一種基于物聯網的居家養老看護系統設計

趙 青，何厚奇，閔陽陽，許育恒

（南通職業大學，江蘇 南通 226007）

當今社會已經處于老齡化社會。隨著越來越多的年輕人為了夢想外出打拼，空巢老人數量與日俱增。空巢老人特別是空巢獨居老人的居家安全成為一個社會問題，居家養老看護系統的市場需求巨大。目前，主要采用攝像頭視頻監控的方式進行居家養老看護，這導致用戶的隱私得不到保障。對于大多數具有獨立生活能力的老人，這種看護方案并不受歡迎。為此，設計了一款基于物聯網技術的智能居家看護系統，在確保老人隱私的前提下能有效保障空巢老人的生命及財產安全、提高老人的生活質量。

1 系統總體架構

本文采用ZigBee技術組建無線傳感網絡并實現云接入。多個ZigBee傳感器節點（環境檢測節點、防火節點、防盜節點、生命保障節點）利用傳感器實時采集相關數據，并通過點對點無線射頻方式將數據發送給ZigBee匯聚節點。匯聚節點接收數據后通過網關、路由器接入新大陸物聯網云平臺，將數據上傳到云端。遠程終端（手機或電腦）登錄新大陸云平臺就可以看到相應數據。系統總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖

2 系統硬件設計

2.1 ZigBee芯片的選擇

CC2530是德州儀器推出的新一代ZigBee片上系統芯片，集成了增強型8051內核和性能優良的射頻模塊以及其他強大的功能和外設。本文選擇256 kB閃存空間的CC2530F256作為控制核心。

2.2 ZigBee傳感器節點的設計

在CC2530基礎上加上晶振、電源去耦電路、射頻電路等外圍電路，組成ZigBee核心板。ZigBee核心板的問世為用戶開發CC2530提供了便捷。本文選擇上海朗譯公司生產的ZigBee核心板。將CC2530核心板與傳感器等元器件相連，構成ZigBee傳感器節點。節點所需電源電壓為3.3 V，可用電池供電。

2.2.1 環境檢測節點

在家中多處設置環境檢測節點，利用DHT11和MQ135檢測室內環境。DHT11是一款溫度/濕度復合傳感器，而MQ135空氣質量傳感器對氨氣、硫化物和苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其他有害氣體也比較靈敏。DHT11的DATA與CC2530的P1_0相連；MQ135的Aout與CC2530的P0_7引腳相連。如果環境指標異常，通過黃色LED燈進行提醒。為了安裝方便，本文選用低電平觸發的LED模塊。該LED模塊只要“-”端得到低電平，便可點亮LED燈。CC2530核心板與傳感器、LED模塊的連接如圖2所示。

圖2 環境節點CC2530與其他模塊連接圖

2.2.2 防火節點

在廚房設置防火檢測節點，用MQ2煙霧氣敏傳感器來檢測空氣中有無天然氣、液化氣和煙霧，用火焰傳感器（flame）檢測有無火焰的紫外線強輻射。若有，則通過蜂鳴器進行報警。為了安裝方便，本文選擇低電平觸發的有源蜂鳴器模塊。該蜂鳴器模塊只要“-”端得到低電平，便可發出較大鳴叫聲。CC2530核心板與傳感器、有源蜂鳴器模塊（Buzzer）的連接如圖3所示。

圖3 防火節點CC2530與其他模塊連接圖

2.2.3 防盜節點

在陽臺設置防盜節點，利用HC-SR501人體紅外傳感器檢測有無外人闖入。無人入侵時，HC-SR501的out端輸出一個低電平。而有人入侵時，由于人體會產生特定波長的紅外線，HC-SR501感應到人體發出的紅外信號后，從out輸出一個高電平。HC-SR501的out引腳與CC2530的P1_7引腳相連，當P1_7接收到一個高電平時，啟動LED模塊和蜂鳴器模塊進行聲光報警。

2.2.4 生命保障節點

為保障老人生命安全，設置了生命保障節點。節點具有摔倒自動報警以及一鍵緊急求助功能，以掛件或配飾的形式被老人隨身佩戴。ADXL345數字式加速度傳感器可以檢測X軸、Y軸和Z軸3個方向的重力加速度。老人摔倒時，ADXL345檢測到的三軸加速度數值發生改變，從而觸發蜂鳴器進行報警。如果老人突感不適，對TTP223電容式觸摸傳感器觸摸1 min，同樣觸發報警。誤報警時，可以通過按鍵取消報警。CC2530核心板與傳感器、有源蜂鳴器模塊、按鍵模塊（Button）的連接如圖4所示。

