江蘇太倉蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院　仲小英

基于物聯(lián)網(wǎng)的居家養(yǎng)老交互式服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

江蘇太倉蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院仲小英

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的交互式居家養(yǎng)老服務(wù)系統(tǒng)總體方案，搭建了硬件平臺(tái)并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了各軟件模塊。該系統(tǒng)以ZigBee平臺(tái)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)跌倒報(bào)警、求助以及對(duì)住宅內(nèi)部環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制住宅內(nèi)部設(shè)備等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)老人安全、健康等問題的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，縮短了老人遇到突發(fā)情況的延誤時(shí)間，及時(shí)保護(hù)老人的生命安全，減輕了子女以及社會(huì)的養(yǎng)老壓力，具有一定的應(yīng)用性。

居家老人；ZigBee；節(jié)點(diǎn)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

目前，中國正經(jīng)歷史上規(guī)模最大、速度最快的老齡化進(jìn)程，而自獨(dú)生子女政策實(shí)行后城市家庭小型化的趨勢(shì)也越來越明顯，子女成人后相繼離開家庭，中老年人獨(dú)守老巢養(yǎng)老，“4-2-1”的家庭格局也導(dǎo)致家庭對(duì)老年人的護(hù)理照料功能逐步弱化，建立以居家為基礎(chǔ)、依托社區(qū)服務(wù)的居家養(yǎng)老模式迫在眉睫。本文主要研究如何將現(xiàn)有的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能終端技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于居家老人服務(wù)，用信息化的手段為居家老人建立一個(gè)智慧居家養(yǎng)老服務(wù)平臺(tái)。通過空巢獨(dú)居老人、子女家庭、醫(yī)療機(jī)構(gòu)和社區(qū)服務(wù)中心的連接，為居家老人提供安全、優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，解決居家老人獨(dú)自在家無人照看而引發(fā)一系列危險(xiǎn)的困擾。

1交互式服務(wù)系統(tǒng)總體方案

據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，社區(qū)居家養(yǎng)老目前所面臨的集中問題是如何能實(shí)時(shí)監(jiān)控老年人的身體健康狀況，面對(duì)老人獨(dú)自在家突發(fā)疾病、摔倒等狀態(tài)能否及時(shí)收到信息怎樣保證老人獨(dú)自在家的防盜措施，保證財(cái)產(chǎn)安全和生命安全不受到不法分子的威脅，遇到火情時(shí)如何及時(shí)發(fā)出火警信號(hào)，第一時(shí)間將險(xiǎn)情控制，保障老人的生命安全，是目前社區(qū)居家養(yǎng)老服務(wù)所必須考慮的，也是外出工作的子女對(duì)老人獨(dú)自在家的顧慮針對(duì)這些問題，本文基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建出以社區(qū)居家養(yǎng)老為主體的交互式養(yǎng)老服務(wù)系統(tǒng)。

系統(tǒng)以空巢獨(dú)居老人家庭終端為最初節(jié)點(diǎn)，以老人子女或社區(qū)監(jiān)護(hù)為二級(jí)節(jié)點(diǎn)，以醫(yī)療機(jī)構(gòu)、社區(qū)第三方服務(wù)平臺(tái)為三級(jí)或四級(jí)節(jié)點(diǎn)，最上層為服務(wù)器控制中心。家庭終端節(jié)點(diǎn)利用各傳感器節(jié)點(diǎn)采集監(jiān)護(hù)老人的信息，由ZigBee協(xié)調(diào)器完成和各子系統(tǒng)之間的連接，由嵌入式Web服務(wù)器通過GPRS、以太網(wǎng)和社區(qū)監(jiān)護(hù)中心連接，子女可通過手機(jī)、平板等智能設(shè)備對(duì)老人進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示?？梢酝ㄟ^佩戴不同的監(jiān)測模塊對(duì)相應(yīng)的生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，如血壓傳感器采用改裝HKB－08血壓監(jiān)測模塊、脈搏和血氧的監(jiān)測采用改裝CMS60C型脈搏血氧儀監(jiān)測模塊［2］、體溫的監(jiān)測采用HKT-09型數(shù)字體溫計(jì)、心率的監(jiān)測采用HKX-08A型心率傳感器等。

2.2跌倒檢測與緊急求助子系統(tǒng)

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2家庭終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

