基于傳感技術的室內監護系統設計*

徐 艇, 張衛強, 胡建平, 羅健宇, 楊 劍

(寧波大學 信息科學與工程學院,浙江 寧波 315211)

0 引 言

隨著傳感技術和通信技術的飛躍式的發展,當養老服務遇上傳感和通信技術,新的養老看護系統便由此而生,養老院提供一種更加人性化、智能化、便捷化的監護模式,有利于提升服務[H1]。目前應用比較廣泛的視頻圖像監測作為看護系統,似乎是對老人的完全監視,但老人的個人隱私無法保障。而可穿戴式室內定位設備[2],容易產生干擾,且給老人帶來不便。

針對以上問題,本文設計了一種養老院室內老人看護系統,該系統結合定位算法可以將在室內坐輪椅的老人進行定位并顯示,掌握老人是否在室內以及不同時刻的生活狀態,很好地保護了老人的隱私,同時可采取相應控制措施,保證老人室內環境的舒適度,系統有著很好的人性化。

1 系統總體設計

系統架構如圖1所示,系統由STM32主控板、ZigBee網絡定位模塊、WiFi傳輸模塊、傳感器組、繼電器和上位機組成。其中，4個ZigBee終端和1個ZigBee協調器組成無線傳感器網絡,用戶可通過上位機查看老人在室內位置和各傳感器采集的環境值,也可以通過上位機下傳指令到ZigBee終端控制繼電器,以此實現看護。

圖1 系統架構

2 系統硬件設計

2.1 核心主控器

本文設計選用基于意法半導體Cortex-M3內核的32位STM32F103ZET6微控制器作為核心主控器,該芯片內置高速大容量存儲器及豐富的片內外設模塊,性能十分優越。

2.2 定位模塊

利用ZigBee技術組建WSNs,本系統選用CC2530模塊作為終端設備和協調器,針對CC2530模塊的RSSI-距離損耗模型在距離過大時誤差變大的情況,選用4個CC2530模塊作為定位的信標節點,以此來減小誤差。協調器作為移動待定位節點,建立維護ZigBee網絡,接收信標節點的數據包(MAC和RSSI)并傳送至STM32。ZigBee終端設備作為信標節點加入網絡并周期性向外發送數據包。

2.3 環境檢測傳感器

當老人在室內抽煙時,室內煙霧濃度上升,采用氣體傳感器MQ-9對室內CO濃度進行有效測量。空氣中CO氣體會使其電導率發生改變從而使通過測量電路的電信號發生改變,經單片機接收轉換為可讀取的數據。CO2傳感器模塊選用MG811模塊[3],其工作時受溫濕度的影響小,性能穩定,憑借其良好的靈敏度可以較好檢測出CO2濃度反映室內通風情況。酒后呼出的酒精可以用MQ-3乙醇氣體傳感器來檢測,其工作原理與MQ-9類似。采用BH1750光強度傳感器模塊可檢測室內光照強度,該傳感器能有效檢測較大量程范圍內的光照變化。

2.4 WiFi模塊

由于定位數據與環境數據通過串口的方式發送給上位機會帶來拖線移動的麻煩[4],故本設計選用應用較為廣泛的ESP8266 WiFi模塊作為發送設備,將處理后數據從STM32按TCP/IP協議發到上位機。ESP8266內置TCP/IP協議棧。本文ESP8266的Rx和Tx分別接STM32的UART2_Tx和UART2_Rx。

3 系統軟件設計

協調器作為移動待定位節點,終端節點作為固定在室內環境中的信標節點,協調器周期性輪讀4個ZigBee終端發送的MAC和RSSI值,通過串口傳遞到STM32單片機,結合算法處理實現協調器在室內的高精度定位,同時STM32單片機接收來自CO2傳感器、乙醇傳感器、CO傳感器、光強度傳感器采集的數據,與定位數據一起打包,通過WiFi模塊與路由器傳至辦公室上位機。軟件設計是整個系統運行的核心,主要由以下三部分組成。

3.1 ZigBee定位軟件設計

3.1.1 協調器軟件設計

在IAR開發環境進行程序編寫與下載調試。初始化芯片,當協調器建立好網絡,且終端設備成功加入ZigBee網絡后,黃色LED燈提示亮。當終端設備加入網絡后則調用發送函數向終端節點發送對應數據,若隨后收到終端節點發送的數據,則讀取4個終端設備各自的MAC地址和RSSI值并往串口發送。此外,若收到來自STM32控制命令的任務請求時,協調器處理任務向相應終端節點發送命令。協調器工作流程如圖2(a)所示。

3.1.2 終端節點軟件設計

協調器成功創建網絡后,終端節點發送申請,請求加入該網絡,成功加入網絡并收到協調器發送的響應后,便通過網絡周期性地向協調器發送自身且全球唯一的64位MAC地址與RSSI值。此外,當收到協調器發送的下發控制命令后,終端節點控制繼電器,實現窗戶、窗簾、燈光和換氣扇的調節。終端節點工作流程如圖2(b)所示。

