基于ZigBee技術(shù)的智能老人助理系統(tǒng)

朱飛飛李雪寶盧冶孫達(dá)孫煒摘要：我國(guó)社會(huì)人口老齡化加劇，傳統(tǒng)的老人助理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足老人們的需求，而智能老人助理系統(tǒng)將會(huì)成為大多數(shù)老年人的生活必須品。針對(duì)以上需求，本系統(tǒng)分別使用PC上位機(jī)和智能手機(jī)終端兩種控制方式，結(jié)合CC2530無(wú)線ZigBee協(xié)調(diào)器模塊組成控制系統(tǒng)，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)、家庭門鎖、燈的操控，同時(shí)利用尋跡傳感器也可以進(jìn)行門鎖控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可靠性高，距離較遠(yuǎn)、靈敏度高，能夠通過(guò)智能手機(jī)終端精準(zhǔn)顯示室內(nèi)環(huán)境數(shù)值和控制燈和門鎖開關(guān)。關(guān)鍵詞：ZigBee；智能老人助理；智能手機(jī)終端；交互性設(shè)計(jì)；尋跡傳感器TP311：A：1009-3044（2018）04-0176-03TheIntelligentOldManAssistantSystembasedonZigBeeTechnologyZHUFei-fei1，LIXue-bao2，LUYe2，SUNDa2，SUNWei2（1.JiangsuUniversityofScienceandTechnologySuzhouInstituteofTechnology，ElectricalandInformationEngineering，Zhangjiagang215600，China；2.JiangsuUniversityofScienceandTechnology，ElectricalandInformationEngineering，Zhangjiagang215600，China）Abstract：Agingpopulationhasintensifiedinchina，andthetraditionalassistantsystemhasntbeensatisfiedtheneedsofoldpeople.However，theintelligentoldmanassistantsystemwillbeanecessityformostelders.Therefore，thissystemusestwocontrolwaysincludingPCterminalandintelligentmobilephone，whichcanmonitorindoorenvironmentandcontrolthedoorandlampbyusingCC2530wirelessZigBeecoordinatormoduleandZigBeenetworks，meanwhile，itcanalsoc[本文來(lái)自于www.zz-N]ontrolofdoorlockbytrackingsensor.Theexperimentalresultsshowthatthesystemcanimprovethereliabilityofdatatransportandapplytoremotedistancetransmissionandpossessahighsensitivity.Italsocandisplayindoorenvironmentdataaccuratelyandcontrolthelampsanddoorlockbythesmartphoneterminal.Keywords：ZigBee；intelligentoldassistantsystem；smartphoneterminal；thedesignofinteraction；trackingsenso中國(guó)已成為世界上老年人口最多的國(guó)家，到2050年左右，老年人口將達(dá)到全國(guó)人口的三分之一[1]。隨著老年人口數(shù)量逐步增多，未來(lái)市場(chǎng)適合老年人使用的產(chǎn)品需求量會(huì)逐步增大，市場(chǎng)發(fā)展空間極大[2]。盡管已經(jīng)有了老人助理工具，但大多粗笨，操作不靈活等特點(diǎn)，而基于ZigBee技術(shù)的老人助理系統(tǒng)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。ZigBee技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展和應(yīng)用還不夠[3]，目前，雖然國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品，但產(chǎn)品操作過(guò)于繁瑣、界面僵硬而缺乏交互性等問(wèn)題，從而導(dǎo)致老年人群對(duì)此類產(chǎn)品較為陌生，上述問(wèn)題造成ZigBee技術(shù)在智能老人助理系統(tǒng)方面較為緩慢。1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)由移動(dòng)控制終端、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成。