基于S3C6410的老年人遠程看護系統的設計

趙詩辭，何 勇，畢贛斌

(貴州大學 計算機科學與技術學院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

中國人口老齡化問題日趨嚴重，因此研發一個看護獨居老人生活情況的智能系統具有一定的實際意義?，F有的智能監測系統較多地使用了攝像頭監控，導致被監測者的隱私外泄，許多家庭并不愿意使用。傳統的獨居老年人監測系統主要用于測量老年人的心率、血壓、血氧等生理參數。這些測量生理參數的傳感器需要貼身使用，給老年人的日常生活帶來不便，并且老年人的生理參數正常，生活環境卻并不舒適[1]。基于S3C6410技術的老年人遠程看護系統利用ZigBee技術，采用多種傳感器設備結合攝像頭對老年人的生活環境進行智能監測，改善傳統監測系統易泄露隱私、日常生活不便等不足，具有安全、可靠、節能的特點。

1 系統總體設計

基于S3C6410的老年人遠程看護系統由智能網關、手機客戶端、后臺處理軟件、ZigBee協調器、網絡攝像頭、傳感器等部分組成。無線傳感器用于采集家庭溫濕度、煙霧和有害氣體等數據，通過ZigBee終端節點將這些數據傳送至網關，網關轉發至后臺，后臺再對這些數據進行分析和處理來判斷家中是否有異常情況發生。網絡攝像頭在正常情況下不能打開，只有當發生異常情況時才能打開：當家中出現煤氣泄露、火災、人體紅外傳感器長時間監測不到老年人活動情況等異常狀況時，該系統自動向監護人手機發送報警信息，此時允許監護人使用手機應用打開攝像頭，能夠有效保護老年人的隱私。系統總體設計框圖見圖1。

圖1 老年人遠程看護系統總體設計框圖

2 系統硬件設計

2.1 智能網關模塊硬件設計

智能網關是整個系統的核心部件，它能夠實現ZigBee網絡與以太網、Wi-Fi之間的通信。該模塊主要由ZigBee模塊、Wi-Fi模塊、以太網模塊、電源模塊、復位模塊、報警器模塊、存儲器模塊等組成。其硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 智能網關硬件結構框圖

智能網關的核心處理器采用基于ARM1176JZFS內核的Samsung S3C6410芯片。該芯片包含USB OTG、USB HOST、PWM功能、內部時鐘功能，支持4通道UART，32通道DMA以及SPI、IIC串行通信[2]。

電源模塊包括電源接口和紐扣電池模塊。電源接口電路中先接一個220 μF/16 V的有極電容和一個100 nF的無極電容，再通過AMS1086CM穩壓電路，后接一個10 μF的有極電容和100 nF的無極電容，以實現將5 V電壓降為3.3 V電壓的過程。紐扣電池可以在斷電的情況下，給RTC實時時鐘供電，使其一直運行下去。智能網關與網絡攝像頭之間通過Wi-Fi進行通信，與ZigBee協調器之間通過UART串口進行通信。ZigBee協調器接收各ZigBee終端節點所發送的環境數據，通過UART接口上傳至網關。

2.2 ZigBee通信模塊

由于各傳感器節點均為ZigBee節點，它們通過ZigBee無線網絡將數據發送給網關，故該系統選擇使用ZigBee無線通信網絡對終端設備進行實時監控和管理。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網標準，其特點包括近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率[3]。系統采用的是星型拓撲結構。該網絡由一個協調器和多個終端設備組成，網絡拓撲結構簡單，比樹形網、網狀網更易于實現、方便擴展、容易維護，比較適用于家庭這種小范圍的室內場合[4-6]。

系統中ZigBee終端節點的通信處理模塊采用美國德州儀器公司生產的CC2530芯片[7]。該芯片符合ZigBee標準的2.4 GHz片上系統，內部使用8051內核作為處理器，結合了領先的RF收發器的優良性能，包含了系統內可編程閃存，8KB RAM等強大功能。

