并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)求。如果請(qǐng)求成功，系統(tǒng)調(diào)用Socket類(lèi)下的對(duì)應(yīng)方法對(duì)網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后存入緩存中。之后，只要手機(jī)WiFi連接正常，不用打開(kāi)APP，即可以正常接收終端數(shù)據(jù)，在有情況時(shí)進(jìn)行震動(dòng)和報(bào)警鈴聲提醒，如需查看溫濕度數(shù)據(jù)，打開(kāi)APP，系統(tǒng)就會(huì)調(diào)用后臺(tái)數(shù)據(jù)并且在界面上顯示;需要結(jié)束震動(dòng)和鈴聲時(shí)，打開(kāi)APP點(diǎn)擊“停止”按鈕，需要控制終端夜燈時(shí)，打開(kāi)APP點(diǎn)擊“定時(shí)照明”按鈕，終端夜燈點(diǎn)亮一段時(shí)間后自動(dòng)熄滅，也可點(diǎn)擊“手動(dòng)照明”按鈕，終端夜燈點(diǎn)亮，再次點(diǎn)擊，夜燈熄滅[4]。智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的手機(jī)端界面如圖5所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用傳感技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、Android應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家用監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)智能、方便、靈活的同時(shí)，充分考慮了人性化設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單、成本低廉，能成為小孩、老人或行動(dòng)不便人員監(jiān)護(hù)的好幫手。另外，可以根據(jù)實(shí)際需求擴(kuò)展監(jiān)護(hù)終端的數(shù)量，將監(jiān)護(hù)系統(tǒng)推廣應(yīng)用到托兒所、養(yǎng)老院、醫(yī)院等地方。

參考文獻(xiàn)：

[1]葛聰樂(lè)，車(chē)進(jìn)，田斌，等.基于OpenWrt與ZigBee的遠(yuǎn)程分布式物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2019（10）：70-72，75.

[2]楊建衛(wèi)，任曉莉.基于Zigbee的倉(cāng)庫(kù)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，微型電腦應(yīng)用，2018（9）：62-65.

[3]王峰，宣伯凱.基于Android的家庭移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]，計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015（5）：1586-1588.

[4]明日科技.Android開(kāi)發(fā)從入門(mén)到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.