智慧居家養(yǎng)老安防系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

劉娜 孫申 劉國權(quán) 溫丹麗 李暉

文章編號：2096-1472（2022）-02-59-04

DOI：10.19644/j.cnki.issn2096-1472.2022.002.014

摘? 要：系統(tǒng)從空巢老人的安全出發(fā)，融合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及無線傳感器技術(shù)，完成智慧居家養(yǎng)老安防系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)現(xiàn)，對老人的居住環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化。從功能的角度出發(fā)，將系統(tǒng)分為軟件和硬件模塊設(shè)計。整體采用分治策略，對通信協(xié)議、單片機(jī)、外圍傳感器和語音模塊進(jìn)行設(shè)計，并將各個模塊系統(tǒng)地結(jié)合起來，最終設(shè)計出成體系的智能家居養(yǎng)老安防系統(tǒng)。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要在于通信協(xié)議的設(shè)計和單片機(jī)系統(tǒng)的模塊調(diào)用，其中安全守護(hù)為系統(tǒng)核心實(shí)現(xiàn)點(diǎn)，提供安全保障的同時，關(guān)心老人的心理健康及日常生活。

關(guān)鍵詞：養(yǎng)老;語音助手;單片機(jī);傳感器

中圖分類號：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Design and Implementation of Care Security System for Smart Home

LIU Na， SUN Shen， LIU Guoquan， WEN Danli， LI Hui

（Software College of Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

1332297461@qq.com; 2684293999@qq.com; 3047605657@qq.com;

wdl0119@163.com; 593466728@qq.com

Abstract： In view of the safety of the empty nesters， this paper proposes to design and implement a smart home care security system， which integrates Internet， Internet of Things and wireless sensor technologies. Firstly， the living environments of the empty nesters are optimized， and the system is divided into software and hardware module design based on functions. Then， the overall divide-conquering strategy is adopted to design the communication protocol， single-chip microcomputer， peripheral sensors and voice modules. Finally， all of the modules are systematically combined to design the care security system for smart home. The main realization of the system lies in the design of the communication protocol and the module call of the SCM system. Among them， safety guarding is the core realization point of the system， which provides security and protection， while caring for the mental health and daily life of the elderly.

Keywords： elderly caring; voice assistant; singlechip; sensor

1  ?引言（Introduction）

5G給目前的科技大環(huán)境帶來一個巨大的改變，在科技大環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)分支上，也會因?yàn)?G的到來，使物聯(lián)網(wǎng)的“物”更加普及便利，涉獵更加廣泛;使物聯(lián)網(wǎng)的“網(wǎng)”更加便利迅速，更加適應(yīng)大環(huán)境下大基數(shù)人口的需求。智慧養(yǎng)老將成為時代的發(fā)展趨勢和未來的主流養(yǎng)老方式。智能之家，萬物互聯(lián)，顯然智能家居已經(jīng)成為未來生活的一種必然趨勢。本項目以居家養(yǎng)老模式為基礎(chǔ)，融合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及無線傳感器技術(shù)，完成智慧居家養(yǎng)老安防系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)現(xiàn)。

2? ?設(shè)計功能（Function designing）

本系統(tǒng)的功能由安全守護(hù)、智能醫(yī)療救助、簡易語音助手、智能化輔助設(shè)計四個模塊構(gòu)成，全方面考慮老人的需求和健康防護(hù)。

2.1? ?安全守護(hù)

該技術(shù)是智慧養(yǎng)老安防系統(tǒng)的核心，依靠在房屋內(nèi)布置各類傳感器，通過WiFi無線模塊將數(shù)據(jù)傳入路由器后傳入云服務(wù)器。上位機(jī)采用微信小程序，對于不同的傳感器數(shù)值，控制端會自動采取相應(yīng)的措施來保證老年人生活的舒適度，通過收集各處的異常環(huán)境信息做出應(yīng)急處理。