2.3 傳感器模塊設計

系統中用到的傳感器主要有溫濕度傳感器、人體紅外傳感器、煙霧傳感器等，這些傳感器均為ZigBee節點，兼顧終端節點和路由的身份，負責傳感器信號采集和處理、無線數據的發送和轉發。

溫濕度傳感器采用的是SHT10模塊[8]，采用IIC通信，接口簡單，而且該傳感器響應快、抗干擾能力強，便于查看家中環境是否適宜。人體紅外傳感器使用的是HC-SR501模塊，當有人進入其感應范圍則輸入高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平。該傳感器可放置在廚房、餐廳、客廳、臥室、衛生間等位置，當老年人經過時傳感器會檢測到老年人在家中的活動情況。煙霧傳感器采用的是MQ-2模塊，該傳感器對煙霧、液化氣、天然氣、城市煤氣有較好的靈敏度，可用于檢測家中是否燃氣泄漏或發生火災。

3 系統軟件設計

3.1 智能網關

智能網關主要負責采集傳感器數據，與手機、后臺進行交互，網關的配置管理等。智能網關上運行一個SOCKET服務，手機通過指定的IP和端口與智能網關建立連接。智能網關與手機通過SOCKET發送JSON格式的數據包進行交互。數據包分為查詢請求-請求結果、控制請求-控制結果和心跳包三類。手機客戶端發出一個請求之后會收到對應的請求結果。手機客戶端會定時給智能網關發送心跳包，智能網關用此心跳包來監測與手機的SOCKET連接情況，如果在給定的時間內智能網關未能收到手機端的心跳包，則關閉與手機的SOCKET連接，釋放資源。

以查詢當前室內溫濕度為例，JSON數據包查詢溫度傳感器的控制請求如下：

"Result":{

"Type": 2,//Type表示數據包類型，值為2表示該數據包類型為查詢結果

"Object": 4,//Object表示請求對象，值為4表示請求對象為傳感器

"Operation": 1,//

"Name": "ResultTemperature",

"Time": "2014-11-30T18:30:30",

"Content”:{

"NodeID": 1,//

"Category": 1,//Category表示設備類型，值為1表示家居安防類設備

"SensorType ": 4,//SensorType表示傳感器類型，值為4表示溫度傳感器

"Value": 37.5//得到的當前室內溫度的值

}

}

為了合理控制攝像頭，在網關程序設計中對攝像頭服務子程序設置一個標志位flag，在家庭環境正常情況下設置flag為0，當接收到后臺發送的異常情況信息后flag會被網關設置為1。當網關接收到手機的攝像頭控制請求后會先查詢標志位flag的狀態，若flag為0則拒絕監護人使用攝像頭的請求，若flag為1則同意該請求，以避免監護人隨時打開攝像頭。

3.2 ZigBee協調器和終端節點

ZigBee協調器是整個ZigBee網絡中最重要的控制節點，它的功能包括：創建并維護網絡、添加新成員、與智能網關通信、與終端設備通信、數據管理等[9-11]。協調器是終端設備與智能網關進行通信的橋梁：與終端設備通信時，協調器監聽無線數據接收緩沖區，將接收到的終端設備的數據通過串口透明傳輸的方式轉發給網關。與網關串口通信時，協調器監聽串口數據接收緩沖區，將用戶在客戶端下達的命令通過廣播無線方式轉發給終端設備[12]。協調器工作流程見圖3。

圖3 協調器工作流程

終端節點是監測家庭環境的重要組成部分，主要功能是通過傳感器采集環境數據，并將數據打包發送給協調器，執行協調器的命令。為了節省傳感器能量，終端節點會周期性地采集室內環境情況。當節點成功加入網絡后，就進入休眠狀態，當到達定時中斷后傳感器才開始采集數據，將數據通過ZigBee協議打包后發送給協調器，然后進入休眠狀態等待下個采集周期[13-14]。以煙霧傳感器為例，其睡眠周期為60 s，每60 s主動喚醒一次，每次醒來工作100 ms。在初次上電時有2 s的時間用來加入網絡，然后進入睡眠狀態。若設備未加入到網絡，每次睡眠喚醒之后會再次嘗試加入，持續時間為2 s，以此循環直到加入網絡為止。

