周能　張引瓊

摘要：本系統(tǒng)以ARM STM32和無(wú)線射頻模塊nRF24AP2為核心搭建ANT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行老人的生理及生活環(huán)境數(shù)據(jù)采集，將各數(shù)據(jù)通過(guò)射頻模塊實(shí)時(shí)發(fā)送到監(jiān)護(hù)人手機(jī)APP客戶端，APP客戶端負(fù)責(zé)對(duì)老人的生理及生活環(huán)境進(jìn)行分析監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信息的通信、分析和控制，完成了老人的生活環(huán)境調(diào)節(jié)，健康情況分析，危險(xiǎn)預(yù)防警報(bào)，突發(fā)狀況監(jiān)控等基本陪護(hù)功能，在安全護(hù)理領(lǐng)域有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：nRF24AP2；STM32；物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ANT技術(shù)，智能老人陪護(hù)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）14-0179-04

Abstract：This system build the ANT wireless network with the ARM STM32 and wireless radio frequency module nRF24AP2 . This system collects data of old men's physical and living environment through the sensor network node ， sends the data through radio frequency module real-time to guardian mobile phone APP client， the client APP is responsible for the analysis of the old man's physical and living environment monitoring. The whole system has realized the communication of information， analysis and control， completes the old man's living environment， health situation analysis， prevention alarm of the risk， emergency monitoring and other basic functions， the system has high application value in the field of nursing safety.

Key words： nRF24AP2；STM32；Internet of things（IOT）；Wireless Sensor Network（WSN）；ANT technology；Elder care of intelligent system

我國(guó)人口眾多，且進(jìn)入人口老齡化快速發(fā)展階段，到21世紀(jì)中期，我國(guó)老年人將達(dá)到最大值[1]?，F(xiàn)中國(guó)城市老年人空巢家庭（包括獨(dú)居）的比例已達(dá)49.7%，與2000年相比提高了7.7個(gè)百分點(diǎn)，農(nóng)村老人空巢率也達(dá)到38.3%，上升速度比城市更快[2]。 老人的照料和護(hù)理問(wèn)題日益突出，在當(dāng)今硬件制造工業(yè)迅猛發(fā)展及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[3]的大背景下，提出智能老人陪護(hù)系統(tǒng)解決方案是當(dāng)前智慧養(yǎng)老的發(fā)展方向。

通過(guò)調(diào)查分析，老年人主要有以下方面的問(wèn)題：消防安全，人身安全，及時(shí)用藥，疾病突發(fā)，用電安全，生活舒適度，子女與老人的及時(shí)通信等。

本文基于以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于ANT網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線老人數(shù)據(jù)智能采集控制系統(tǒng)，系統(tǒng)分為收發(fā)兩部分，其核心都采用ARM Cortex_m3 系列的STM32F103C8作為處理器，數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)通過(guò)射頻模塊nRF24AP2實(shí)現(xiàn)。并且系統(tǒng)設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交互界面，以移動(dòng)終端設(shè)備（如phone、pad等）作為中央監(jiān)控服務(wù)器設(shè)備，便于本系統(tǒng)使用者實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及結(jié)果分析處理。

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：

1） 檢測(cè)室內(nèi)溫度、濕度、光感、氣體，電壓、噪聲、電器運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)老人居住環(huán)境的監(jiān)控。

2） 檢測(cè)老人身體狀況指標(biāo)（體溫，血壓，心率，運(yùn)動(dòng)速度），位置信息，實(shí)現(xiàn)老人身體健康狀況監(jiān)控。

3） 通過(guò)溫度、濕度、光感、噪聲的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)窗戶窗簾，風(fēng)扇，空調(diào)，LED燈，部分家用電器等可控制設(shè)備的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)老人居住環(huán)境的調(diào)節(jié)。

4） 根據(jù)老人的身體狀況指標(biāo)與醫(yī)學(xué)健康指標(biāo)的對(duì)比，向監(jiān)護(hù)人進(jìn)行提醒警報(bào)，實(shí)現(xiàn)基本的醫(yī)學(xué)監(jiān)控。

5） 根據(jù)老人位置異常狀態(tài)，三軸加速度情況等對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)警報(bào)器開關(guān)和警報(bào)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由上位機(jī)各下位機(jī)兩部分構(gòu)成。

上位機(jī)由核心板和無(wú)線射頻模塊nRF24AP2采集老人生理數(shù)據(jù)及生活環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至過(guò)APP客戶端作相應(yīng)分析處理并顯示結(jié)果，方便監(jiān)護(hù)人進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)信息進(jìn)行控制。