3.1.3 定位算法設計

如圖3所示,在定位過程中,將6 m×3 m的臥室分為3 m×3 m的兩個子區域,原點已標明,4個信標節點分別位于矩形每條邊的中點,根據待定位節點即協調器接收到的RSSI值來判斷待定位節點位于哪個區域。判斷方法如下：

圖3 定位區域

1)當RSSI1+RSSI2+RSSI3>RSSI4+RSSI2+RSSI3,則待定位節點位于Ⅰ區域；

2)當RSSI1+RSSI2+RSSI3

由于定位過程中因室內非視距、多徑傳輸以及其他環境因素的影響,導致測距存在誤差,定位精度不夠。故首先要改善RSSI-距離模型,以適應該環境。本文采用Shadowing模型,經過簡化處理后的公式為

d=10(A-RSSI)/(10n)

(1)

算法先將在臥室內多次測量的每個不同距離各自對應的RSSI值集進行粒子濾波預處理,隨后將濾波后得到的RSSIM與對應距離dM用最小二乘法向式(1)擬合,得到初步擬合公式,然而由于室內物體的增多或減少導致的反射、散射干擾以及環境(如濕度)等因素的改變,由于初步公式對室內環境適應性差,通過該初步公式測距,會出現3個圓并不兩兩相交或交疊區域過大[5],使得加權三邊質心定位算法無法用于實現定位,故需要進行二次擬合以修正公式參數。修正方法如下：

1)3個大小不同的圓交疊區域較大,取3個圓兩兩相交而成的6個交點中離待定位點近的3個交點(xi,yj)|(i=1,2,3,j=1,2,3),取3個交點兩兩之間的最短距離α較大但小于0.18 m作為誤差。

2)3個大小不同的圓兩兩相離,但兩圓圓弧與圓弧之間最短距離β小于最小通信半徑作為誤差。

取同時滿足上述2種誤差,修正圓的通信半徑,若超出該誤差范圍,則保留并輸出上一次定位結果待誤差減小后重新計算定位。修正后有

(2)

以修正后的測距公式得到的3個通信半徑作為半徑,3個圓交疊在一起,交疊區域選為三角形[6],取d1,d2,d3為3個圓的通信半徑,三角形的3個頂點A,B,C中離信標節點遠的,就賦予較小的權值,反之,近的就賦予較大權值來起主要作用,結合對待定位點以及三角形在區域Ⅰ還是Ⅱ的識別,則待定位點的坐標所求如下

(3)

式中n=2動態可調整系數,影響著權值。

3.2 環境值測量軟件設計

CO2傳感器,MQ-3乙醇傳感器和MQ-9傳感器的信號輸出通過多通道ADC實現模/數轉換[7],DMA將數字信號快速傳到內存。BH1750光照傳感器與STM32之間的通信方式選用軟件模擬I2C通信。

3.3 WiFi傳輸軟件設計

STM32與上位機之間采用TCP/IP協議進行無線通信,在通信前需要通過串口向模塊發送AT指令的方式來配置工作模式,將ESP8266模塊的工作模式設置為STA模式,工作流程如圖4所示。

圖4 ESP8266工作流程

3.4 上位機監控軟件設計

上位機采用圖形化編程語言LabVIEW編寫,通過TCP/IP協議接收經下位機傳輸過來的數據[8],并對數據進行處理與顯示,上位機上的按鈕開關控制終端設備控制繼電器,幫助老人改善室內環境[9]。監控界面如圖5(a)所示,老人的定位數據也在界面上顯示,并隨老人的移動而變化。上位機工作流程如圖5(b)所示。

圖5 上位機臨控界面與工作流程

4 實驗測試

實驗在6 m×3 m的臥室內進行,4個信標節點均離地面一定高度,系統實物裝在由固定在輪椅上直立桿的較高位置,信標節點與一致高度,以減少人體移動帶來的干擾[10]。

在4個不同時刻所選取的4組室內信息如表1所示,分別對應著以下4種情形。

表1 4組室內信息表

情形1上位機顯示室內空氣中酒精含量比之前1h高,且逐漸升高,老人的輪椅位于餐桌旁,中午老人正在用餐吃飯。

情形2室內CO2濃度比前一天傍晚時分高很多,老人輪椅位于床邊,光照強度比戶外低,老人上午還未起床。可通過上位機控制窗簾拉開,也可通風。

情形3室內CO2濃度很低,光照也強于之前1 h,窗戶打開,老人晨起后離開臥室前往戶外,在老人準備關門時被定位。如果老人長時間不回室內,則需尋找。

情形4室內CO濃度很高,下午老人輪椅位于書桌旁,老人邊抽煙邊看報紙。可通過上位機控制窗戶繼電器的開啟,達到開窗通風。

5 結束語

通過算法的設計與仿真、硬件系統的搭建與調試以及軟件的設計與優化,使得基于傳感技術的室內老人看護系統穩定可靠,智能便捷,定位精度高。若增加信標節點個數,再結合該算法,則會將定位更加精確。該系統的上位機能直觀顯示室內環境參數當前曲線和歷史參考值,可考慮將老人室內信息上傳到云服務器,實現老人的子女在工作單位方便查看老人室內生活情形,必要時可電話聯系,提升子女對父母的關愛度。