互聯網+老人居家監控系統的設計與實現

趙　彥，許常青，邵逸煒

(江蘇信息職業技術學院　物聯網工程學院，江蘇　無錫　214000)

互聯網+老人居家監控系統的設計與實現

趙彥，許常青，邵逸煒

(江蘇信息職業技術學院物聯網工程學院，江蘇無錫214000)

摘要:針對傳統老人居家服務系統終端復雜、布線多的問題，提出基于“互聯網+”模式的具有遠距離監控、燈光控制、防火、防盜、防漏、報警功能的老人居家監控系統。該系統以嵌入式處理器ARM Cortex-A8作為智能終端，采用ZigBee、RF-433、藍牙、無線網絡相結合的通信技術，滿足老人居家遠程監控和家電控制的個性化需求。使用ZigBee建立家庭內部無線網絡，WiFi通信實現外部對該系統的連接和控制，達到不破壞原有裝修結構的目的。實驗結果表明，該系統能有效提高老人居家監控的便利性和智能家居設備擴展方面的兼容性。

關鍵詞:互聯網+；Android平臺；遠程監控；智能視頻監控；嵌入式；老人居家

1老人居家監控系統

隨著社會和經濟的不斷發展，人民生活水平的提高，平均壽命延長，社會老齡化和家庭結構的演變，空巢老人問題日益凸顯。智能化老人居家監控系統利用“互聯網+”模式、移動互聯技術、物聯網技術，依托現有產品和資源，構建智能化老人居家監控系統，探索智能化老人居家監控系統的個性化設計，結合工業設計和人機交互設計，尋求實現滿足人口老齡化背景下居家監控，對老人身心健康提供有力保障，對于促進和構建和諧的老齡社會具有重要意義。

目前現有的系統通常采用移動終端藍牙模塊結合軟件實施監控，控制方式單一、成本偏高，工薪階層難以接受。然而，傳統的老人居家監控系統采用大量實線連接，不但成本高，而且安裝過程需要破壞原有房屋裝修結構，對于具有環境依賴感的老人們而言難以接受房屋改造，且不具備良好的可擴展性。本文采用“互聯網+”模式，將ZigBee、短信息、藍牙、WiFi網絡等通信技術運用得淋漓盡致，在不破壞原有裝修的基礎上，構建可靠性高、便利性強的智能化老人居家監控系統，并以模塊化的形式呈現，增強系統可擴展性的同時降低成本。整套系統能提升家居環境的舒適性、安全性、便利性、藝術性，并達到節能環保的效果。

2總體方案設計

基于“互聯網+”技術的智能化老人居家監控系統，依賴于高速無線傳感網技術，使用無線和有線混合接入技術，采用性能高、能耗低的嵌入式處理器作為控制中心，完成遠程居家信息、音視頻信息的實時采集、處理，為老人智能家居環境提供強大“互聯網+”技術支持。該系統設計方案以其獨到的自由組合模式呈獻給用戶，憑借物美價廉的優勢，具有廣闊的市場前景[1]。

該系統由中間協調器和終端節點構成，共分為感知層、網絡層、應用層三大部分。其中物聯網感知層的功能由終端節點實現，用于采集家居環境的數據信息[2]，主要包括能耗、光亮、水浸、門磁、煙霧等信息的采集；網絡層的功能由協調器實現，通過擴展串口、以太網口連接通信模塊聯網，終端節點與協調器連接ZigBee無線網絡，實現數據通信；應用層向用戶提供各種展示平臺，包括PC端、手機端、PAD端及互聯網客戶端，完成信息收集、分析和監控功能。整套智能化老人居家監控系統方案如圖1所示。

圖1　互聯網+老人居家監控系統方案圖

3系統主要實現功能

整套智能化老人居家監控系統以移動手持PAD作為主控設備，實現如下功能。

1)實時監控：網絡攝像頭通過WiFi傳輸實時音視頻影像。家人可通過手機實時查看居家老人的實時影像。遇到問題或有報警產生時，社區服務人員可以通過PAD查看老人居家的實時影像，并與老人進行對話。

2)安防功能：充分保障老人居住環境的安全，一旦家庭受到非法入侵，火災、偷盜、水災、報警等主要問題，對應位置的傳感器檢測到的事件發生，ZigBee模塊和RF-433模塊利用室內的無線網絡，將信號發送給智能終端。經過智能終端處理，最后將警報信息通過無線信號，以數據流的方式發送到PAD或手機上，PAD截獲并識別信息，然后進行處理，實現居家安防功能。

