互联网+老人居家监控系统的设计与实现

赵　彦，许常青，邵逸炜

(江苏信息职业技术学院　物联网工程学院，江苏　无锡　214000)

互联网+老人居家监控系统的设计与实现

赵彦，许常青，邵逸炜

(江苏信息职业技术学院物联网工程学院，江苏无锡214000)

摘要:针对传统老人居家服务系统终端复杂、布线多的问题，提出基于“互联网+”模式的具有远距离监控、灯光控制、防火、防盗、防漏、报警功能的老人居家监控系统。该系统以嵌入式处理器ARM Cortex-A8作为智能终端，采用ZigBee、RF-433、蓝牙、无线网络相结合的通信技术，满足老人居家远程监控和家电控制的个性化需求。使用ZigBee建立家庭内部无线网络，WiFi通信实现外部对该系统的连接和控制，达到不破坏原有装修结构的目的。实验结果表明，该系统能有效提高老人居家监控的便利性和智能家居设备扩展方面的兼容性。

关键词:互联网+；Android平台；远程监控；智能视频监控；嵌入式；老人居家

1老人居家监控系统

随着社会和经济的不断发展，人民生活水平的提高，平均寿命延长，社会老龄化和家庭结构的演变，空巢老人问题日益凸显。智能化老人居家监控系统利用“互联网+”模式、移动互联技术、物联网技术，依托现有产品和资源，构建智能化老人居家监控系统，探索智能化老人居家监控系统的个性化设计，结合工业设计和人机交互设计，寻求实现满足人口老龄化背景下居家监控，对老人身心健康提供有力保障，对于促进和构建和谐的老龄社会具有重要意义。

目前现有的系统通常采用移动终端蓝牙模块结合软件实施监控，控制方式单一、成本偏高，工薪阶层难以接受。然而，传统的老人居家监控系统采用大量实线连接，不但成本高，而且安装过程需要破坏原有房屋装修结构，对于具有环境依赖感的老人们而言难以接受房屋改造，且不具备良好的可扩展性。本文采用“互联网+”模式，将ZigBee、短信息、蓝牙、WiFi网络等通信技术运用得淋漓尽致，在不破坏原有装修的基础上，构建可靠性高、便利性强的智能化老人居家监控系统，并以模块化的形式呈现，增强系统可扩展性的同时降低成本。整套系统能提升家居环境的舒适性、安全性、便利性、艺术性，并达到节能环保的效果。

2总体方案设计

基于“互联网+”技术的智能化老人居家监控系统，依赖于高速无线传感网技术，使用无线和有线混合接入技术，采用性能高、能耗低的嵌入式处理器作为控制中心，完成远程居家信息、音视频信息的实时采集、处理，为老人智能家居环境提供强大“互联网+”技术支持。该系统设计方案以其独到的自由组合模式呈献给用户，凭借物美价廉的优势，具有广阔的市场前景[1]。

该系统由中间协调器和终端节点构成，共分为感知层、网络层、应用层三大部分。其中物联网感知层的功能由终端节点实现，用于采集家居环境的数据信息[2]，主要包括能耗、光亮、水浸、门磁、烟雾等信息的采集；网络层的功能由协调器实现，通过扩展串口、以太网口连接通信模块联网，终端节点与协调器连接ZigBee无线网络，实现数据通信；应用层向用户提供各种展示平台，包括PC端、手机端、PAD端及互联网客户端，完成信息收集、分析和监控功能。整套智能化老人居家监控系统方案如图1所示。

图1　互联网+老人居家监控系统方案图

3系统主要实现功能

整套智能化老人居家监控系统以移动手持PAD作为主控设备，实现如下功能。

1)实时监控：网络摄像头通过WiFi传输实时音视频影像。家人可通过手机实时查看居家老人的实时影像。遇到问题或有报警产生时，社区服务人员可以通过PAD查看老人居家的实时影像，并与老人进行对话。

2)安防功能：充分保障老人居住环境的安全，一旦家庭受到非法入侵，火灾、偷盗、水灾、报警等主要问题，对应位置的传感器检测到的事件发生，ZigBee模块和RF-433模块利用室内的无线网络，将信号发送给智能终端。经过智能终端处理，最后将警报信息通过无线信号，以数据流的方式发送到PAD或手机上，PAD截获并识别信息，然后进行处理，实现居家安防功能。