其中控制設(shè)備包括計(jì)算機(jī)、與計(jì)算機(jī)處于同一局域網(wǎng)內(nèi)的手機(jī)終端，監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)包括溫濕度檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、有害氣體監(jiān)測(cè)結(jié)點(diǎn)、舵機(jī)、51單片機(jī)、尋跡傳感器，而ZigBee協(xié)調(diào)器不但是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，而且聯(lián)系終端節(jié)點(diǎn)的紐帶。本系統(tǒng)的主要功能：（1）通過(guò)Socket編程，借助TCP/IP協(xié)議，PC上位機(jī)和手機(jī)客戶端進(jìn)行通信，并將信息實(shí)現(xiàn)共享；（2）實(shí)時(shí)收集室內(nèi)溫濕度信息、有毒氣體預(yù)警并在PC上位機(jī)和交互性手機(jī)客戶端界面上顯示，動(dòng)態(tài)刷新；（3）借助局域網(wǎng)，通過(guò)PC上位機(jī)和交互性手機(jī)客戶端界面兩種方式實(shí)現(xiàn)室內(nèi)開門鎖、開燈的操作；（4）利用尋跡模塊實(shí)現(xiàn)開門的雙保險(xiǎn)，利于半殘疾老人使用；（5）CC2530芯片功耗低，設(shè)備安裝方便。系統(tǒng)總體框架如圖1所示：2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬件采取模塊化設(shè)計(jì)理念，主要包含協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、溫濕度、有毒氣體傳感器、繼電器組合節(jié)點(diǎn)、驅(qū)動(dòng)部分。2.1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)本系統(tǒng)選取TI公司的CC2530單片機(jī)作為ZigBee模塊的控制器，它支持最新的ZigBee協(xié)議——ZigBee2007/PRO，而TI之前的SOC射頻芯片CC2430/CC2431等不支持ZigBee2007/PRO協(xié)，ZigBee2007/PRO相對(duì)于以前的協(xié)議具有更好的互操作性、節(jié)點(diǎn)密度管理、數(shù)據(jù)負(fù)荷管理、頻率捷變特、支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和低功耗的特點(diǎn)。通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口連接到控制中心的ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，在室內(nèi)建立無(wú)線星形ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并將所有終端節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)中并實(shí)時(shí)發(fā)送到移動(dòng)終端，從而實(shí)現(xiàn)老人對(duì)于室內(nèi)環(huán)境基本參數(shù)的實(shí)時(shí)了解，和門鎖的操控，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要作用：（1）組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，等待節(jié)點(diǎn)加入；（2）接受有毒氣體傳感器、溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，并通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口發(fā)送到PC上位機(jī)界面顯示，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)；（3）通過(guò)接收PC上位機(jī)發(fā)送來(lái)的控制指令，再經(jīng)節(jié)點(diǎn)ID識(shí)別發(fā)送給相應(yīng)控制節(jié)點(diǎn)；（4）控制終端節(jié)點(diǎn)的休眠與喚醒。2.2溫濕度、有毒氣體傳感器、繼電器組合節(jié)點(diǎn)每一個(gè)溫濕度、有毒氣體傳感器節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)CC2530芯片和DHT11溫濕度傳感器、MQ-2有毒氣體傳感器、繼電器：DHT11溫濕度傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，傳感器有較為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)；MQ-2是一款用于有毒氣體監(jiān)測(cè)的高精度傳感器。它由微型AL2O3[本文來(lái)自于Www.zZ-new.Com]陶、瓷管、SnO2敏感層，測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件；系統(tǒng)采用5V光耦繼電器與ZigBee板結(jié)合的方式，采用光隔離信號(hào)的方法，具有低功率、轉(zhuǎn)換速度快等特點(diǎn)，利于老人快速控制燈和門鎖。2.3驅(qū)動(dòng)部分為了防止老人忘記攜帶移動(dòng)終端，特別設(shè)計(jì)開門雙保險(xiǎn)，確保老人能有多種方式開門，方便老人生活。