家庭終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要是對(duì)各功能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，按其功能可分為健康監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、跌倒檢測與緊急求助節(jié)點(diǎn)、環(huán)境安全監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和室內(nèi)設(shè)備監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，核心處理器模塊采用兼容Zig Bee協(xié)議的CC2430芯片完成數(shù)據(jù)的傳輸，Zig Bee具有低成本、低功耗等特點(diǎn)，將Zig Bee技術(shù)與傳感器相結(jié)合，可以滿足系統(tǒng)的需求［1］。

2.1老人健康監(jiān)測子系統(tǒng)

老人健康監(jiān)測子系統(tǒng)主要功能是采集人體的生理數(shù)據(jù)指標(biāo)，一般包括：血壓、血糖、心率、體溫、脈搏、血氧等參數(shù)。老人

考慮到監(jiān)護(hù)對(duì)象的移動(dòng)性，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測，故采用可穿戴式跌倒檢測系統(tǒng)，將ADXL345三軸加速傳感器植入到如腕表、拐杖等可穿戴、攜帶的設(shè)備中，過人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)來判斷是否發(fā)生跌倒，一旦發(fā)生跌倒現(xiàn)象，即可實(shí)時(shí)將報(bào)警信號(hào)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

2.3環(huán)境安全監(jiān)測子系統(tǒng)

由于老人大部分時(shí)間都是在屋內(nèi)，室內(nèi)空氣的質(zhì)量，對(duì)老人的身體健康會(huì)產(chǎn)生影響。

本系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測對(duì)象包括溫度、濕度和可燃?xì)怏w，采用溫度傳感器DS18B20，濕度傳感器HS1101和可燃?xì)怏w傳感器MQ-2進(jìn)行監(jiān)測。

2.4室內(nèi)設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)

本系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測的方式對(duì)獨(dú)居老人屋內(nèi)的家用電器進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)由ZigBee無線模塊和繼電器模塊構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)根據(jù)指令對(duì)家電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，幫助行動(dòng)不便的老人遠(yuǎn)程控制家中的主要用電設(shè)備；另外系統(tǒng)通過對(duì)家電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，可對(duì)異常設(shè)備進(jìn)行斷電處理，保證電器設(shè)備用電安全，也可節(jié)約電能損耗。

家庭終端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的主要完成健康監(jiān)測、跌倒檢測與緊急求助、環(huán)境安全監(jiān)測和室內(nèi)設(shè)備無線通信控制等功能。在各傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)時(shí)，各節(jié)點(diǎn)用節(jié)點(diǎn)編號(hào)標(biāo)識(shí)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)是否需要全網(wǎng)唯一取決于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)［3］。由于系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)眾多，可通過設(shè)置唯一地址的節(jié)點(diǎn)來區(qū)分。用戶節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)的，需對(duì)其進(jìn)行定位，可將安全監(jiān)測及設(shè)備監(jiān)控節(jié)點(diǎn)為坐標(biāo)已知的固定節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過接受信號(hào)強(qiáng)度RSSI值進(jìn)行定位計(jì)算，其工作流程如圖2所示。

圖2　終端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流程圖

固定節(jié)點(diǎn)上電后要先初始化、加入Zig Bee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中。然后等待網(wǎng)關(guān)或移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的信息。當(dāng)發(fā)生緊急狀況時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)啟動(dòng)定位服務(wù)，通過與網(wǎng)絡(luò)中的固定節(jié)點(diǎn)通信，獲取其參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值，利用定位算法算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置，最終把計(jì)算出的位置信息及求助信息發(fā)送至社區(qū)服務(wù)中心和監(jiān)護(hù)人手機(jī)終端。

3網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)和上位機(jī)監(jiān)控中心信息匯集的接口，它可將無線傳感網(wǎng)絡(luò)的信息發(fā)送到社區(qū)服務(wù)監(jiān)控中心，也可通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將求助信息傳給子女，反之，也可將上位機(jī)的配置、請(qǐng)求等信息傳遞到無線傳感網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)關(guān)由ZigBee協(xié)調(diào)器、嵌入式web服務(wù)器、GPRS模塊、以太網(wǎng)卡模塊組成，Zig Bee協(xié)調(diào)器與各個(gè)子系統(tǒng)的傳感器相連接組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，接收各個(gè)監(jiān)測子系統(tǒng)的傳感器傳輸過來的數(shù)據(jù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)負(fù)責(zé)各個(gè)子系統(tǒng)之間的連接，再利用嵌入式web服務(wù)器通過GPRS模塊和Internet網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)與上位機(jī)監(jiān)控中心的通信，用戶可使用電腦或手機(jī)、平板等智能終端設(shè)備對(duì)老人進(jìn)行監(jiān)控，其中嵌入式web服務(wù)器采用了飛凌公司的FL2440開發(fā)板。