2.2? ?智慧醫(yī)療救助

通過在老人臥室安裝自動健康感知器，收集老人作息睡眠動態(tài)數(shù)據(jù)，形成特定的規(guī)律。通過大數(shù)據(jù)人工智能分析，形成“需關(guān)心指數(shù)”，并將該指數(shù)通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)狡脚_，分發(fā)到子女和社區(qū)（機(jī)構(gòu)）處，從而形成主動關(guān)愛、精準(zhǔn)關(guān)懷等高效的服務(wù)。同時，對于獨(dú)居老人來說，在緊急情況下很難及時撥打電話，但他們可以通過按鈕將信號傳遞到子女的客戶端。根據(jù)老人的發(fā)病規(guī)律，在老人家里定點(diǎn)場所（如床邊、客廳、衛(wèi)生間）安裝緊急報警系統(tǒng)按鈕，實(shí)現(xiàn)緊急情況一鍵求助。

2.3? ?簡易語音助手

老人行動不便，為了給老人的安全多一份保障，也為了老人更好地適應(yīng)本系統(tǒng)，我們提供了智能語音助手，當(dāng)老人發(fā)生危險，無法觸摸到呼救按鈕時，智能語音助手“小啦”就起到了非常重要的作用。它可以感知到危險的發(fā)生，及時和其他模塊通信完成對老人的守護(hù)功能。

2.4? ?智能化輔助設(shè)計

老年人的記憶力下降，會偶爾忘記小物品的位置，例如眼鏡、拐杖等。在這些易忘的物品上貼上RFID電子標(biāo)簽，則能夠估計出物品的大概位置。RFID可以通過射頻信號得到目標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)，是物聯(lián)網(wǎng)中常用的短距離無線通信技術(shù)之一。RFID有著一整套完整的調(diào)制器、編碼器、存儲器、控制器和天線，根據(jù)應(yīng)用需求，可以選擇內(nèi)置電池配合使用。

3? ?系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（System implementation）

3.1? ?軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)使用了物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)，感知層完成了數(shù)據(jù)的采集處理;傳輸層將數(shù)據(jù)傳輸至應(yīng)用層;應(yīng)用層對家庭環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析后，將數(shù)據(jù)上傳至云數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了環(huán)境氣體監(jiān)測、短信發(fā)送、視頻監(jiān)控等功能，如圖1所示。

部分通信協(xié)議代碼如下：

void MQTT_NewBuffer（MQTT_PACKET_STRUCTURE *mqttPacket， uint32 size）

{

uint32 i = 0;

if（mqttPacket->_data == NULL）

{

mqttPacket->_memFlag = MEM_FLAG_ALLOC;

mqttPacket->_data = （uint8 *）MQTT_MallocBuffer（size）;

if（mqttPacket->_data ！= NULL）

{

mqttPacket->_len = 0;

mqttPacket->_size = size;

for（; i < mqttPacket->_size; i++）

mqttPacket->_data[i] = 0;

}

}

else

{

mqttPacket->_memFlag = MEM_FLAG_STATIC;

for（; i < mqttPacket->_size; i++）

mqttPacket->_data[i] = 0;

mqttPacket->_len = 0;

if（mqttPacket->_size < size）

mqttPacket->_data = NULL;

}

}

3.1.1? ?環(huán)境檢測軟件

通過傳感器獲取到的室內(nèi)信息由網(wǎng)絡(luò)傳入服務(wù)器平臺上，用戶通過操作平臺可以查看室內(nèi)信息。當(dāng)達(dá)到危險值時，蜂鳴器進(jìn)行報警，同時微處理器向GSM短信模塊發(fā)送命令，通知家人家中有危險。

3.1.2? ?檢測界面的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的檢測界面包括動態(tài)Web頁面和靜態(tài)表單頁面。主頁面為用戶提供了兩種功能，即環(huán)境檢測和視頻監(jiān)控。每個模塊間的通信都通過CGI來傳輸。

