基于物聯網技術的智能居家養老系統

歐亞軍

摘要：隨著我國老齡化社會的到來，如何讓老人更好的安享晚年，已成為社會急需解決的問題。本系統將物聯網等現代信息技術應用到傳統的居家養老中，實現了對住宅內部老人身體生理參數的監測、住宅環境的監測，可以為老年人帶去智能的安全健康的生活環境，幫助子女解決遇到的養老問題，探索了一種新的居家養老方式。

關鍵詞：物聯網;ZigBee技術;GPRS技術;協調器;傳感器

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）32-0256-02

1概述

近年來，隨著我國經濟的高速發展，人口老齡化問題已日漸凸顯;據全國老齡辦統計，截至2019年初我國60周歲及以上的老年人口約2.5億，占總人口的17.9%。預計到2050年我國的老年人口達到4.8億人，將達到34.1%的人口比重。老年人養老問題已成為我國社會生活中存在的一個不容忽視的問題，給我國經濟和社會發展帶來嚴峻的挑戰。目前，我國養老方式主要為居家養老、機構養老及社區養老，其中居家養老占96%，機構養老占3%，社區養老占1%。居家養老由于可以和周圍環境融為一體，延續以往的社會網絡，使老人的心理更健康，所以老年人更傾向于居家養老，這也是符合我國國情的主要養老方式選擇。但是在傳統居家養中，老年人生病往往不能及時知曉，老人外出發生意外時不能及時回應，這些都是子女離家在外的顧慮，也是居家養老的短板。智能居家養老將現有的物聯網智能家居技術應用到傳統居家養老中，讓老人的日常生活能通過網絡讓子女遠程了解和查看，讓老人在足不出戶的情況下通過現代化科技手段完善居家養老質量，最大限度地提高老年人的生活質量，提升老年人的幸福指數，從而促進家庭和睦，低成本應對人口老齡化，推動整個和諧社會的快速進程，具有重要意義和積極作用。

2系統中的關鍵技術

2.1ZigBee技術

ZigBee是一種新興的低成本、低功耗、安全性好的無線網絡技術，它介于Wifi和藍牙技術之間，主要用于近距離無線通信;ZigBee基于802.15.4標準，它可以將數千個傳感器組建成一個網絡，這些傳感器功耗很低，它們以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。如表1所示為ZigBee主要技術參數。

2.2GPRS技術

GPRS是一種基于GSM的無線分組交換技術，它在GSM系統上成功解決了移動通信技術與IP技術的結合;GPRS允許用開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

戶在端到端分組模式下發送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源，提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務，特別適合于間斷的，突發的和少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。

3智能居家養老系統的架構

系統運用ZigBee技術、GPRS技術、嵌入式技術等物聯網技術與居家養老的應用領域進行結合，針對居家老人的日常生活照料的需要，完成實時監測居家老人的主要生理指標及家居環境的管理和控制，讓老人在足不出戶的情況下通過現代化科技手段完善居家養老質量，提升老年人的幸福指數。如圖1所示為本系統設計的總體架構框圖，系統底層感知由生物醫學傳感器節點、環境檢測傳感器節點及控制節點構成ZigBee無線傳感網絡，生物醫學傳感器節點對老人的主要生理參數，如血糖、血壓、心跳、體溫等信息進行采集，環境檢測傳感器節點采集室內環境數據，如室內溫度、濕度、煤煙、火情、安防等信息;協調器節點負責建立并維護傳感網絡，收集終端節點采集的信息，實現各終端節點與網關的通信。網關節點包括數據處理模塊、通信模塊等，實現外部通信網絡與家庭內部傳感網絡協議之間的轉換，最終實現通信網絡、傳感器網絡和互聯網的異構網絡融合.子女可以通過智能終端（Pc、智能手機、平板電腦等），對老人在家中的生活進行實時監控，使子女能夠隨時隨地了解老人的生活情況。