3)燈光控制：當需要遠程控制燈光時，只要用手機發送指定命令給智能終端，智能終端接收指令，進行處理，發送給繼電器模塊，實現燈光控制。當ZigBiee模塊接收到光敏傳感器發送的信號時，ZigBiee模塊將信息發送到智能終端，智能終端發送數據給PAD，PAD截獲信息后，返回指令給智能終端，智能終端識別指令，通知繼電器，實現對燈光的自動控制。手機和PAD將同步顯示燈光的狀態和結果。

4)火災報警：安裝在室內的煙霧傳感器實時監控老人房間煙霧信息。煙霧傳感器監測到煙霧信息時，立即將信號通過無線ZigBee模塊傳輸到智能終端，智能終端將火災信息發送到PAD和手機。PAD截獲信息后，返回指令給智能終端，智能終端識別指令，通知繼電器，開啟風扇，并通知聲光報警器報警。

4系統硬件設計

4.1硬件整體功能介紹

該系統以SamSungS5PV210ARMCortex-A8處理器構建主節點，作為智能終端；通過藍牙、Internet網絡、無線信號與用戶的PAD、手機通信；將采集到的信息發送給PAD，PAD收到信息返回相應的控制控制命令。2.4GHz的ZigBee[3]、MODBUS-RTU繼電器作為從節點與老人家中的各控制器和傳感器進行通信。老人居家環境中的各終端設備，用于接收智能終端轉發的控制信息，實現對終端設備開關狀態的控制，如風扇、燈光、報警器等；同時，終端設備還會將傳感器采集到的信息反饋給智能終端。

4.2主節點硬件設計

智能家居網絡控制器主節點硬件主要由ARMCortex-A8處理器、CC2530ZigBee無線收發模塊、GSM模塊、WCDMA模塊、有線通信模塊、人機交互等組成，主節點硬件結構圖及實物如圖2所示。

圖2　主節點硬件結構圖及實物

CC2530是符合IEEE802．15．4[4]標準的無線收發模塊，實現數據的無線收發和傳送；ARMCortex-A8作為主節點的控制模塊；接口包括常用的RS-232、USB、RJ-45、RS-485等，該接口完成數據采集、獲取以及對設備的控制，以及和PC機的通信，實現系統調試和監測；藍牙模塊、GSM[5]、WCDMA、RF-433、WiFi，用于對遠程家居設備的監控；本系統通過觸摸屏和按鍵的方式實現人機交互功能，電源實現系統供電。

4.3從節點硬件設計

“互聯網+”老人居家監控系統的從節點硬件主要由ZigBee無線收發模塊[6]、紅外控制模塊、繼電器控制模塊、CC2530、人機交互等組成，設計結構圖如圖3所示。CC2530ZigBee[7]實現數據的無線傳送和收發；繼電器通過控制開、關控制強電電路開關，從而獲取設備狀態，并執行相關操作；紅外遙控器通過紅外波實現對空調、電視機、電冰箱等家用電器的紅外智能控制；電源為系統供電。數據采集部分采集房間的光照、電功率、煙霧濃度、水位、門磁開關、固定報警等數據，數據控制部分包括燈光、電扇、聲光報警、智能電表等。所有數據信息的轉換均需要與智能終端(主節點)交互。

圖3　從節點硬件結構框圖及實物圖

5系統軟件設計

5.1軟件設計整體介紹

整套系統的軟件設計選用Windows7操作系統，配置JDK1.7，Android4.4W開發平臺，采用Eclipse開發環境，adt-bundle-windows-x86-20140702開發包，完成PAD端和手機端開發。

5.2PAD、手機與網絡攝像頭的通信

PAD端與手機端均通過WiFi、Internet網絡與網絡攝像頭通信。系統需要加載當前網絡攝像頭的JAR包(ipcamera.jar)。登錄畫面要求填寫攝像頭的配置信息，包括網絡攝像頭的IP、端口、連接名稱、音頻緩沖時間。

連接網絡攝像頭的方法如下：

try{

camera=newIpCamera(""，com.pcstar.people.utils.