3.2? ?硬件實(shí)現(xiàn)

硬件系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機(jī)對智慧居家養(yǎng)老系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，還包括感知層的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)（PC機(jī)、終端顯示設(shè)備等）和對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲的服務(wù)器。使用ZigBee無線傳感技術(shù)作為通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)、路由器和協(xié)調(diào)器之間的信息傳輸。

3.2.1? ?傳感器電路模塊設(shè)計

傳感器電路模塊采用的數(shù)字溫濕度傳感器是DHT21，測量范圍是0%—99.9% RH，-40 ℃—+80 ℃。濕度的測量精度可達(dá)±3% RH，溫度的測量精度可達(dá)±0.5 ℃。其供電最高電壓為5 V，與MCU連接時直接使用3.3 V電源即可帶動。DHT21與外部MCU的連接如圖2所示。DHT21的數(shù)據(jù)格式由三部分組成，即16 bit的濕度數(shù)據(jù)、16 bit的溫度數(shù)據(jù)和8 bit的校驗(yàn)和。位數(shù)據(jù)“0”和“1”的格式有以下規(guī)則，即：“0”為50 μs的低電平和27 μs左右的高電平，而“1”則是50 μs的低電平和70 μs左右的高電平。所以，在處理數(shù)據(jù)的時候應(yīng)該作一個“0”和“1”的判斷。

對此模塊初始化的代碼如下：

u8 DHT21_Check（void）

{

u8 tt=0;

DHT21_IO_IN（）;

while （DHT21_DQ_IN&&tt<100）? ? ? ? {

tt++;

delay_us（1）;

};

if（tt>=100）return 1;

else tt=0;

while （！DHT21_DQ_IN&&tt<100）? ? {

tt++;

delay_us（1）;

};

if（tt>=100）return 1;

return 0;

}

3.2.2? ?可燃?xì)怏w傳感器電路模塊

可燃?xì)怏w傳感器電路模塊采用MQ-X型氣敏元件檢測可燃?xì)怏w。首先用輸出引腳與MCU的模數(shù)轉(zhuǎn)換相連接，采集出當(dāng)前氣體濃度值，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的監(jiān)測。

3.2.3? ?報警電路模塊設(shè)計

報警電路模塊采用蜂鳴器和三極管實(shí)現(xiàn)。一般來講，蜂鳴器有兩種，一種是自起振，另一種需要振蕩電路。本課題設(shè)計采用的蜂鳴器是自起振的，而三極管可以起到提高功率的作用。

void BEEP_Init（void）

{

GPIO_InitTypeDef? GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOA， ENABLE）; //使能PA端口時鐘

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; //BEEP-->PA.0 端口配置

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; ? ? ? ?//推挽輸出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //IO口速度為50 MHz

GPIO_Init（GPIOA， &GPIO_InitStructure）; //根據(jù)設(shè)定參數(shù)初始化GPIOA.0

GPIO_SetBits（GPIOA，GPIO_Pin_0）; //PA.0 初始化為高電平

}

3.2.4? ?語音播放模塊

語音播放模塊使用HBR640，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單。HBR640采用國產(chǎn)芯片配合揚(yáng)聲器與喇叭完成語音處理功能。本模塊采用SPI Flash作為數(shù)據(jù)存儲器，內(nèi)置詞條100 個。其優(yōu)點(diǎn)在于不需要單獨(dú)進(jìn)行語音識別的算法訓(xùn)練，語音識別率較高。本模塊只遵循串口協(xié)議，所以控制方便。

本模塊主要實(shí)現(xiàn)了初始化函數(shù)、接收和校驗(yàn)函數(shù)、設(shè)置麥克風(fēng)靈敏度的函數(shù)，最重要的是設(shè)置了需要識別的語音組。為了節(jié)約功耗，還設(shè)置了休眠模式。關(guān)于語音的播放還設(shè)置了播放語音的序號，并且音量可調(diào)。