本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分主要由51單片機(jī)最小系統(tǒng)、舵機(jī)、尋跡傳感器、電源組成：（1）51單片機(jī)最小系統(tǒng)采取8051系列的芯片，做好最小系統(tǒng)接到ZigBee節(jié)點(diǎn)上；（2）尋跡傳感器采用TCRT5000紅外反射傳感器檢測(cè)，在一定范圍內(nèi)對(duì)事物進(jìn)行判別。通過(guò)老人靠近門鎖，反射較強(qiáng)點(diǎn)的紅外線時(shí)，通過(guò)單片機(jī)指令實(shí)現(xiàn)開門鎖；（3）舵機(jī)由外殼、電路板、無(wú)核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測(cè)器組成。舵機(jī)在智能開鎖方面也有較大用途，其轉(zhuǎn)速較快，反應(yīng)靈活，易于操控；（4）電源部分采用4節(jié)充電干電池作為驅(qū)動(dòng)的電源，對(duì)于老人來(lái)說(shuō)操作方便，更換靈活。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括以下6個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)：CC2530協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)，CC2530溫濕度檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)，CC2350MQ-2有毒氣體傳感器檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)，CC2530驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)，PC上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，Andriod客戶端交互性界面軟件設(shè)計(jì)。3.1ZigBee局域網(wǎng)程序設(shè)計(jì)局域無(wú)線通訊主要有協(xié)調(diào)器和終端兩大部分組成。通過(guò)收發(fā)協(xié)議，在本系統(tǒng)中采取Z-Stack協(xié)議棧，同時(shí)采用了配套的SampleApplication作為實(shí)例。本實(shí)驗(yàn)的協(xié)調(diào)器采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)連接和看護(hù)網(wǎng)絡(luò)及其終端設(shè)備，直接與ZigBee協(xié)調(diào)器通信。其中，Z-Stack在建立一系列任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)給不同的任務(wù)分配不同的優(yōu)先級(jí)，保證高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)有事件時(shí)最先得到處理，MAC層的任務(wù)一般會(huì)賦予最高優(yōu)先級(jí)。SampleApp中在Z-main.c中調(diào)用osal-init-system（）對(duì)Z-Stack進(jìn)行初始化，在這個(gè)函數(shù)中又層層調(diào)用了ZDApp-init（）對(duì)ZDO層首先進(jìn)行初始化[4]，接著對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行初始化，在這里我們選著固定的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，組建網(wǎng)絡(luò)，分配終端各節(jié)點(diǎn)地址，協(xié)調(diào)器自身分配地址為0，程序進(jìn)入主要部分，協(xié)調(diào)器起著監(jiān)聽(tīng)的作用，它會(huì)將終端節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)終端和PC上位機(jī)界面上，協(xié)調(diào)器工作流程如圖2所示：3.2終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)一共有兩種，一種是溫濕度、MQ-2、繼電器組合節(jié)點(diǎn)，一種是溫濕度、MQ-2、智能門鎖節(jié)點(diǎn)。溫濕度、MQ-2、繼電器組合節(jié)點(diǎn)采用DHT11溫濕度檢測(cè)傳感器、MQ-2有毒氣體傳感器、光耦繼電器結(jié)合的方式。DHT11的數(shù)據(jù)格式為8b濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8b濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8b溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8b溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8b校驗(yàn)和[4]。首先，系統(tǒng)初始化串口，延時(shí)20-40us進(jìn)行溫濕度的讀取，然后將讀取的數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器。