3)灯光控制：当需要远程控制灯光时，只要用手机发送指定命令给智能终端，智能终端接收指令，进行处理，发送给继电器模块，实现灯光控制。当ZigBiee模块接收到光敏传感器发送的信号时，ZigBiee模块将信息发送到智能终端，智能终端发送数据给PAD，PAD截获信息后，返回指令给智能终端，智能终端识别指令，通知继电器，实现对灯光的自动控制。手机和PAD将同步显示灯光的状态和结果。

4)火灾报警：安装在室内的烟雾传感器实时监控老人房间烟雾信息。烟雾传感器监测到烟雾信息时，立即将信号通过无线ZigBee模块传输到智能终端，智能终端将火灾信息发送到PAD和手机。PAD截获信息后，返回指令给智能终端，智能终端识别指令，通知继电器，开启风扇，并通知声光报警器报警。

4系统硬件设计

4.1硬件整体功能介绍

该系统以SamSungS5PV210ARMCortex-A8处理器构建主节点，作为智能终端；通过蓝牙、Internet网络、无线信号与用户的PAD、手机通信；将采集到的信息发送给PAD，PAD收到信息返回相应的控制控制命令。2.4GHz的ZigBee[3]、MODBUS-RTU继电器作为从节点与老人家中的各控制器和传感器进行通信。老人居家环境中的各终端设备，用于接收智能终端转发的控制信息，实现对终端设备开关状态的控制，如风扇、灯光、报警器等；同时，终端设备还会将传感器采集到的信息反馈给智能终端。

4.2主节点硬件设计

智能家居网络控制器主节点硬件主要由ARMCortex-A8处理器、CC2530ZigBee无线收发模块、GSM模块、WCDMA模块、有线通信模块、人机交互等组成，主节点硬件结构图及实物如图2所示。

图2　主节点硬件结构图及实物

CC2530是符合IEEE802．15．4[4]标准的无线收发模块，实现数据的无线收发和传送；ARMCortex-A8作为主节点的控制模块；接口包括常用的RS-232、USB、RJ-45、RS-485等，该接口完成数据采集、获取以及对设备的控制，以及和PC机的通信，实现系统调试和监测；蓝牙模块、GSM[5]、WCDMA、RF-433、WiFi，用于对远程家居设备的监控；本系统通过触摸屏和按键的方式实现人机交互功能，电源实现系统供电。

4.3从节点硬件设计

“互联网+”老人居家监控系统的从节点硬件主要由ZigBee无线收发模块[6]、红外控制模块、继电器控制模块、CC2530、人机交互等组成，设计结构图如图3所示。CC2530ZigBee[7]实现数据的无线传送和收发；继电器通过控制开、关控制强电电路开关，从而获取设备状态，并执行相关操作；红外遥控器通过红外波实现对空调、电视机、电冰箱等家用电器的红外智能控制；电源为系统供电。数据采集部分采集房间的光照、电功率、烟雾浓度、水位、门磁开关、固定报警等数据，数据控制部分包括灯光、电扇、声光报警、智能电表等。所有数据信息的转换均需要与智能终端(主节点)交互。

图3　从节点硬件结构框图及实物图

5系统软件设计

5.1软件设计整体介绍

整套系统的软件设计选用Windows7操作系统，配置JDK1.7，Android4.4W开发平台，采用Eclipse开发环境，adt-bundle-windows-x86-20140702开发包，完成PAD端和手机端开发。

5.2PAD、手机与网络摄像头的通信

PAD端与手机端均通过WiFi、Internet网络与网络摄像头通信。系统需要加载当前网络摄像头的JAR包(ipcamera.jar)。登录画面要求填写摄像头的配置信息，包括网络摄像头的IP、端口、连接名称、音频缓冲时间。

连接网络摄像头的方法如下：

try{

camera=newIpCamera(""，com.pcstar.people.utils.