Configuration.IPCAMERA_NAME，

com.pcstar.people.utils.Configuration.ip，

com.pcstar.people.utils.Configuration.port，

com.pcstar.people.utils.Configuration.name，

com.pcstar.people.utils.Configuration.password，

com.pcstar.people.utils.Configuration.IPCAMERA_TIME)；

}catch(Exceptione) {

// 異常處理

}

網絡攝像頭的其他操作可通過表1所示的方法實現。

表1網絡攝像頭的操作方法

方法名稱方法說明camera.play_audio();打開音頻camera.stop_audio();停止音頻camera.start_talk();打開對講camera.stop_talk();關閉對講camera.start_record();開始錄音camera.stop_record();停止錄音camera.start();打開攝像機camera.stop();關閉攝像機camera.ptz_control(Para);控制攝像機轉動(上、下左右停止)Para取值為:PTZ_COMMAND.T_UP、PTZ_COMMAND.T_DOWN、PTZ_COMMAND.P_LEFT、PTZ_COMMAND.P_RIGHT、PTZ_COMMAND.PT_STOP

老人居家監控系統的視頻信息是監控的重要信息。視音頻圖像采用M-JPEG[7]壓縮格式[8]，支持VGA/QVGA/QQVGA三種視頻分辨率，碼率128kbit/s～5Mbit/s，最大幀30f/s(幀/秒)，支持360°旋轉，內置CMOS傳感器，自帶紅外燈，實現全天候監控，自帶語音采集功能，實現雙向對講。系統運行時監控畫面獲取圖像如圖4所示。

圖4　老人居家監控系統PAD端運行效果圖(截圖)

5.3PAD、手機、智能終端之間的通信

近距離傳輸時，PAD與智能終端通過藍牙通信；遠距離傳輸時，通過Internet通信。具體處理步驟如下(以藍牙通信為例)：

1)判斷藍牙是否開啟，如果藍牙開啟執行步驟2)，藍牙未開啟，執行退出操作。

2)Handler接收并處理BluetoothChatService傳來的消息。

3)handleMessage(Messagemsg)處理來自智能終端的消息。

4)根據獲取的消息種類的不同進行處理，分為以下5種操作：

(1)PAD通過藍牙向智能終端發送指令完成相關處理，操作案例如下：

MainActivity.sendMessage(Configuration.RS485+Utils.getCRC("01" +Configuration.openPort3))；

(2)PAD通過Socket與手機端進行通信，通知手機完成相應處理。手機與PAD的通信也通過Socket實現。操作案例如下：

UDPClientSocket.send("F"，Configuration.PHONE_HOST，Configuration.PHONE_PORT)；

(3)PAD通過Socket與PC機進行通信，通知PC完成相應處理，操作案例如下：

UDPClientSocket.send("燈開了"，Configuration.PC_HOST，Configuration.PC_PORT)；

(4)PAD向自身數據庫寫數據，記錄當前處理的信息內容，以備查看：

writeNewsToSql("光敏報警")；

(5)PAD自身彈出警告框，提醒用戶當前發生的事件：

Configuration.isLight=true；HomeVideoActivity.ledButton.setText("關燈")；

5)實時監聽，收到來自智能終端的數據后，轉到步驟3)處理。

6系統測試

對該系統視頻監控子系統的測試內容主要是通過PAD發送控制命令對WiFi網絡攝像頭進行控制測試，以獲取攝像頭在不同角度、不同距離對同一位置的視頻監控畫面。經過測試，視頻監控子系統能夠達到預先期望的效果(如圖5所示)，完全可以投人使用。

圖5　監控數據和執行操作信息的查詢畫面(截圖)

將該系統應用在老人居家環境下，終端節點負責采集光照、煙霧、紅外入侵、水浸等感知信息及電燈等家電設備的控制，并固定安裝在監控位置。用戶可通過手機、PAD多種方式監控家庭環境。所有監控數據和執行操作均被寫入數據庫，執行效率高，圖5展示的是監控數據和執行操作信息的查詢畫面。通過5 000多次反復監控，指令接收、處理成功執行率可以達到99.7%，指令相應速度靈敏，無卡頓現象，用戶體驗度高。

7系統創新點

與傳統的智能化老人居家系統相比，整套系統基于“互聯網+”模式，具備以下創新點：

1)控制方式多樣化：目前國內外現有的老人居家系統通常采用手機藍牙通信，控制方式簡單、通信范圍不廣、線路復雜、費用高，不易被接受。該系統將GSM、藍牙通信、WiFi、Internet四種控制集于一體，實現PAD、手機、PC、智能終端間的通信。將傳統的PC作為主控設備，改為移動手持設備PAD作為主控設備，給用戶提供更為合適、方便的控制方式。

