一种基于物联网的居家养老看护系统设计

赵 青，何厚奇，闵阳阳，许育恒

（南通职业大学，江苏 南通 226007）

当今社会已经处于老龄化社会。随着越来越多的年轻人为了梦想外出打拼，空巢老人数量与日俱增。空巢老人特别是空巢独居老人的居家安全成为一个社会问题，居家养老看护系统的市场需求巨大。目前，主要采用摄像头视频监控的方式进行居家养老看护，这导致用户的隐私得不到保障。对于大多数具有独立生活能力的老人，这种看护方案并不受欢迎。为此，设计了一款基于物联网技术的智能居家看护系统，在确保老人隐私的前提下能有效保障空巢老人的生命及财产安全、提高老人的生活质量。

1 系统总体架构

本文采用ZigBee技术组建无线传感网络并实现云接入。多个ZigBee传感器节点（环境检测节点、防火节点、防盗节点、生命保障节点）利用传感器实时采集相关数据，并通过点对点无线射频方式将数据发送给ZigBee汇聚节点。汇聚节点接收数据后通过网关、路由器接入新大陆物联网云平台，将数据上传到云端。远程终端（手机或电脑）登录新大陆云平台就可以看到相应数据。系统总体框架图如图1所示。

图1 系统总体框架图

2 系统硬件设计

2.1 ZigBee芯片的选择

CC2530是德州仪器推出的新一代ZigBee片上系统芯片，集成了增强型8051内核和性能优良的射频模块以及其他强大的功能和外设。本文选择256 kB闪存空间的CC2530F256作为控制核心。

2.2 ZigBee传感器节点的设计

在CC2530基础上加上晶振、电源去耦电路、射频电路等外围电路，组成ZigBee核心板。ZigBee核心板的问世为用户开发CC2530提供了便捷。本文选择上海朗译公司生产的ZigBee核心板。将CC2530核心板与传感器等元器件相连，构成ZigBee传感器节点。节点所需电源电压为3.3 V，可用电池供电。

2.2.1 环境检测节点

在家中多处设置环境检测节点，利用DHT11和MQ135检测室内环境。DHT11是一款温度/湿度复合传感器，而MQ135空气质量传感器对氨气、硫化物和苯系蒸汽的灵敏度高，对烟雾和其他有害气体也比较灵敏。DHT11的DATA与CC2530的P1_0相连；MQ135的Aout与CC2530的P0_7引脚相连。如果环境指标异常，通过黄色LED灯进行提醒。为了安装方便，本文选用低电平触发的LED模块。该LED模块只要“-”端得到低电平，便可点亮LED灯。CC2530核心板与传感器、LED模块的连接如图2所示。

图2 环境节点CC2530与其他模块连接图

2.2.2 防火节点

在厨房设置防火检测节点，用MQ2烟雾气敏传感器来检测空气中有无天然气、液化气和烟雾，用火焰传感器（flame）检测有无火焰的紫外线强辐射。若有，则通过蜂鸣器进行报警。为了安装方便，本文选择低电平触发的有源蜂鸣器模块。该蜂鸣器模块只要“-”端得到低电平，便可发出较大鸣叫声。CC2530核心板与传感器、有源蜂鸣器模块（Buzzer）的连接如图3所示。

图3 防火节点CC2530与其他模块连接图

2.2.3 防盗节点

在阳台设置防盗节点，利用HC-SR501人体红外传感器检测有无外人闯入。无人入侵时，HC-SR501的out端输出一个低电平。而有人入侵时，由于人体会产生特定波长的红外线，HC-SR501感应到人体发出的红外信号后，从out输出一个高电平。HC-SR501的out引脚与CC2530的P1_7引脚相连，当P1_7接收到一个高电平时，启动LED模块和蜂鸣器模块进行声光报警。

2.2.4 生命保障节点

为保障老人生命安全，设置了生命保障节点。节点具有摔倒自动报警以及一键紧急求助功能，以挂件或配饰的形式被老人随身佩戴。ADXL345数字式加速度传感器可以检测X轴、Y轴和Z轴3个方向的重力加速度。老人摔倒时，ADXL345检测到的三轴加速度数值发生改变，从而触发蜂鸣器进行报警。如果老人突感不适，对TTP223电容式触摸传感器触摸1 min，同样触发报警。误报警时，可以通过按键取消报警。CC2530核心板与传感器、有源蜂鸣器模块、按键模块（Button）的连接如图4所示。