Configuration.IPCAMERA_NAME，

com.pcstar.people.utils.Configuration.ip，

com.pcstar.people.utils.Configuration.port，

com.pcstar.people.utils.Configuration.name，

com.pcstar.people.utils.Configuration.password，

com.pcstar.people.utils.Configuration.IPCAMERA_TIME)；

}catch(Exceptione) {

// 异常处理

}

网络摄像头的其他操作可通过表1所示的方法实现。

表1网络摄像头的操作方法

方法名称方法说明camera.play_audio();打开音频camera.stop_audio();停止音频camera.start_talk();打开对讲camera.stop_talk();关闭对讲camera.start_record();开始录音camera.stop_record();停止录音camera.start();打开摄像机camera.stop();关闭摄像机camera.ptz_control(Para);控制摄像机转动(上、下左右停止)Para取值为:PTZ_COMMAND.T_UP、PTZ_COMMAND.T_DOWN、PTZ_COMMAND.P_LEFT、PTZ_COMMAND.P_RIGHT、PTZ_COMMAND.PT_STOP

老人居家监控系统的视频信息是监控的重要信息。视音频图像采用M-JPEG[7]压缩格式[8]，支持VGA/QVGA/QQVGA三种视频分辨率，码率128kbit/s～5Mbit/s，最大帧30f/s(帧/秒)，支持360°旋转，内置CMOS传感器，自带红外灯，实现全天候监控，自带语音采集功能，实现双向对讲。系统运行时监控画面获取图像如图4所示。

图4　老人居家监控系统PAD端运行效果图(截图)

5.3PAD、手机、智能终端之间的通信

近距离传输时，PAD与智能终端通过蓝牙通信；远距离传输时，通过Internet通信。具体处理步骤如下(以蓝牙通信为例)：

1)判断蓝牙是否开启，如果蓝牙开启执行步骤2)，蓝牙未开启，执行退出操作。

2)Handler接收并处理BluetoothChatService传来的消息。

3)handleMessage(Messagemsg)处理来自智能终端的消息。

4)根据获取的消息种类的不同进行处理，分为以下5种操作：

(1)PAD通过蓝牙向智能终端发送指令完成相关处理，操作案例如下：

MainActivity.sendMessage(Configuration.RS485+Utils.getCRC("01" +Configuration.openPort3))；

(2)PAD通过Socket与手机端进行通信，通知手机完成相应处理。手机与PAD的通信也通过Socket实现。操作案例如下：

UDPClientSocket.send("F"，Configuration.PHONE_HOST，Configuration.PHONE_PORT)；

(3)PAD通过Socket与PC机进行通信，通知PC完成相应处理，操作案例如下：

UDPClientSocket.send("灯开了"，Configuration.PC_HOST，Configuration.PC_PORT)；

(4)PAD向自身数据库写数据，记录当前处理的信息内容，以备查看：

writeNewsToSql("光敏报警")；

(5)PAD自身弹出警告框，提醒用户当前发生的事件：

Configuration.isLight=true；HomeVideoActivity.ledButton.setText("关灯")；

5)实时监听，收到来自智能终端的数据后，转到步骤3)处理。

6系统测试

对该系统视频监控子系统的测试内容主要是通过PAD发送控制命令对WiFi网络摄像头进行控制测试，以获取摄像头在不同角度、不同距离对同一位置的视频监控画面。经过测试，视频监控子系统能够达到预先期望的效果(如图5所示)，完全可以投人使用。

图5　监控数据和执行操作信息的查询画面(截图)

将该系统应用在老人居家环境下，终端节点负责采集光照、烟雾、红外入侵、水浸等感知信息及电灯等家电设备的控制，并固定安装在监控位置。用户可通过手机、PAD多种方式监控家庭环境。所有监控数据和执行操作均被写入数据库，执行效率高，图5展示的是监控数据和执行操作信息的查询画面。通过5 000多次反复监控，指令接收、处理成功执行率可以达到99.7%，指令相应速度灵敏，无卡顿现象，用户体验度高。

7系统创新点

与传统的智能化老人居家系统相比，整套系统基于“互联网+”模式，具备以下创新点：

1)控制方式多样化：目前国内外现有的老人居家系统通常采用手机蓝牙通信，控制方式简单、通信范围不广、线路复杂、费用高，不易被接受。该系统将GSM、蓝牙通信、WiFi、Internet四种控制集于一体，实现PAD、手机、PC、智能终端间的通信。将传统的PC作为主控设备，改为移动手持设备PAD作为主控设备，给用户提供更为合适、方便的控制方式。

2)不破坏老人房屋的原有装修结构：传统的老人居家监控系统采用大量实线连接，不但成本高，而且安装过程需要破坏原有房屋装修结构，对于具有环境依赖感的老人们而言难以接受房屋改造，且不具备良好的可扩展性。采用“互联网+”模式后，将Zigbee、短信、蓝牙、无线网络相结合的通信技术运用得淋漓尽致，在不破坏原有装修的基础上，构建高可靠性、便利性的智能化老人居家监控系统。