2)不破壞老人房屋的原有裝修結構：傳統的老人居家監控系統采用大量實線連接，不但成本高，而且安裝過程需要破壞原有房屋裝修結構，對于具有環境依賴感的老人們而言難以接受房屋改造，且不具備良好的可擴展性。采用“互聯網+”模式后，將Zigbee、短信、藍牙、無線網絡相結合的通信技術運用得淋漓盡致，在不破壞原有裝修的基礎上，構建高可靠性、便利性的智能化老人居家監控系統。

3)可擴展性強：傳統的老人居家監控系統處于集成化操作，難以實現重組和拼接。經過改進后，整套系統以拆卸組裝的形式運作，以模塊的形式拼接完成，增強系統的擴展性并降低成本。實現家居環境安全、舒適、便利，提升居家環境的藝術性，創造環保、節能的居住條件。最終實現一套設備應對多樣化用戶需求的目的。

4)視頻監控效果好：視頻監控通過對WiFi網絡攝像頭操控實現，可以實時獲取無線網絡攝像頭在不同距離、不同角度、不同方位對同一位置的音、視頻監控數據。畫面清晰，操作流暢，監控效果極佳。

8結論

本文給出一種基于“互聯網+”模式的智能化老人居家監控系統的優質解決方案。系統由智能終端、終端節點、協調器組成，應用了Android、嵌入式芯片技術，完成了軟硬件開發，實現居家音視頻等信息的智能化采集和監控，通過“互聯網+”技術，實現PC端、PAD端以及手機端的通信。測試結果表明，整套系統能夠滿足老人居家實際監控的應用需求，同時該系統具有可靠性高、通用性好、抗干擾能力強、價格便宜的特點，具有較高的推廣價值。

參考文獻：

[1]黃凱奇，陳曉棠，康運鋒，等．智能視頻監控技術[J]．計算機學報，2014(9)：1-28.

[2]趙立輝，王京，霍春寶．基于物聯網的智能家居監控系統設計[J]．電視技術，2013，37(22)：82-85.

[3]葉高楊，畢冉．基于物聯網的智能家居系統設計與實現[J]．計算機應用，2014(6)：318-320.

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[6]莫偉健，任志健，萬智萍．基于物聯網的智慧校園無線視頻監控系統[J]．實驗室研究與探索，2013(4)：98-102.

[7]高永清，商丹．基于ZigBee智慧實驗室系統的設計[J]．電視技術，2015，39(8)：17-21.

[8]張紅．智慧家庭標準體系建設[J]．電視技術，2015，39(4)：86-88.

責任編輯：時雯

Designandimplementationofintelligentelderlyhomemonitoringsystemininternetplus

ZHAOYan，XUChangqing，SHAOYiwei

(Internet of Things Engineering College，Jiangsu Information Vocational Technology College，Jiangsu Wuxi 214000，China)

Abstract:For elderly homecare system terminal complex，multiple routing problem is presented，which is based on Internet plus mode with remote control，lighting control，fire，theft，leakage and alarm function of the elderly home monitoring system. The system uses the embedded processor Cortex-A8 ARM as the intelligent terminal， and uses ZigBee，RF-433，bluetooth，wireless network communication technology to meet the needs of the elderly home remote monitoring and control of home appliances. The ZigBee establishes the home wireless network， the WiFi network communication to achieve the external connection and control of the system， to achieve the purpose of the original decoration structure. The experimental results show that the system can effectively improve the compatibility of the old people's home monitoring and the expansion of smart home devices.

Key words:internet plus； Android platform； remote control； intelligent video surveillance； embedded； old man home

中圖分類號:TN949.6

文獻標志碼:B

DOI：10.16280/j.videoe.2016.04.009

基金項目：江蘇高校品牌專業建設工程一期項目“物聯網應用技術”(PPZY2015C239；蘇教高[2015]11號)；國家自然科學基金項目(60974016)；江蘇省自然科學基金項目(BK20131097)；江蘇省產學研聯合創新資金前瞻性聯合研究項目(BY2013017)；2015年江蘇省大學生實踐創新訓練計劃立項(201513108002Y)；江蘇省教育科學“十二五”規劃基金項目“高職軟件技術專業Java課程群網絡教學平臺的開發及應用研究”(B-a/2013/03/007)

收稿日期：2015-09-25

文獻引用格式：趙彥，許常青，邵逸煒.互聯網+老人居家監控系統的設計與實現[J].電視技術，2016，40(4)：43-47.

ZHAOY，XUCQ，SHAOYW，etal.Designandimplementationofintelligentelderlyhomemonitoringsystemininternetplus[J].Videoengineering，2016，40(3)：43-47.