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2016年10月12日 星期三




The soft side of robots: elderly care  


RS-232/422/485串列設備立即連網


 來源:大连海事大学信息科学技术学院 
作者:沈 露 王 琳 黄 武 史智慧 杜文芳 杨天冉

隨著社會經濟的發展,人口流動性加大,家庭結構也在不斷發生改變,越來越多的老年人單獨居住,無人照料。


據對岸中國第六次人口普查數據顯示,在有老年人的家庭中,空巢家庭佔比已達到31.77%,伴隨老齡化程度的加深,空巢家庭的比重仍會迅速上升,同時老人的健康情況,也會限制其子女的就業選擇,與工作時長,老年人的安全監護問題,己成為社會關注的焦點。

目前,基於GSM的老人遠端監護系統,在中國得到推廣,基於圖像理解的家庭監護技術,也在國際市場上展開研究。然而,這些方法往往因為救助不及時,或是老人病發時失去求救能力,而錯過最佳的救治時間,給家人帶來遺憾。

本文針對空巢老人的安全監護問題,設計了基於ZigBee和LabVIEW的社區空巢老人室內監護與報警系統。此系統以社區為單位對空巢老人,進行統一的日常監護,實現跌倒檢測、脈搏檢測、求助報警、室內安全監測,以及進門人員身份辨識等多種功能,從多個角度關注老人的安全和健康狀況,使子女在外更加安心。


1 系統總體設計
社區空巢老人監護系統由終端節點、ZigBee網路和社區監護中心三部分組成。

(1)終端節點。終端節點由型動式監護器、智慧家居傳感器、RFID門禁模組和ZigBee模組構成,分別放置在老人身上、廚房、房門等位置,用來即時採集室內監護的各項數據。這些數據經單片機處理後,通過ZigBee模組發送到無線通信網路。

(2)ZigBee網路。採用ZigBee協議,構建網狀型拓撲結構,與用戶端的ZigBee節點,共同完成用戶端向社區監護中心無線傳輸數據的功能。

(3)社區監護中心。基於LabVIEW平台構建監護中心上位機系統,通過RS232串口,即時接收各個用戶單元發送的數據,同時儲存並顯示各用戶的情況。一旦發生異常,系統會向監護人員發出警報,由監護人員確認老人的情況,並及時採取措施進行處理。

系統總體結構示意圖如圖1所示。
基于ZigBee和LabVIEW的社区空巢老人监护系统设计
  
2 系統硬體設計
本系統的硬體設計包括,用戶端硬體設計和ZigBee網路節點硬體設計,共同完成監護參數的數據採集和無線傳輸。

2.1 用戶端  
用戶端作為監護系統的終端節點,主要完成空巢老人身體狀況檢測、家庭安防智慧監控,以及進門人員的身份辨識等功能。用戶端分為行動式監護儀、廚房燃氣等檢測儀和入戶門禁模組。


(1)行動式監護儀。老人隨身攜帶的移動式監護儀終端節點,以STM32為核心,配以加速度傳感器、脈搏傳感器、報警按鈕和無線發射模塊,實現跌倒檢測、脈搏監測和求助報警等功能。圖2為監護儀硬體結構框圖。

其中,加速度傳感器MPU6050,用於老人的跌倒檢測,當人在直立或行走時,z軸的加速度接近g,x軸和y軸加速度約為0,而摔倒時三個軸向的加速度,均會發生明顯變化,通過與設定閾值比較,可以判斷是否有跌倒發生。

脈搏傳感器(pulse sensor)是一款,用於脈搏心率測量的光電反射式類比傳感器,將其佩戴於手指或耳垂處,通過單片機處理,可將採集到的類比信號轉化為數位信號,並得到人體的心率數值;報警按鈕用來處理緊急事件,當突發疾病或有意外發生時,老人可以通過監護儀上的緊急報警按鈕,主動向小區監護中心發出警報求助信號;無線收發模組NRF24L01外形小巧,作為無線發射模組,可以減小監護儀的體積,更加便於攜帶,它將監護儀採集到的數據,發送給與ZigBee節點相連的無線接收模組,再通過ZigBee節點傳送到ZigBee網路中,從而實現無線傳輸的目的。

基于ZigBee和LabVIEW的社区空巢老人监护系统设计
  
(2)燃氣檢測儀和溫濕度檢測儀。在廚房安裝的溫濕度檢測模組和燃氣檢測模組,作為系統的終端節點,具有監測室內安全的功能。隨著生活水平的發展和電子資訊技術的進步,越來越多的家庭使用家庭監控系統,對家居進行智慧監控。

而老年人隨著年齡的增長,聽覺和嗅覺等均發生退化,記憶力不斷下降,當室內出現安全隱憂時,往往很難察覺,因此家庭的智慧監控,更應該普及到空巢家庭中。

本系統選用煙霧氣敏傳感器MQ-2,和溫濕度傳感器DHT11監測廚房的燃氣濃度,和各房間的溫濕度,各模組以支持ZigBee協議的CC2430作為核心晶片。

CC2430片具備MCS-51內核、EEPROM、非易失性儲存器和多種IO接口,既可以完成普通單片機的所有工作,又能使用片內的無線收發組件,完成所有有關ZigBee網路傳輸的工作,將傳感器節點採集的數據,進行處理並傳輸。