MQ-2有毒氣體傳感器選擇J10口的0號(hào)端口作為MQ-2的采樣端口。煙霧傳感器在不同的煙霧濃度環(huán)境下，自身的體電阻發(fā)生改變，從而導(dǎo)致輸出電壓變化。本系統(tǒng)用甲烷來(lái)測(cè)試，測(cè)試范圍在5000～20000ppm，如果在預(yù)設(shè)濃度內(nèi)，老人移動(dòng)設(shè)備會(huì)發(fā)出預(yù)警。繼電器利用高低電平的性質(zhì)來(lái)控制燈的開關(guān)。溫濕度、MQ-2、智能門鎖節(jié)點(diǎn)主要由溫濕度傳感器、MQ-2傳感器與上文類似，這里不再重復(fù)，智能門鎖由51單片機(jī)、舵機(jī)、電源、尋跡傳感器組成，并連接ZigBee節(jié)點(diǎn)。舵機(jī)與尋跡傳感器的引腳接在51單片機(jī)上，尋跡傳感器設(shè)置高電平，紅外一直打開，如果老人身體移動(dòng)到門鎖前便可開門。舵機(jī)設(shè)置延時(shí)100ms方便老人開門，具體的工作流程如圖3所示：3.3交互性Andriod客戶端和上位機(jī)設(shè)計(jì)為了適應(yīng)老人的心理需求，特別在Andriod客戶端界面是進(jìn)行了交互性設(shè)計(jì)，按鈕清晰、布局簡(jiǎn)易、字體符合老人審美要求、顏色適合老人心理需求，PC上位機(jī)可以在電腦上展示和控制當(dāng)前溫濕度，方便兒女觀看，交互性的Andriod客戶端界面更加方便老人使用。PC上位機(jī)在VC6.0編譯器上使用C++語(yǔ)言編寫，主要有以下幾個(gè)功能：與協(xié)調(diào)器通過(guò)串口連接通訊，與手機(jī)使用TCP/IP協(xié)議通過(guò)Socket相互傳遞數(shù)據(jù)[5]，顯示實(shí)時(shí)的溫濕度數(shù)值、有毒氣體預(yù)警、燈的開關(guān)以及變化曲線圖，主界面溫濕度去吸毒如圖4所示，ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接好之后便開始傳輸數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示變化曲線，這時(shí)點(diǎn)擊連接數(shù)據(jù)，電腦開始監(jiān)聽(tīng)，接入手機(jī)端，PC服務(wù)端和手機(jī)客戶端就會(huì)相互發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)收到手機(jī)發(fā)送的指令時(shí)，便會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，之后再發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn)。AndriodApp在帶有ADT的eclipse編譯器上采用Java語(yǔ)言編寫。主要包括以下功能：與PC上位機(jī)使用TCP/IP協(xié)議通過(guò)Socket相互傳遞數(shù)據(jù)，向上位機(jī)發(fā)送控制命令并顯示接收到的溫濕度數(shù)值，有毒氣體檢測(cè)情況，燈的開關(guān)，開門鎖。主要的流程為：輸入PC上位機(jī)的通信IP和通信端口建立通信，老人在軟件界面對(duì)于對(duì)門鎖、燈、有毒氣體、溫濕度進(jìn)行控制和查看。軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示：主程序用于通過(guò)輸出的IP和端口初始化通信?？刂骑@示模塊顯示門鎖控制、燈的開關(guān)、溫濕度數(shù)值、有毒氣體是否超標(biāo)，通信模塊：通信套字節(jié)。4系統(tǒng)測(cè)試通過(guò)對(duì)智能老人助理系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的調(diào)試后如圖6所示，移動(dòng)終端接入到ZigBee局域網(wǎng)中，將已經(jīng)連接好的ZigBee協(xié)調(diào)器與各個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。首先，在上位機(jī)上輸入本地路由器的IP地址，端口號(hào)為9600，接著，將電腦IP地址連接到移動(dòng)客戶端，開始初始化系統(tǒng)，最后，將終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器傳輸?shù)缴衔粰C(jī)和移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)老人室內(nèi)溫濕度、有毒氣體感知，燈、門鎖的操控。我們經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，可以看出系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈敏度等特點(diǎn)，系統(tǒng)在延時(shí)1S的情況下，數(shù)據(jù)反應(yīng)迅速。為了進(jìn)一步測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們分多種情況來(lái)探討系統(tǒng)的穩(wěn)定性如圖7，表1、表2所示，為了探究其穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)分為兩種情況來(lái)研究丟包率，一是多種距