摘要：針對(duì)全球老年人口增加帶來的老齡化問題，通過設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套基于ZigBee通信協(xié)議的適老性智能家居系統(tǒng)，以提升老年人生活質(zhì)量。系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器、兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和手機(jī)App三部分組成，具備溫濕度監(jiān)測(cè)、光照檢測(cè)、床墊壓力和加速度監(jiān)測(cè)等多重功能。硬件設(shè)計(jì)上，采用CC2530作為主控制器，保證系統(tǒng)的低功耗和穩(wěn)定性。軟件設(shè)計(jì)上，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制，并支持遠(yuǎn)程通信。期望為智能家居技術(shù)在適老化領(lǐng)域提供了新的應(yīng)用思路。

關(guān)鍵詞：ZigBee通信協(xié)議智能家居系統(tǒng)適老性溫濕度光照Wi-Fi

中圖分類號(hào)：TP399

DesignandResearchofSmartHomeSystemBasedonElderlyPeople

LIUPan1LIANGLipeng2ZHANGXiaocheng1

1.JinzhongCollegeofInformation，JinzhongCity，ShanxiProvince，030800China;2.ShanxiCokingCoalXishanCoalElectricityJinxingEnergyCo.，Ltd.，Lvliang，ShanxiProvince，033602China

Abstract：Inresponsetotheagingissuecausedbytheglobalincreaseintheelderlypopulation，thisarticledesignsandimplementsanelderly-friendlysmarthomesystembasedontheZigBeecommunicationprotocoltoenhancethequalityoflifefortheelderly.Thesystemconsistsof threecomponents：acoordinator，twoterminalnodes，andamobileAPP，withmultiplefunctionssuchastemperatureandhumiditymonitoring，lightdetection，mattresspressureandaccelerationmonitoring.Inhardwaredesign，theCC2530isusedasthemaincontrollertoensurelowpowerconsumptionandstabilityofthesystem.Insoftwaredesign，real-timedetectionandcontrolofenvironmentaldataareachieved，andremotecommunicationissupported.Itisexpectedtoprovidenewapplicationideasforsmarthometechnologyinthefieldofaging-friendlydesigns.

KeyWords：ZigBeecommunicationprotocol;Smarthomesystem;Agingadaptability;Temperatureandhumidity;Illumination;Wi-Fi

全球老年人口不斷增加，導(dǎo)致老齡化問題嚴(yán)重。老年人在日常生活中可能面臨著各種各樣的問題，比如居住環(huán)境不適應(yīng)、生活自理能力下降、健康狀況不穩(wěn)定等挑戰(zhàn)。為解決此問題，適老性智能家居技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

1.1功能與作用

根據(jù)適老性智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能，展開系統(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)，包括溫濕度監(jiān)測(cè)。光照、床墊壓力和加速度監(jiān)測(cè)：利用光照傳感器、床墊壓力傳感器和加速度傳感器，終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)老人活動(dòng)情況的全面監(jiān)測(cè)。這些數(shù)據(jù)傳遞至協(xié)調(diào)器，為家居環(huán)境的智能調(diào)控提供關(guān)鍵信息，以確保老人的安全和健康[2]。

（1）設(shè)備控制：終端節(jié)點(diǎn)通過LED、SG90舵機(jī)和繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的智能控制，如照明、窗簾和空調(diào)。協(xié)調(diào)器接收并執(zhí)行來自終端節(jié)點(diǎn)的控制命令，確保設(shè)備操作的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

（2）Zigbee數(shù)據(jù)通信：為了成功完成低功耗與可靠信息的傳輸，終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間采用Zigbee通信協(xié)議。這確保了家居系統(tǒng)在不犧牲性能的同時(shí)，保持了高效的能耗管理。

（3）遠(yuǎn)程管控：協(xié)調(diào)器通過搭載ESP8266Wi-Fi模塊和移動(dòng)終端App進(jìn)行通信，使用戶能夠通過移動(dòng)終端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)智能家居設(shè)備。這項(xiàng)功能為用戶提供了方便快捷的遠(yuǎn)程管理體驗(yàn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的用戶友好性。

（4）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸：終端節(jié)點(diǎn)需要實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器，以確保系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)老人居住環(huán)境的變化，提供及時(shí)的警報(bào)和通知。

1.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，協(xié)調(diào)器由一個(gè)CC2530主控和一個(gè)ESP8266Wi-Fi遠(yuǎn)程信號(hào)通信模塊組成，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和硬件連接，協(xié)調(diào)器起到了一個(gè)網(wǎng)關(guān)的作用，終端節(jié)點(diǎn)1是由CC2530主控和DHT11溫濕度采集模塊、光照傳感器、壓力傳感器、LED燈、舵機(jī)、繼電器組成，終端節(jié)點(diǎn)2是由CC2530主控和MPU6050加速度傳感器組成。系統(tǒng)設(shè)置有協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)和手機(jī)App三個(gè)部分。

協(xié)調(diào)器同樣采用CC2530作為主控制器，負(fù)責(zé)接收終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并向其發(fā)送控制命令，同時(shí)通過ESP8266Wi-Fi模塊與手機(jī)App通信，方便用戶通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1主控部分設(shè)計(jì)