2.3 ZigBee匯聚節點的設計

將CC2530核心板作為ZigBee匯聚節點，利用CC2530的RF射頻模塊實現匯聚節點和傳感器節點之間的數據通信。匯聚節點收到傳感器節點發來的數據后，將數據通過物聯網網關、無線路由器上報物聯網云平臺，實現遠程數據查看功能。

2.4 網關

本文選用上海樂鑫公司的ESP8266 12F模塊作為網關，該模塊內部集成了MCU和TCP/IP協議棧，可以實現串口轉WIFI。將ESP8266模塊的CH_PD、VCC接3.3 V，將GPI05、GND接地，即可啟動模塊。將GPI00接地，利用XTCOM_UTIL燒錄程序燒寫固件ESP_8266_BIN0.92.bin。通過串口發送AT指令實現對ESP8266的控制。發送“AT+CWMODE=1”，將ESP8266設置為STA工作模式，將模塊通過路由器連接互聯網。發送“AT+RST”，將ESP8266重啟。發送“AT+CWJ=‘WIFI名稱’+‘WIFI密碼’”，將ESP8266連上相應無線路由器。

對ESP8266燒寫固件及配置后，將其與匯聚節點的CC2530核心板相連。CC2530的P0_2作為USART0的RX端與ESP8266的TXD相連，P0_3作為USART0的TX端與ESP8266的RXD相連，實現串口轉WIFI。ESP8266再通過WIFI信號與無線路由器相連，從而將匯聚節點接入互聯網。

3 系統軟件設計

3.1 傳感器節點軟件設計

傳感器節點主要負責傳感器數據的采集、發送及報警。以環境檢測節點為例，CC2530初始化后，按照規定的時序與DHT11進行單總線通信，從DATA總線上得到40位的數據，通過數據處理，得到相應的溫度和濕度值。讀取MQ135 Aout引腳電壓，利用片內ADC進行AD轉換，得到空氣質量數據。判斷采集到的這3個數據是否超標，如果超標，用LED燈進行提示。按照同步頭+幀載荷+幀尾的格式，分別將這3個數據封裝打包成發送數據幀。啟動RF射頻模塊，通過點對點無線射頻通信的方式將數據幀發送至匯聚節點。

3.2 匯聚節點軟件設計

傳感數據能否上傳云平臺，匯聚節點至關重要。CC2530初始化后，啟動射頻模塊，查詢有無收到傳感器節點發來的無線數據。若有，對收到的數據包進行解析、校驗。若校驗出錯，將收到的數據丟棄。若校驗正確，從數據包中提取出傳感數據，并轉換成JSON數據。設置TCP服務器為新大陸云平臺服務器（ndp.nlecloud.com），設置TCP服務器端口號為8600，配置WIFI名稱和密碼。啟動ESP8266的TCP客戶端功能，建立與TCP服務器的連接。將JSON數據通過串口發送給ESP8266，通過TCP連接，將數據上傳云平臺服務器。

4 接入nlecloud云平臺

為及時了解老人居家動態，將匯聚節點接入nlecloud新大陸物聯網云平臺。首先登陸http：//www.nlecloud.com，進行注冊、登陸。進入“開發者中心”新建項目，輸入項目名稱、聯網方案等信息。添加設備，輸入設備名稱和設備標識（設備標識必須與匯聚節點程序中定義的設備標識一致），設置通訊協議為TCP。設備添加完成后，自動生成傳輸密鑰，這時應修改匯聚節點程序中的傳輸密鑰，使兩者一致。接著為設備添加對應的傳感器，輸入傳感名稱、標識名，設置傳輸類型等，確保標識名與匯聚節點程序中所定義的數據上報變量名一致。這樣匯聚節點通過網關、無線路由器接入了nlecloud云平臺，傳感數據也實時上報云平臺。物業工作人員通過電腦或手機登錄nlecloud云平臺，即可遠程查看實時上報數據。發現數據異常時，立即前往老人家里查看，及時排除安全隱患、第一時間進行救助。在外工作的子女看到相應信息后，可以向小區物業和鄰居求助。

5 結束語

基于物聯網的居家養老看護系統通過對居家環境和老人身體狀態進行實時監測，實現對老人的居家看護。針對一些突發安全事件，例如發生火災、有小偷潛入、突然摔倒且無法動彈、突然身體嚴重不適，采取自動防火防盜報警、自動跌倒報警和一鍵緊急求助等方法給出應對，通過聲光報警和數據上傳云平臺這2種方法，有效解決了老人特別是空巢獨居老人的生命及財產安全問題。該系統成本低、性能穩定并且安裝方便。