基于多網控制的關愛老人系統設計與實現

唐雅娜 董立國

摘 ?要：目前，關愛老人的話題成為社會關注的焦點。如何照顧好空巢老人，并第一時間掌握他們的起居信息成為研究的目標。該項目通過ZigBee、Wi-Fi、4G等技術實現了多網控制，集合各自通信模式的優點，最大程度保證通訊的有效性和安全性。同時，使用單片機、傳感器、指紋與語音識別、Android等多種技術，利用云服務器和百度地圖，實現了家居環境參數實時查看、智能控制家電、智能門禁、老人跟蹤定位、防摔倒、實時監控老人起居等功能。經測試證明，該設計性能良好，使用操作簡便，總體使用效果好，能滿足家人在外及時了解老人狀況的需求，對研發涉及同類技術的項目也具有較強的參考價值。

關鍵詞：關愛老人系統;智能控制;實時監控

中圖分類號：TP311.52 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）04-0186-03

Abstract：At present，the topic of caring for the elderly has become the focus of social attention. How to take good care of the empty nest elderly and master their living information at the first time has become the research goal. In this project，ZigBee，Wi-Fi，4G and other technologies are used to realize multi network control，gather the advantages of each communication mode，and ensure the effectiveness and safety of communication to the greatest extent. At the same time，using SCM，sensor，，fingerprint and voice recognition，Android and other technologies，using cloud server and Baidu map，the functions of real-time home environment parameters viewing，intelligent control of home appliances，intelligent access control，tracking and positioning of the elderly，fall prevention，real-time monitoring of the elderly living are realized. The test shows that the design has good performance，simple operation and good overall use effect. It can meet the needs of family members to know the situation of the elderly in time outside. It also has a strong reference value for the research and development of projects involving similar technologies.

Keywords：care for the elderly system;intelligent control;real-time monitoring

0 ?引 ?言

據國家老齡辦公室統計，我國已進入人口快速老齡化時期，老齡人口達1.69億，占總人口的12%，由于計劃生育的政策，當今社會獨生子女的比例也是創新高，并且由于社會經濟的快速發展，以及人民生活水平的不斷提高，大多數年輕人為了給老人和子女提供更好的生活條件，不得不外出工作，這意味著為了生存，年輕人根本不可能留在家里照顧老年人，空巢老人雙雙離世多日無人知曉的事件屢有發生，釀成了人間悲劇。近日，中共中央、國務院印發的《國家積極應對人口老齡化中長期規劃》讓我們更加重視空巢老人的生活。為了讓老人的生活質量得到提升，使其過上便捷、安全、健康的老年生活，廣州大學華軟軟件學院科研項目擬研究一款智能化的關愛老人系統，是具有迫切性和必要性的。

1 ?系統總體設計

按照實際需求確定系統功能，如圖1所示。按照上述功能確定硬件的結構。

1.1 ?硬件選擇

（1）主控單元：項目本著開發方便、具有較多外設接口、具有較高性價比的原則來選擇主控單元，最終選取了STM32F103作為項目主控單元[1，2];

（2）通信模塊：為了使手機APP與開發平臺實現通信，項目選用Wi-Fi模塊保障兩者通信;物聯網組網通信、項目選取ZigBee作為組網通信技術[3，4]。選取具備最普遍的無線聯網功能的億佰特ESP8266作為Wi-Fi模塊，平板電腦和手機可隨時隨地連接。簡化了Wi-Fi功能的設計，加速了產品上市，提供了低成本的方案，縮短了產品上市時間，提高了產品的競爭力[5]。ZigBee技術的主流芯片為美國德州公司的CC2530，其具有通信穩定性好、性價比高的優勢，是項目開發的首選[6];

（3）傳感器：檢測是否有人通過門窗入門行竊，熱釋電紅外感應模塊是基于紅外線技術的自動控制模塊，熱釋電紅外感應模塊型號為HC-SR501，選取MQ-2型煙霧傳感器作為檢測空氣中可燃氣體濃度的設備，以及HTU21傳感器用以檢測溫度和濕度;