下位機(jī)系統(tǒng)包括四大部分：處理器單元，執(zhí)行單元，傳感器模塊，無(wú)線射頻模塊。由這四大模塊搭建成ANT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[4]。處理器單元為STM32F103C8芯片；執(zhí)行單元連接繼電器等開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)，可通過(guò)上位機(jī)的控制信號(hào)控制電路電器。下位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

傳感器模塊用于構(gòu)建ANT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（簡(jiǎn)稱ANT節(jié)點(diǎn)），傳感器模塊上增加ANT協(xié)議引擎[5]、微處理器組成ANT節(jié)點(diǎn)， 如：開關(guān)節(jié)點(diǎn)、氣體節(jié)點(diǎn)、人體紅外節(jié)點(diǎn)、噪聲、光照和溫濕度節(jié)點(diǎn)、可變電位器節(jié)點(diǎn)、繼電器節(jié)點(diǎn) 、PWM（調(diào)光）節(jié)點(diǎn)，定位節(jié)點(diǎn)，電器運(yùn)行監(jiān)控節(jié)點(diǎn)等。ANT節(jié)點(diǎn)定時(shí)地采集并發(fā)送數(shù)據(jù)到核心模塊。

上位機(jī)處于等待接收信息狀態(tài)，ANT節(jié)點(diǎn)采集到的信息通過(guò)射頻模塊傳送到ANT網(wǎng)絡(luò)上，ANT網(wǎng)絡(luò)中的核心模塊實(shí)時(shí)將接收處理后的各節(jié)點(diǎn)信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位機(jī)客戶端。

一旦上位機(jī)檢測(cè)到數(shù)據(jù)信息異常，立刻發(fā)出異常提醒信息，提示事件處理。如老人體溫不在正常溫度之內(nèi)，上位機(jī)客戶端會(huì)發(fā)出警報(bào)提醒監(jiān)護(hù)人。監(jiān)護(hù)人可以直接進(jìn)行警報(bào)處理，也可以操作上位機(jī)客戶端發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到下位機(jī)的執(zhí)行模塊，觸發(fā)執(zhí)行裝置，執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)老人的陪護(hù)功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接收和傳送系統(tǒng)分別以STMICROELECTRONICS公司的32位ARM處理器STM32F103C8為核心，最高工作頻率可達(dá)72MHz，供電電源3.3V，通過(guò)串口和SPI與射頻模塊連接，實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)和處理器的交互。

2.1 ANT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

ANT無(wú)線技術(shù)是由Nordic，Dynastream等公司發(fā)起并推動(dòng)的超低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)[6]，是以1Mbps的傳輸速率，輕量級(jí)協(xié)議棧，低功耗的基于時(shí)分多址的專屬傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特點(diǎn)是高效，低功耗，無(wú)縫連接。

在本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，綜合比較已有的ANT網(wǎng)絡(luò)方案和Zigbee[7]方案，如表1所示：

ANT無(wú)線技術(shù)在超低功耗，性能，成本及網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)便性等方面均優(yōu)于Zigbee技術(shù)，因此采用ANT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是比較好的選擇。

nRF24AP2是Nordic公司低成本高性能2.4GHz無(wú)線網(wǎng)絡(luò)芯片，可實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離可達(dá)50米，高效GFSK調(diào)制，78個(gè)RF通道，基于nRF24L01和無(wú)線射頻內(nèi)核，其網(wǎng)絡(luò)部署方式多樣化，可組成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，星形或樹形等無(wú)線拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，適合作為ANT網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。

有兩種不同的nRF24AP2型號(hào)分別用來(lái)滿足ANT網(wǎng)絡(luò)中末端節(jié)點(diǎn)以及中心節(jié)點(diǎn)的需求。單通道nRF24AP2-1CH是針對(duì)傳感器應(yīng)用經(jīng)過(guò)成本優(yōu)化和接入靈活的芯片，可作為末端節(jié)點(diǎn)，完成采集數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，上電后，用戶MCU通過(guò)SPI或UART串口對(duì)nRF24AP2-1CH的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行初始化，nRF24AP2-1CH自動(dòng)進(jìn)入低功耗工作模式，發(fā)送，自動(dòng)接收，自動(dòng)喚醒等狀態(tài)；8通道nRF24AP2-8CH是一款針對(duì)集中器類應(yīng)用進(jìn)行過(guò)性能優(yōu)化和使用靈活的芯片，可作為中心節(jié)點(diǎn)，管理多個(gè)末端節(jié)點(diǎn)，具有廣播，應(yīng)答，突發(fā)等多種通信方式，上電后，用戶MCU通過(guò)SPI或UART串口對(duì)nRF24AP2-1CH的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行初始化，nRF24AP2-8CH能自動(dòng)管理網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行各種管理及通信。