(3)入戶門禁模組。安裝在門上的基於射頻辨識技術的門禁模組,作為系統的終端節點,主要由射頻卡、讀卡機、電磁鎖和ZigBee模組組成。

當用戶進門時,射頻卡靠近讀卡器,其中的ID卡號被讀卡器讀取後,送入ZigBee模組中的CC2430晶片中,通過單片機核對處理,確定卡號的進門權限,從而決定電磁鎖是否開啓。當該用戶在監護中心產生報警時,監護中心會向門禁控制模組發出指令,更改儲存在單片機中的門禁白名單,使擁有「萬能鑰匙」的監護人員能夠進入用戶家中,對老人予以救助。

2.2 ZigBee通信網路
ZigBee技術是一種近距離、低複雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術,還具有多種組網方式,和靈活的網路拓撲結構,非常適合於低功耗、低速率的監視或傳感網路。

ZigBee網路包含三種類型的節點:協調器、路由器和終端設備。其中,協調器負責啓動、配置、協調整個ZigBee無線網路,並把採集到的數據,通過有線或無線的方式發送至監護中心,路由器主要實現擴展網路的功能,而網路中的終端設備既可以負責採集數據,並傳輸給上位機進行數據處理,也可以作為路由節點傳遞其他節點的數據。


在本系統的ZigBee網路中,每個終端節點將採集到的監護數據,發送給路由器節點,路由器節點根據路由算法選擇最佳通信路徑,通過其它的路由節點,把數據傳送給協調器,網路協調器則通過RS232串口和PC機連接,實現數據的無線傳輸。

3 系統軟體設計
系統的軟體設計,包括下位機軟體設計和上位機軟體設計兩部分。

3.1 下位機軟體設計
系統下位機軟體設計是以Z—Stack協議棧為基礎,從終端節點到協調器節點,進行整個網路的組建。下位機軟體主要包括:ZigBee網路中終端節點的數據採集程序,和協調器的網路配置,與數據傳輸程序兩部分。

ZigBee協調器節點和終端節點的程序流程圖,如圖3所示。

基于ZigBee和LabVIEW的社区空巢老人监护系统设计
  
3.2 上位機軟體設計
LabVIEW是美國NI公司基於G語言,開發的一種虛擬儀器平台,具有友好的圖形界面,強大的數據處理功能和豐富的庫函數。本系統基於LabVIEW平台設計上位機程序,實現用戶資訊管理、傳感器節點監視、測量閾值設置,以及報警記錄查詢等功能,大大縮短了系統的開發週期。

監護系統中個人用戶監測界面如圖4所示,當有報警發生時,進入系統辨識出的報警用戶的監測介面,就可以查看該用戶終端節點的報警來源,以便監護人員採取措施進行相應處理。

基于ZigBee和LabVIEW的社区空巢老人监护系统设计
  
在本系統中,LabVIEW通過VISA節點,與串行接口儀器進行通信。在進行串口通信前,首先要配置好串口,使計算機串口的參數與儀器設備保持一致,才能正確的通信,然後讀取緩衝區的字節,根據已設置好的傳輸協議,將各節點的資訊提取出來,編程實現數據處理。

經過LabVIEW處理後的人體心率即時數據如圖5所示,當老人的心率數值超過設定閾值,就會向社區的監護人員發出警報。


另外,在本系統中,用戶個人資訊的管理、閾值設置,以及報警記錄的查詢等,都需要通過讀寫數據庫來實現。LabVIEW通過LabSQL訪問包,將資訊存入Access數據庫中,實現監護人員的查詢與調用。

基于ZigBee和LabVIEW的社区空巢老人监护系统设计

4 實驗結果
為了測試本監護系統的性能,本文利用校園模擬社區環境:宿舍模擬住戶,用於採集終端節點的數據;實驗室模擬監護中心,用於接收終端節點數據,並在上位機進行分析處理、數據顯示等;同時在室外固定放置一定數量的路由節點,進行信號的無線傳輸。加速度、脈搏、煙霧和溫濕度傳感器節點的實驗測試數據,如表1所示。

基于ZigBee和LabVIEW的社区空巢老人监护系统设计
  
實驗結果表明,監護中心與終端節點的數據通信即時、高效,傳感器數據採集,和報警的準確性較高。整個監護系統在數據採集、數據處理、救助資訊發佈等方面的反應時間及準確率,已達到救援資訊反應的基本要求。

5 結論
本文基於LabVIEW平台和ZigBee技術,設計構建了社區空巢老人監護系統,重點介紹了終端節點的硬體設計和監護平台的軟體設計,實現了對老人身體狀況和室內安全監測的功能,降低了老人發生事故的風險。

實驗證明,多種類型傳感器節點,能準確地從多個角度對老人進行監護,提高監護系統的可靠性,增加安全系數;採用基於ZigBee技術的無線傳感網路,使傳感節點的佈置方式和使用更加靈活,同時ZigBee的自組織、自愈、便於維護等特點,提高了整個網路的擴展性;由社區監護中心統一管理和監護老人,可以節約資源、節省財力,而且實時高效。


本設計符合設備自動化與智慧化的發展趨勢,也反應了「養老社區化」的趨勢潮流政策,具有良好的的市場前景和經濟效益。

本系統己基本實現空巢老人室內安全監護的主要功能,為了實現對空巢老人全方位的監護,以及向產品化邁進,下一步的研究工作主要解決以下問題:

1)本系統所用傳感器有限,將增加檢測生理參數,和智慧家居的傳感器,從多方面監護空巢老人的安全;

2)本文研究內容主要是空巢老人室內安全監護,下一步的工作將把本系統的監護範圍擴展到室外;

3)基於LabVIEW平台建立模擬社區環境的3D實景圖,實現監護系統對被監護對象的可視化空間定位,方便社區監護人員快速到達事發地點。

                                                                                                                                                                                                                            


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