基于物联网的居家养老交互式服务系统的设计

2016-08-16江苏太仓苏州健雄职业技术学院仲小英

河北农机 2016年4期

江苏太仓苏州健雄职业技术学院　仲小英

江苏太仓苏州健雄职业技术学院仲小英

本文设计了一种基于物联网的交互式居家养老服务系统总体方案，搭建了硬件平台并设计实现了各软件模块。该系统以ZigBee平台为基础，实现跌倒报警、求助以及对住宅内部环境参数监测、远程控制住宅内部设备等功能，实现了对老人安全、健康等问题的远程监护，缩短了老人遇到突发情况的延误时间，及时保护老人的生命安全，减轻了子女以及社会的养老压力，具有一定的应用性。

居家老人；ZigBee；节点；无线传感网络

目前，中国正经历史上规模最大、速度最快的老龄化进程，而自独生子女政策实行后城市家庭小型化的趋势也越来越明显，子女成人后相继离开家庭，中老年人独守老巢养老，“4-2-1”的家庭格局也导致家庭对老年人的护理照料功能逐步弱化，建立以居家为基础、依托社区服务的居家养老模式迫在眉睫。本文主要研究如何将现有的移动互联网和智能终端技术相结合应用于居家老人服务，用信息化的手段为居家老人建立一个智慧居家养老服务平台。通过空巢独居老人、子女家庭、医疗机构和社区服务中心的连接，为居家老人提供安全、优质的服务，解决居家老人独自在家无人照看而引发一系列危险的困扰。

1交互式服务系统总体方案

据调研统计，社区居家养老目前所面临的集中问题是如何能实时监控老年人的身体健康状况，面对老人独自在家突发疾病、摔倒等状态能否及时收到信息怎样保证老人独自在家的防盗措施，保证财产安全和生命安全不受到不法分子的威胁，遇到火情时如何及时发出火警信号，第一时间将险情控制，保障老人的生命安全，是目前社区居家养老服务所必须考虑的，也是外出工作的子女对老人独自在家的顾虑针对这些问题，本文基于物联网构建出以社区居家养老为主体的交互式养老服务系统。

系统以空巢独居老人家庭终端为最初节点，以老人子女或社区监护为二级节点，以医疗机构、社区第三方服务平台为三级或四级节点，最上层为服务器控制中心。家庭终端节点利用各传感器节点采集监护老人的信息，由ZigBee协调器完成和各子系统之间的连接，由嵌入式Web服务器通过GPRS、以太网和社区监护中心连接，子女可通过手机、平板等智能设备对老人进行监控。系统整体结构如图1所示。可以通过佩戴不同的监测模块对相应的生理参数进行监测，如血压传感器采用改装HKB－08血压监测模块、脉搏和血氧的监测采用改装CMS60C型脉搏血氧仪监测模块［2］、体温的监测采用HKT-09型数字体温计、心率的监测采用HKX-08A型心率传感器等。

2.2跌倒检测与紧急求助子系统

图1　系统整体结构图

2家庭终端节点的设计

家庭终端节点设计主要是对各功能节点的设计，按其功能可分为健康监测节点、跌倒检测与紧急求助节点、环境安全监测节点和室内设备监控节点，核心处理器模块采用兼容Zig Bee协议的CC2430芯片完成数据的传输，Zig Bee具有低成本、低功耗等特点，将Zig Bee技术与传感器相结合，可以满足系统的需求［1］。

2.1老人健康监测子系统

老人健康监测子系统主要功能是采集人体的生理数据指标，一般包括：血压、血糖、心率、体温、脉搏、血氧等参数。老人

考虑到监护对象的移动性，为了实现实时检测，故采用可穿戴式跌倒检测系统，将ADXL345三轴加速传感器植入到如腕表、拐杖等可穿戴、携带的设备中，过人体运动参数来判断是否发生跌倒，一旦发生跌倒现象，即可实时将报警信号发送给网关。