2.2 硬件程序設(shè)計(jì)

2.2.1 節(jié)點(diǎn)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸

nRF24AP2模塊單電源1.9-3.6V供電，核心模塊的工作電壓為3.3V，因此射頻模塊和核心模塊可以直接使用串口連接，電路如圖2示。

2.2.2 節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)通信

ANT應(yīng)用層通信由兩個(gè)狀態(tài)機(jī)所組成，第一個(gè)狀態(tài)機(jī)用來(lái)設(shè)置接收通道與各無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)（發(fā)射機(jī)）通信，第二個(gè)狀態(tài)機(jī)用來(lái)處理各個(gè)通道上所接收到的消息數(shù)據(jù)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)類型，通道類型，通道ID，RF射頻鏈路頻率和通道消息周期等基本參數(shù)來(lái)確保與中心節(jié)點(diǎn)的（接收機(jī)）的正確連接及數(shù)據(jù)交換。

根據(jù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功能需求，進(jìn)行中心節(jié)點(diǎn)（接收機(jī)）的初始化。由于各個(gè)通道配置是獨(dú)立的，需要對(duì)每個(gè)獨(dú)立通道進(jìn)行單獨(dú)的配置和設(shè)定參數(shù)，本系統(tǒng)中，中心節(jié)點(diǎn)的nRF24AP2-8CH設(shè)置為各獨(dú)立通道上的雙向主接收通道類型，主要為前向接收數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以反向通道發(fā)送數(shù)據(jù)。初始化操作如下圖3所示。

根據(jù)功能的要求，對(duì)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)（發(fā)射機(jī)）進(jìn)行初始化操作。無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)上使用nRF24AP2-1CH芯片與中心節(jié)點(diǎn)以獨(dú)立通道通信，本系統(tǒng)的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)中，nRF24AP2-1CH設(shè)置為獨(dú)立通道上的雙向主發(fā)送通道類型。當(dāng)所有的通道成功開啟后。中心節(jié)點(diǎn)（接收機(jī)）上的微處理器將進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，并等待來(lái)自無(wú)線傳感器的消息數(shù)據(jù)。每當(dāng)微處理器接收到無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)（發(fā)射機(jī)）的消息數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)行ANT通道事件響應(yīng)處理。ANT中心節(jié)點(diǎn)在搜索和配對(duì)時(shí)使用鄰近搜索算法[8]，鄰近搜索可以通過(guò)限制設(shè)備與從設(shè)備的相對(duì)距離搜索來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)備配對(duì)的過(guò)程，指定一個(gè)鄰近的環(huán)，允許從設(shè)備與多個(gè)可用主設(shè)備中最接近的相配對(duì)，從機(jī)將自動(dòng)識(shí)別并連接到第一個(gè)滿足搜索條件的主機(jī)，該算法的優(yōu)點(diǎn)是不需要任何的用戶交互，適合于擁擠的多用戶環(huán)境，放在一個(gè)具有高密度類似主機(jī)節(jié)點(diǎn)或高密度獨(dú)立ANT網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域，對(duì)搜索有更多的控制。

ANT通道中主機(jī)（發(fā)射機(jī)）定時(shí)發(fā)送廣播信息給從機(jī)（接收機(jī)），數(shù)據(jù)廣播過(guò)程如下：

1）主機(jī)微處理器用ANT_SendBroadcastData（）將數(shù)據(jù)發(fā)送到ANT，ANT將數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)；

2）ANT通過(guò)RF通道發(fā)送數(shù)據(jù)出去，并向主機(jī)微處理器返回一個(gè)ECENT_TX通道事件函數(shù)，表明ANT已經(jīng)準(zhǔn)備好接收新數(shù)據(jù)；

3）從機(jī)的ANT接收到主機(jī)發(fā)射的數(shù)據(jù)，它將用ChannelEventFunc（）通知并發(fā)送數(shù)據(jù)給從機(jī)微處理器，從機(jī)可選擇是否反向回送數(shù)據(jù)。如果反向回送數(shù)據(jù)，則從機(jī)微處理器收到ChannelEventFunc（）消息，主機(jī)微處理器將收到ECENT_TX。

