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。
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。
(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晶片具備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。
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。
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。
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。
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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