4系統硬件設計

4.1無線傳感網節點結構設計

無線傳感網節點包含了協調器節點和多個傳感器終端節點。本系統為方便數據的搜集及系統的維護，節點在硬件結構設計時采用了模塊化的設計方式，將節點硬件按電路功能的不同設計成多個具有相同接口類型的模塊，這樣的好處在于針對不同的應用場景只需要選取不同的擴展模塊，在硬件設計時協調器節點和傳感器節點硬件電路相同，只是軟件設計有所不同。如圖2為傳感器終端節點硬件結構圖。

節點硬件結構分為微處理器模塊f包括CPU、無線通信射頻模塊等）、傳感器模塊、電源模塊三個部分;微處理器模塊在設計時采用了德州儀器（TI）公司生產的CC2530，此芯片性集成了高性能8051內核、ADC、USART等，片內集成的無線收發器射頻部分工作在2.4GHz頻段，支持ZigBee協議棧，適合星型網絡或網狀網應用，微處理器模塊設有通用的接口電路，以方便與其他模塊進行連接;傳感器模塊主要完成家居內狀態信息的采集，不同類型的傳感器設計有不同的處理電路，不同的傳感器模塊與微處理模塊組合則構成不同的傳感器終端節點，協調器節點不需要連接傳感器模塊;電源模塊為其他模塊提供能量，協調器節點因需要長時期工作，一般采用市電供電，終端節點長期處于休眠，可以采用電池供電。

4.2中央控制器硬件結構設計

系統的中央控制器模塊采用STM32F103為MCU，主要包含GPRS通信、串口攝像頭、液晶顯示模塊、等電路，如圖3所示為中央控制器模塊的整體電路結構。

其中微控制器STM32F103是sT公司的一款基于ARM Cor-tex-M3內核的處理器芯片，內置了快速的中斷控制器，可以提供優越的實時性能，它管理和協調著模塊的所有功能;GPRS模塊選用了Siemens公司推出的MC55i模塊，它除了具有GSM模塊原有的功能外，還支持分組業務功能，內嵌了TCP/IP協議棧，具有很高的可靠性和易用性，很適合在無線終端中作為通訊模塊。現場圖像的采集和壓縮選用了ZSV-01P串口攝像頭，它是一款內含有拍攝控制、視頻捕捉、圖像數據采集、圖像JPEG壓縮、串口通訊等功能的齊全的工業用圖像采集設備，通過比較簡單的串行口指令就可以控制圖像的捕捉和獲取，并將采集到的圖像通過串口輸出，最大串口通訊速率可達115.2kbs。

5系統軟件設計

5.1ZigBee無線傳感網節點軟件設計

本系統無線傳感網采用星形網絡拓撲方式實現通信，網絡需配置一個網絡協調器節點和多個傳感器節點。協調器節點是無線傳感網絡的第一個節點設備，它的主要任務是建立網絡、維護網絡的正常行為，并負責在傳感器節點與報警模塊之間進行數據傳遞;傳感器節點主要是完成數據采集，數據處理與發送等功能。在軟件設計時主要通過移植TI公司免費提供的ZigBee協議棧Z-Staek-CC2530-2.5.0，利用協議棧對網絡的組建、節點加入、數據收發等功能進行統一調度，實現ZigBee無線網絡自愈功能的自組網。如4圖所示為無線傳感網節點基于Z-Stack協議棧的程序流程圖。

5.2中央控制器模塊軟件設計

中央控制器模塊是整個系統的控制核心，該模塊運行著系統的主控程序，完成對所有外部設備的初始化、通信以及控制功能;控制著系統對視頻圖像采集、處理等過程。如圖5所示為中央控制器模塊工作程序流程圖。

6結束語

現今的家庭越來越呈現出一種小型化的趨勢結構，家庭的養老功能弱化，而一般的養老服務機構受耗資多、投資周期長、推廣范圍狹窄等因素制約，不可能滿足多數老年人在服務需求，將物聯網智能家居技術應用到社會養老領域，為更多的老人、家庭帶去關愛，將有力減少政府和社會的負擔，對于提高居家養老服務質量、建立和諧社區和諧社會都有著積極的意義。