3.2.5? ?WIFI串口通信模塊

WIFI串口通信模塊采用ESP8266模塊將ZigBee 獲取的數(shù)據(jù)上傳至云端。其工作電壓是3.3—3.6 V，內(nèi)置高速緩沖器，所以處理性能非常高。其具有激活、睡眠和深度睡眠三種模式，在睡眠模式下，消耗的電流小于12 μs，保證了它的超低功耗;內(nèi)部高度集成，具有電源管理等電路，所以外界電路簡單，體積小。

采用此模塊在實(shí)現(xiàn)時需要利用中斷防止串口反復(fù)被刷新，代碼實(shí)現(xiàn)如下：

void USART1_IRQHandler（void）

{

if（USART_GetITStatus（USART1， USART_IT_RXNE） ！= RESET）

{

if（esp8266_cnt >= sizeof（esp8266_buf）） esp8266_cnt = 0;

esp8266_buf[esp8266_cnt++] = USART1->DR;

USART_ClearFlag（USART1， USART_FLAG_RXNE）;

}

}

3.2.6? ?BH1750光照模塊

測量公式：

光照強(qiáng)度=（高字節(jié)+低字節(jié)）/1.2×測量精度

與單片機(jī)相連時需要IIC通訊，其工作流程分為三步：首先發(fā)送通電命令;其次發(fā)送測量命令，等待測量結(jié)束后讀取測量值;最后根據(jù)公式計算結(jié)果。

分析后經(jīng)過計算可得：

光照強(qiáng)度=（寄存器值[15∶0]×分辨率）/1.2

只測量光照強(qiáng)度不需要很多指令，只需要BH1750的通電指令和測量指令，所以代碼較為簡單：

uint8_t i2c_CheckDevice（uint8_t _Address）

{

uint8_t ucAck;

i2c_Start（）; /* 發(fā)送啟動信號 */

/* 發(fā)送設(shè)備地址+讀寫控制bit（0 = w， 1 = r） bit7 先傳 */

i2c_SendByte（_Address | BH1750_I2C_WR）;

ucAck = i2c_WaitAck（）;? ? ?/* 檢測設(shè)備的ACK應(yīng)答 */

i2c_Stop（）;? ? ? ? ? ? ?/* 發(fā)送停止信號 */

return ucAck;

}

uint8_t BH1750_Byte_Write（uint8_t data）

{

i2c_Start（）;

i2c_SendByte（BH1750_Addr|0）;

if（i2c_WaitAck（）==1）

return 1;

//發(fā)送控制命令

i2c_SendByte（data）;

if（i2c_WaitAck（）==1）

return 2;

i2c_Stop（）;

return 0;

}

4? ?結(jié)論（Conclusion）

本項目依據(jù)國務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見，為消除傳統(tǒng)養(yǎng)老的弊端，融合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及無線傳感器技術(shù)，與居家養(yǎng)老相結(jié)合，設(shè)計出一個全新的“智慧”居家養(yǎng)老系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全防護(hù)方面考慮得更為全面、細(xì)致，不僅減輕了社區(qū)工作人員的負(fù)擔(dān)，也緩解了社區(qū)工作人員數(shù)量少的現(xiàn)實(shí)問題。本項目不僅緩解了子女（尤其是獨(dú)生子女）的壓力，也讓養(yǎng)老變得更加智慧安全，使家人省心放心。

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作者簡介：

劉? 娜（2001-），女，本科生.研究領(lǐng)域：計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，嵌入式.

孫? 申（1999-），男，本科生.研究領(lǐng)域：計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，嵌入式.

劉國權(quán)（2000-），男，本科生.研究領(lǐng)域：計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，嵌入式.

溫丹麗（1965-），女，博士，教授.研究領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)控制，算法和故障診斷.本文通訊作者.

李? 暉（1972-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：軟件工程開發(fā)設(shè)計.

基金項目：沈陽師范大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”項目（X202110166135）.

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