網(wǎng)關(guān)上電后首先將建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)建立以后將上位機(jī)指定的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置信息發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，之后接收節(jié)點(diǎn)采集和計(jì)算的數(shù)據(jù)并提供給上位機(jī)處理［4］。網(wǎng)關(guān)的主要功能有：無線數(shù)據(jù)收發(fā)功能、串口通信功能、發(fā)送上位機(jī)配置信息功能、求助功能。

圖3　網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)流程圖

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行流程圖如圖3所示，節(jié)點(diǎn)上電后首先將初始化，檢查IEEE地址的有效性，若地址為0XFFFFFFFF，則節(jié)點(diǎn)可獲得一個(gè)隨機(jī)的64位地址值。接著確認(rèn)地址是否有效，節(jié)點(diǎn)會(huì)在DEFAULT_CHANLIST信道中建立網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)指令ZD_APP_CONFIG_PAN_ID獲取PANID，允許其他的節(jié)點(diǎn)加入，隨后網(wǎng)關(guān)將實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)事件的發(fā)生情況。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)通過與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相連接的上位機(jī)軟件監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀況，通過發(fā)送命令的方式來控制節(jié)點(diǎn)或者下達(dá)查詢命令，從而達(dá)到監(jiān)控目的。

4上位機(jī)監(jiān)測中心的設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)測中心通過GPRS模塊或Internet網(wǎng)卡與嵌入式web服務(wù)器連接，上位機(jī)端可利用相關(guān)軟件提供可視化的監(jiān)控界面，實(shí)時(shí)顯示各節(jié)點(diǎn)的位置地址和各傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息。本系統(tǒng)通過MySQL數(shù)據(jù)庫的移植與建立實(shí)現(xiàn)MySQL數(shù)據(jù)庫在嵌入式網(wǎng)關(guān)中的成功運(yùn)行，便于監(jiān)控終端與MySQL數(shù)據(jù)庫通信獲取室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的數(shù)據(jù)及老年人生命體征數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，通過QT圖形用戶界面系統(tǒng)設(shè)計(jì)人機(jī)交互監(jiān)控終端，其中最重要的是解決QT與MySQL的數(shù)據(jù)交換問題。上位機(jī)監(jiān)控軟件通過RS232與Zig Bee網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)了與ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信，監(jiān)控軟件主要是基于串口的操作，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，上位機(jī)界面如圖4所示。

圖4　智能居家養(yǎng)老服務(wù)系統(tǒng)上位機(jī)界面

5結(jié)語

本文從系統(tǒng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三方面設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的智能居家老人服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以有效降低空巢老人獨(dú)居養(yǎng)老的風(fēng)險(xiǎn)，減輕子女和社會(huì)養(yǎng)老的負(fù)擔(dān)。在社會(huì)老齡化日趨嚴(yán)峻的今天，智能社區(qū)居家養(yǎng)老剛剛起步，并且具有廣闊的應(yīng)用前景，值得我們繼續(xù)深入研究。

［1］王中生，楊森等.基于傳感網(wǎng)絡(luò)的居家養(yǎng)老系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2014（22）：97-99

［2］仇明.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能社區(qū)居家養(yǎng)老系統(tǒng) ［J］.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（27）：（63-66）

［3］王婭.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)原則［J］.湖北第二師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（2）：90-92.

［4］徐健，楊珊珊.基于CC2530的Zig Bee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，05：55-57.

［5］李冬，梁山.基于加速度傳感器的老年人跌倒檢測裝置設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，09：85-88.

仲小英，女，江蘇太倉人，1981出生，碩士，講師，研究方向：嵌入式技術(shù)。

本文系2013年院級(jí)青年科研基金項(xiàng)目“太倉城鎮(zhèn)社區(qū)智能居家養(yǎng)老服務(wù)系統(tǒng)的研究”（編號(hào)：2013QNJJ24）的階段性研究果。