3)可扩展性强：传统的老人居家监控系统处于集成化操作，难以实现重组和拼接。经过改进后，整套系统以拆卸组装的形式运作，以模块的形式拼接完成，增强系统的扩展性并降低成本。实现家居环境安全、舒适、便利，提升居家环境的艺术性，创造环保、节能的居住条件。最终实现一套设备应对多样化用户需求的目的。

4)视频监控效果好：视频监控通过对WiFi网络摄像头操控实现，可以实时获取无线网络摄像头在不同距离、不同角度、不同方位对同一位置的音、视频监控数据。画面清晰，操作流畅，监控效果极佳。

8结论

本文给出一种基于“互联网+”模式的智能化老人居家监控系统的优质解决方案。系统由智能终端、终端节点、协调器组成，应用了Android、嵌入式芯片技术，完成了软硬件开发，实现居家音视频等信息的智能化采集和监控，通过“互联网+”技术，实现PC端、PAD端以及手机端的通信。测试结果表明，整套系统能够满足老人居家实际监控的应用需求，同时该系统具有可靠性高、通用性好、抗干扰能力强、价格便宜的特点，具有较高的推广价值。

参考文献：

[1]黄凯奇，陈晓棠，康运锋，等．智能视频监控技术[J]．计算机学报，2014(9)：1-28.

[2]赵立辉，王京，霍春宝．基于物联网的智能家居监控系统设计[J]．电视技术，2013，37(22)：82-85.

[3]叶高杨，毕冉．基于物联网的智能家居系统设计与实现[J]．计算机应用，2014(6)：318-320.

[4]鲍建成．基于智能物联网的家居监控系统[J]．科技通报，2014(2)：41-43.

[5]陈慕君，张剑锋，李春雨．一种云平台智能家居系统设计与实现[J]．计算机测量与控制，2014(10)：3392-3395.

[6]莫伟健，任志健，万智萍．基于物联网的智慧校园无线视频监控系统[J]．实验室研究与探索，2013(4)：98-102.

[7]高永清，商丹．基于ZigBee智慧实验室系统的设计[J]．电视技术，2015，39(8)：17-21.

[8]张红．智慧家庭标准体系建设[J]．电视技术，2015，39(4)：86-88.

责任编辑：时雯

Designandimplementationofintelligentelderlyhomemonitoringsystemininternetplus

ZHAOYan，XUChangqing，SHAOYiwei

(Internet of Things Engineering College，Jiangsu Information Vocational Technology College，Jiangsu Wuxi 214000，China)

Abstract:For elderly homecare system terminal complex，multiple routing problem is presented，which is based on Internet plus mode with remote control，lighting control，fire，theft，leakage and alarm function of the elderly home monitoring system. The system uses the embedded processor Cortex-A8 ARM as the intelligent terminal， and uses ZigBee，RF-433，bluetooth，wireless network communication technology to meet the needs of the elderly home remote monitoring and control of home appliances. The ZigBee establishes the home wireless network， the WiFi network communication to achieve the external connection and control of the system， to achieve the purpose of the original decoration structure. The experimental results show that the system can effectively improve the compatibility of the old people's home monitoring and the expansion of smart home devices.

Key words:internet plus； Android platform； remote control； intelligent video surveillance； embedded； old man home

中图分类号:TN949.6

文献标志码:B

DOI：10.16280/j.videoe.2016.04.009

基金项目：江苏高校品牌专业建设工程一期项目“物联网应用技术”(PPZY2015C239；苏教高[2015]11号)；国家自然科学基金项目(60974016)；江苏省自然科学基金项目(BK20131097)；江苏省产学研联合创新资金前瞻性联合研究项目(BY2013017)；2015年江苏省大学生实践创新训练计划立项(201513108002Y)；江苏省教育科学“十二五”规划基金项目“高职软件技术专业Java课程群网络教学平台的开发及应用研究”(B-a/2013/03/007)

收稿日期：2015-09-25

文献引用格式：赵彦，许常青，邵逸炜.互联网+老人居家监控系统的设计与实现[J].电视技术，2016，40(4)：43-47.

ZHAOY，XUCQ，SHAOYW，etal.Designandimplementationofintelligentelderlyhomemonitoringsystemininternetplus[J].Videoengineering，2016，40(3)：43-47.