2.3 ZigBee汇聚节点的设计

将CC2530核心板作为ZigBee汇聚节点，利用CC2530的RF射频模块实现汇聚节点和传感器节点之间的数据通信。汇聚节点收到传感器节点发来的数据后，将数据通过物联网网关、无线路由器上报物联网云平台，实现远程数据查看功能。

2.4 网关

本文选用上海乐鑫公司的ESP8266 12F模块作为网关，该模块内部集成了MCU和TCP/IP协议栈，可以实现串口转WIFI。将ESP8266模块的CH_PD、VCC接3.3 V，将GPI05、GND接地，即可启动模块。将GPI00接地，利用XTCOM_UTIL烧录程序烧写固件ESP_8266_BIN0.92.bin。通过串口发送AT指令实现对ESP8266的控制。发送“AT+CWMODE=1”，将ESP8266设置为STA工作模式，将模块通过路由器连接互联网。发送“AT+RST”，将ESP8266重启。发送“AT+CWJ=‘WIFI名称’+‘WIFI密码’”，将ESP8266连上相应无线路由器。

对ESP8266烧写固件及配置后，将其与汇聚节点的CC2530核心板相连。CC2530的P0_2作为USART0的RX端与ESP8266的TXD相连，P0_3作为USART0的TX端与ESP8266的RXD相连，实现串口转WIFI。ESP8266再通过WIFI信号与无线路由器相连，从而将汇聚节点接入互联网。

3 系统软件设计

3.1 传感器节点软件设计

传感器节点主要负责传感器数据的采集、发送及报警。以环境检测节点为例，CC2530初始化后，按照规定的时序与DHT11进行单总线通信，从DATA总线上得到40位的数据，通过数据处理，得到相应的温度和湿度值。读取MQ135 Aout引脚电压，利用片内ADC进行AD转换，得到空气质量数据。判断采集到的这3个数据是否超标，如果超标，用LED灯进行提示。按照同步头+帧载荷+帧尾的格式，分别将这3个数据封装打包成发送数据帧。启动RF射频模块，通过点对点无线射频通信的方式将数据帧发送至汇聚节点。

3.2 汇聚节点软件设计

传感数据能否上传云平台，汇聚节点至关重要。CC2530初始化后，启动射频模块，查询有无收到传感器节点发来的无线数据。若有，对收到的数据包进行解析、校验。若校验出错，将收到的数据丢弃。若校验正确，从数据包中提取出传感数据，并转换成JSON数据。设置TCP服务器为新大陆云平台服务器（ndp.nlecloud.com），设置TCP服务器端口号为8600，配置WIFI名称和密码。启动ESP8266的TCP客户端功能，建立与TCP服务器的连接。将JSON数据通过串口发送给ESP8266，通过TCP连接，将数据上传云平台服务器。

4 接入nlecloud云平台

为及时了解老人居家动态，将汇聚节点接入nlecloud新大陆物联网云平台。首先登陆http：//www.nlecloud.com，进行注册、登陆。进入“开发者中心”新建项目，输入项目名称、联网方案等信息。添加设备，输入设备名称和设备标识（设备标识必须与汇聚节点程序中定义的设备标识一致），设置通讯协议为TCP。设备添加完成后，自动生成传输密钥，这时应修改汇聚节点程序中的传输密钥，使两者一致。接着为设备添加对应的传感器，输入传感名称、标识名，设置传输类型等，确保标识名与汇聚节点程序中所定义的数据上报变量名一致。这样汇聚节点通过网关、无线路由器接入了nlecloud云平台，传感数据也实时上报云平台。物业工作人员通过电脑或手机登录nlecloud云平台，即可远程查看实时上报数据。发现数据异常时，立即前往老人家里查看，及时排除安全隐患、第一时间进行救助。在外工作的子女看到相应信息后，可以向小区物业和邻居求助。

5 结束语

基于物联网的居家养老看护系统通过对居家环境和老人身体状态进行实时监测，实现对老人的居家看护。针对一些突发安全事件，例如发生火灾、有小偷潜入、突然摔倒且无法动弹、突然身体严重不适，采取自动防火防盗报警、自动跌倒报警和一键紧急求助等方法给出应对，通过声光报警和数据上传云平台这2种方法，有效解决了老人特别是空巢独居老人的生命及财产安全问题。该系统成本低、性能稳定并且安装方便。