2.2.3人機(jī)交互

ANT無(wú)線傳輸器網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)ANT節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，以嵌入8通道ANT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)芯片網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為ANT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，每個(gè)中心節(jié)點(diǎn)可多達(dá)與8個(gè)ANT傳感器節(jié)點(diǎn)通信。系統(tǒng)設(shè)置有簇中心節(jié)點(diǎn)[9]，簇中心節(jié)點(diǎn)作用是將中心節(jié)點(diǎn)組在WSN網(wǎng)絡(luò)，并且將從采集中心節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)打包封裝。簇中心節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)推送到手機(jī)APP客戶端進(jìn)行處理。如果APP檢測(cè)到數(shù)據(jù)異常，立刻發(fā)出警報(bào)提醒。用戶可操作手機(jī)APP向控制系統(tǒng)發(fā)送命令來(lái)觸發(fā)執(zhí)行裝置進(jìn)行警報(bào)處理。

2.3軟件APP的設(shè)計(jì)

2.3.1前端總體設(shè)計(jì)

APP客戶端中設(shè)有主從界面兩部分，主界面為老人陪護(hù)的功能界面，主界面有身體狀況指標(biāo)、居住環(huán)境、安全狀況等方面的動(dòng)態(tài)更新顯示；從界面為陪護(hù)系統(tǒng)的控制界面，可發(fā)送指令進(jìn)行控制監(jiān)護(hù)。

程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示：

2.3.2線程詳細(xì)描述

1） ElderCareActivity ：主界面Activity ，顯示處理信息結(jié)果。

2） NodeDataActivity：從界面Activity，顯示詳細(xì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備采集信息和控制按鍵。

3） NodeReadThread線程 ：采集線程：當(dāng)啟動(dòng)NodeReadThread線程，執(zhí)行run方法，run方法先通過(guò)running判斷是否執(zhí)行讀操作，如果running為true，進(jìn)行對(duì)設(shè)備讀操作，判斷NodeHandlerThread處理線程是否創(chuàng)建，未創(chuàng)建則創(chuàng)建并將讀出的數(shù)據(jù)傳給NodeHandlerThread，并啟動(dòng)線程，循環(huán)執(zhí)行。如圖5所示：

4） NodeHandlerThread線程：處理線程：當(dāng)MainReadThread線程將讀取的數(shù)據(jù)傳到MainHandlerThread后，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性認(rèn)證，如果數(shù)據(jù)有誤，使用handler傳遞發(fā)送給ElderCareActivity 即主界面UI線程，進(jìn)行處理；如果數(shù)據(jù)無(wú)誤，判斷數(shù)據(jù)類型并使用handler傳遞，發(fā)送給ElderCareActivity 進(jìn)行處理。

5） NodeWriteThread線程：控制線程：負(fù)責(zé)執(zhí)行設(shè)備控制的命令，使用線程可以使程序多次獨(dú)立執(zhí)行，不被影響。

2.4 傳輸協(xié)議模塊設(shè)計(jì)

由傳感器模塊構(gòu)成各類傳感器結(jié)點(diǎn)，在各節(jié)點(diǎn)上編程設(shè)置心跳間隔，即以一定的時(shí)間間隔推送傳感器采集的數(shù)據(jù)到中心節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)的收發(fā)格式如表2所示。

以噪聲、光照和溫濕度節(jié)點(diǎn)為例：

設(shè)置無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的接口IP為192.168.1.11，UDP端口為8080，使用TCP/UDP Socket調(diào)試工具進(jìn)行噪聲、光照和溫濕度節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試，如圖6所示。

執(zhí)行模塊的主要作用是驅(qū)動(dòng)繼電器工作[10]，通過(guò)繼電器的開合控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電器，傳感，語(yǔ)音設(shè)備的控制。驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。

其中，IO5，IO6是控制信號(hào)輸入，Q1，Q2是功率放大級(jí)，D5用來(lái)保護(hù)驅(qū)動(dòng)二級(jí)管，防止擊穿損壞。

通過(guò)GPIO口輸出控制信號(hào)，從而控制繼電器的狀態(tài)。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)利用ANT技術(shù)構(gòu)建的智能老人陪護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一定的陪護(hù)功能。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)注重低功耗設(shè)計(jì)，采用超低功耗的nRF24AP2射頻芯片，通過(guò)修改相關(guān)控制寄存器標(biāo)志位使主控板和射頻模塊處于低功耗模式[11]，低功耗設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)工作時(shí)間更長(zhǎng)，減弱因電量不足對(duì)系統(tǒng)的影響，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和用戶體驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊化、節(jié)點(diǎn)化，有利于數(shù)據(jù)采集的靈活性，準(zhǔn)確性，提高了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可靠度。系統(tǒng)以幫助子女看護(hù)老人為目的，打破了地域的限制，實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)交互，為老人提供智能化的生活，為老人子女發(fā)展事業(yè)的同時(shí)兼顧照顧父母，同時(shí)，稍作修改可適應(yīng)于智能家居[12]等方向，應(yīng)用前景良好，具有推廣價(jià)值。

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