2.3环境安全监测子系统

由于老人大部分时间都是在屋内，室内空气的质量，对老人的身体健康会产生影响。

本系统对室内环境监测对象包括温度、湿度和可燃气体，采用温度传感器DS18B20，湿度传感器HS1101和可燃气体传感器MQ-2进行监测。

2.4室内设备监控子系统

本系统通过远程控制、远程监测的方式对独居老人屋内的家用电器进行监控。监控节点由ZigBee无线模块和继电器模块构成，节点根据指令对家电设备进行远程控制，帮助行动不便的老人远程控制家中的主要用电设备；另外系统通过对家电设备运行状态进行远程监测，可对异常设备进行断电处理，保证电器设备用电安全，也可节约电能损耗。

家庭终端网络节点的主要完成健康监测、跌倒检测与紧急求助、环境安全监测和室内设备无线通信控制等功能。在各传感器节点组网时，各节点用节点编号标识，节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议的设计［3］。由于系统中节点众多，可通过设置唯一地址的节点来区分。用户节点是移动的，需对其进行定位，可将安全监测及设备监控节点为坐标已知的固定节点，移动节点通过接受信号强度RSSI值进行定位计算，其工作流程如图2所示。

图2　终端网络节点流程图

固定节点上电后要先初始化、加入Zig Bee协调器节点网络中。然后等待网关或移动节点发来的信息。当发生紧急状况时，系统实时启动定位服务，通过与网络中的固定节点通信，获取其参考节点坐标值，利用定位算法算出移动节点的位置，最终把计算出的位置信息及求助信息发送至社区服务中心和监护人手机终端。

3网关节点的设计

网关节点是无线传感网络、GPRS网络、以太网和上位机监控中心信息汇集的接口，它可将无线传感网络的信息发送到社区服务监控中心，也可通过GPRS网络将求助信息传给子女，反之，也可将上位机的配置、请求等信息传递到无线传感网络中。网关由ZigBee协调器、嵌入式web服务器、GPRS模块、以太网卡模块组成，Zig Bee协调器与各个子系统的传感器相连接组成无线传感网络，接收各个监测子系统的传感器传输过来的数据信号，实现负责各个子系统之间的连接，再利用嵌入式web服务器通过GPRS模块和Internet网卡实现子系统与上位机监控中心的通信，用户可使用电脑或手机、平板等智能终端设备对老人进行监控，其中嵌入式web服务器采用了飞凌公司的FL2440开发板。

网关上电后首先将建立ZigBee无线网络，在网络建立以后将上位机指定的相关网络节点配置信息发送给相应的节点，之后接收节点采集和计算的数据并提供给上位机处理［4］。网关的主要功能有：无线数据收发功能、串口通信功能、发送上位机配置信息功能、求助功能。

图3　网关节点流程图

网关节点运行流程图如图3所示，节点上电后首先将初始化，检查IEEE地址的有效性，若地址为0XFFFFFFFF，则节点可获得一个随机的64位地址值。接着确认地址是否有效，节点会在DEFAULT_CHANLIST信道中建立网络，并根据指令ZD_APP_CONFIG_PAN_ID获取PANID，允许其他的节点加入，随后网关将实时监测网络中节点事件的发生情况。

无线传感网络通过与网关节点相连接的上位机软件监控网络中节点的运行状况，通过发送命令的方式来控制节点或者下达查询命令，从而达到监控目的。

4上位机监测中心的设计

上位机监测中心通过GPRS模块或Internet网卡与嵌入式web服务器连接，上位机端可利用相关软件提供可视化的监控界面，实时显示各节点的位置地址和各传感器采集到的数据信息。本系统通过MySQL数据库的移植与建立实现MySQL数据库在嵌入式网关中的成功运行，便于监控终端与MySQL数据库通信获取室内环境质量的数据及老年人生命体征数据等数据，通过QT图形用户界面系统设计人机交互监控终端，其中最重要的是解决QT与MySQL的数据交换问题。上位机监控软件通过RS232与Zig Bee网关实现互联，从而实现了与ZigBee无线传感网络的数据通信，监控软件主要是基于串口的操作，实现上下位机的数据通信，上位机界面如图4所示。