3.3 網關通信協議設計

該系統是一個復雜的網絡系統，涉及的設備種類很多，為了防止不同設備之間的通信標準不同而導致傳輸信息內容結構混亂，制定了網關系統的通信協議，以實現ZigBee網絡和網關以及網關服務器和外部以太網的傳遞。對通用playload(有效數據)格式的定義如表1所示。其中Frame Head的取值為0xFE；Target ShortAddress表示ZigBee網絡節點的短地址，作用類似于Internet的IP地址，自組網時由協調器動態分配2字節的地址編號；Cluster ID用來區分不同的命令；Reserved為保留字段，可使用0x00填充；ADF為發送的應用層數據幀內容，其格式在后續定義(還有Cluster ID字段的ID部分定義)，ADF數據實際上就是協調器轉發到ZigBee網絡中的無線空中數據包。該通信協議中數據類型為大端模式。

表1 通用幀格式定義

3.4 后臺處理軟件

后臺處理軟件主要是對從網關接收到的數據進行的分析和處理，判斷家中是否有異常情況發生。對于收到的溫濕度、煙霧等環境數據，后臺處理軟件先對接收到的數據進行解析，當解析后的數據超過預先設置的閾值時，分析當前環境是否產生了異常。若當前環境產生了異常則將異常信息發送至網關，網關報警并將信息轉發到監護人手機應用上。后臺軟件分析人體紅外感應得到的老年人活動情況數據，根據老年人每個時間段出入的不同位置，可以判斷其每天按時吃飯、午休情況等。若系統白天連續5小時以上監測不到老年人在家中的活動量并且大門口的人體紅外傳感器沒有監測到老年人外出時，系統就會發出報警信息到老年人監護人的手機上，避免老年人在家中突然病倒、突發意外卻無人知曉的情況發生。

3.5 手機端APP

使用手機APP是為了方便監護人遠程看護老年人在室內的情況，其主要功能是與服務器建立連接，方便監護人遠程查看控制家中的情況。當家中發生異常情況時網關發送報警信息給監護人，此時監護人可以打開攝像頭查看家中情況。攝像頭的可視化能夠讓用戶更加清楚家里的情況，而其只有在異常情況下打開攝像頭的功能可以在一定程度上保護用戶的隱私[15]。

4 系統測試

為了保證系統的穩定運行，應用Smart RF Studio軟件對該遠程看護系統的3個ZigBee終端節點的信號強度和丟包率進行了測試[16]。在測試過程中，同時設置發送節點與接收節點的信道為0x0B，同時設置發送節點與接收節點的頻率為2 430 Hz，在室內無障礙相距1 m、5 m和有障礙(穿墻)相距12 m的環境下，測試出信號強度與丟包率的結果如圖4和圖5所示。

圖4 ZigBee終端節點信號強度測試

圖5 ZigBee終端節點丟包率測試

可以看出，在室內無障礙1 m環境下平均信號強度為-69 dB，丟包率為0%，在室內無障礙5 m環境下平均信號強度為-76 dB，丟包率為0%，在室內有障礙12 m環境下平均信號強度為-97 dB，丟包率為30%。由此可見，ZigBee信號的傳輸在距離較近無障礙的情況下信號強度較強且傳輸可靠，但在遠距離穿墻的情況下信號強度較弱，丟包率較大。因此，該系統的通信質量在小范圍的室內環境下是相對可靠的。由于系統的硬件模塊為自主研發，在電路設計、工藝選擇上仍有一定的提高空間，因此該系統的通信質量也有一定的提高空間。

5 結束語

提出了基于S3C6410的老年人遠程看護系統的設計方案，避免了復雜的接線，可根據用戶具體的需求對各終端節點進行增減和布局，使得系統的部署非常簡單靈活。同時該系統通過對網絡攝像頭的合理控制，改善了傳統監測系統易泄露隱私的不足。該系統既對老年人的生活狀況進行了安全看護，又有效保護了老年人的隱私，為老年人提供了一個安全舒適的居住環境，且操作方便，實時性高，安全可靠。

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