（4）指紋與語音識別：正點原子的AS608模塊（以下簡稱AS608模塊）是ALIENTEK推出的一款高性能的光學指紋識別模塊，LD3320作為語音識別模塊。

系統硬件連接拓撲結構圖如圖2所示。

1.2 ?手機APP功能確定

根據整體設計方針[7]，手機APP的具體功能包含登錄/注冊、家電控制、室內監控、地圖定位、室內環境數據查看、開門請求等。手機APP功能如圖3所示。

2 ?軟件設計

按功能要求進行相關的軟件開發。下面將詳細論述主要的軟件開發內容。

2.1 ?服務器軟件設計

私有云服務器主要由Aapche2.4版本的http服務器和TCP服務端軟件組成。

TCP服務端軟件主要通過socket套接字的API獲取TCP/IP五層模型協議中的傳輸層的TCP協議，通過6001端口創建TCP服務端，并且通過線程等待TCP客戶端的連接，當TCP客戶端請求連接時，TCP服務端則進行請求accept操作，并且創建線程，進行對應客戶端的數據收發。

face_detect.php文件是一個使用php5.6.17版本開發的Web頁面，主要功能是對客戶端請求的人臉圖片和家庭組成員的圖片通過百度云人臉識別SDK逐一比對，并返回人臉比對值和活體檢測值，當人臉比對值大于90且活體檢測值大于0.95時，就向客戶端返回允許開門的信息，否則返回拒絕開門的信息。

2.2 ?Wi-Fi模塊軟件設計

在用戶空間網絡通信軟件設計中，有了內核空間網絡通信軟件的支持，用戶空間只需要通過socket套接字編程就可以獲得傳輸層的TCP傳輸協議進行用戶層的業務邏輯處理，并將處理結果發送到ESP8266自帶的封裝接口（API）即可。

2.3 ?網絡視頻傳輸模塊設計

在網絡視頻傳輸軟件的設計中，需要考慮多線程訪問攝像頭的情況。當多個客戶端連接服務器則會產生多個線程，多個線程訪問臨界資源所產生的互斥和同步問題是不可避免的。為了解決互斥和同步問題，代碼中使用互斥體和讀寫鎖的手段解決問題。當圖片緩沖區需要從視頻設備中讀取圖片時，則對寫鎖和讀鎖同時進行上鎖操作，當圖片獲取完畢后再釋放讀鎖，從而解決多線程的同步問題。當多個線程需要同時從圖片緩沖區取出圖片時，則會出現多線程互斥的問題，當其中一個線程需要獲取圖片時，則對互斥體進行上鎖操作，當這個線程獲取完圖片后，對互斥體進行解鎖操作，從而解決多線程的互斥問題[8，9]。

2.4 ?多重門禁識別模塊設計

多重門禁識別軟件設計是融合了串口通信、網絡通信和視頻采集的技術基礎所開發的應用。當叩門人想要開門時，按下門前的指紋模塊，這時會進行指紋配對，當指紋匹配成功后，stm32通過串口向Wi-Fi模塊發出人臉識別請求，同時攝像頭通過門孔對叩門人進行人臉采集。Wi-Fi模塊通過串口收到請求信息后，解析請求信息獲得家庭編號，并通過http請求SDK向API接口http：//服務器IP：8090/face_detect.php？family=家庭編號&location=圖片地址發出GET請求，解析返回結果，如果返回結果為0，則向stm32發出允許開門信息，否則發出拒絕開門信息。

2.5 ?移動端安卓視頻監控模塊設計

移動端安卓視頻監控軟件的主要功能是接收Wi-Fi模塊輸出的圖片流，并顯示在手機屏幕上，從而實現室內視頻監控功能。在移動端安卓視頻監控軟件設計中，安卓客戶端應用只需要通過安卓HTTP請求SDK向視頻監控WEB_API發出GET請求并創建線程，在線程中循環接收視頻服務端發送的buf字節數組，對buf字節數組進行http響應解析，解析出JPG格式圖片數據，并把圖片數據顯示在安卓的SurfaceView控件中。

3 ?系統測試與性能分析

搭建實物樣機，利用各個硬件模塊和軟件模塊進行系統聯調聯試，其中包括了服務器模塊、網絡視頻監控模塊和多重門禁識別模塊、人臉識別[9，10]等模塊的軟件測試。系統聯調聯試結果用例如表1所示。

4 ?結 ?論

本系統利用ZigBee、Wi-Fi與4G等多種通信技術各自的優勢，實現了硬件開發平臺與手機APP之間的交互。在滿足老人日常需要的同時，手機客戶端可實時監控老人的生活，最大程度保證老人的安全?？梢哉f，系統既具有智能家居的功能，又具有安全防護的監控作用，真正實現了關愛老人。通過測試，系統的各項功能正常，且體驗感優良，是一款實用性較強的產品，具有較高的社會與經濟效益。

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作者簡介：唐雅娜（1978-）女，漢族，黑龍江大慶人，高級工程師，碩士，主要研究方向：人工智能及大數據;董立國 （1984-），男，漢族，黑龍江雙鴨山人，教師，碩士，主要研究方向：人工智能。