在適老性智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器模塊均采用CC2530芯片作為主控以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集與無線傳輸。CC2530是德州儀器推出的一款低功耗無線通信，內(nèi)置強(qiáng)大的8位微控制器，支持多種通信協(xié)議，這使得CC2530能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的無線通信，適用于各種遠(yuǎn)距離、低功耗的應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)芯片還具備豐富的外設(shè)接口，包括通用I/O引腳、UART、SPI等，方便與外部設(shè)備和傳感器進(jìn)行連接。CC2530采用低功耗設(shè)計(jì)，有效延長(zhǎng)電池壽命，適用于需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的電池供電設(shè)備。

3.2光照檢測(cè)設(shè)計(jì)

本部分設(shè)計(jì)采用的是光敏電阻進(jìn)行光照檢測(cè)，光敏電阻是光照檢測(cè)電路的核心元件。其電阻值隨著環(huán)境光照的變化而變化。在光照較強(qiáng)時(shí)，電阻值較??；而在光照較弱時(shí)，電阻值較大。在此將電阻R5和光敏電阻D1串聯(lián)，并與GND、VCC連接，其中間點(diǎn)連接CC2530單片機(jī)的P16管腳，當(dāng)環(huán)境光照強(qiáng)度改變時(shí)，光照電阻的電阻值發(fā)生變化，導(dǎo)致光照電阻兩端的電壓發(fā)生變化，這一變化的電壓信號(hào)通過CC2530內(nèi)部ADC實(shí)現(xiàn)光照檢測(cè)，并將其轉(zhuǎn)換為光照強(qiáng)度。當(dāng)光強(qiáng)低于26lux時(shí)燈亮然后窗簾關(guān)閉，老人也可以在手機(jī)App將其打開，方便老人對(duì)燈和窗簾的控制。

2.3溫濕度檢測(cè)設(shè)計(jì)

在適老性智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用DHT11實(shí)現(xiàn)溫濕度檢測(cè)，其cb40a096c20d52a439e5ebe79dff9f862280c0fcf6f9574cf0bb3180467ca531是一種常用于溫濕度檢測(cè)的數(shù)字傳感器，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)和電子項(xiàng)目中。它采用單總線數(shù)字信號(hào)傳輸，并且在硬件上相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低。DHT11溫濕度檢測(cè)電路主要包括傳感器模塊、微控制器以及相關(guān)的電源電路。DHT11可測(cè)量的溫度范圍通常在0～50℃之間，濕度范圍在20%～90%之間。如圖3所示為DHT11檢測(cè)電路圖，通過P00與其數(shù)據(jù)引腳連接。溫濕度傳感器可以在手機(jī)端App查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及時(shí)關(guān)注老人的居住環(huán)境。

2.4無線通信設(shè)計(jì)

在適老性智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，協(xié)調(diào)器通過Wi-Fi模塊與Web端建立數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信。無線通信電路采用ESP8266為核心的Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)無線通信的設(shè)計(jì)要求。ESP8266通過串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，通過連接TX和RX引腳，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與ESP8266之間的數(shù)據(jù)交互。ESP8266的工作電壓通常在3.0～3.6V之間，確保為其提供穩(wěn)定的電源?？梢允褂秒娙轂V波器和穩(wěn)壓器來減小電源噪聲，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖4所示為Wi-Fi通信電路圖，通過P04和P05與ESP8266連接。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1主程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)程序開發(fā)過程中，采用的是CC2530單片機(jī)作為系統(tǒng)主控核心，當(dāng)系統(tǒng)程序啟動(dòng)后，首先完成初始化設(shè)置并建立Zigbee無線通信，實(shí)現(xiàn)環(huán)境內(nèi)的濕度、溫度、光照、壓力、是否移動(dòng)的檢測(cè)與實(shí)時(shí)顯示，并根據(jù)控制命令控制設(shè)備。

3.2溫濕度檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

DHT11是單線通信方式，在此首先需要初始化單片機(jī)的引腳，將其設(shè)置為與DHT11通信所需的輸入輸出模式。然后發(fā)起測(cè)量請(qǐng)求，單片機(jī)通過將引腳拉低20μs，然后再釋放，來發(fā)起DHT11的測(cè)量請(qǐng)求。DHT11在測(cè)量完成后會(huì)通過引腳拉低和拉高的方式響應(yīng)單片機(jī)。再讀取傳感器數(shù)據(jù)，在單片機(jī)接收到DHT11的響應(yīng)后，開始讀取DHT11傳感器返回的40bit數(shù)據(jù)。最后單片機(jī)需要對(duì)接收到的40bit數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際的溫度和濕度數(shù)值。

3.3壓力和光照檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力檢測(cè)程序設(shè)計(jì)中，通過CC2530內(nèi)部ADC實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)檢測(cè)。首先在程序中引入用于ADC庫。通過配置寄存器設(shè)置單片機(jī)引腳，連接到MQ傳感器。然后初始化ADC模塊，配置ADC通道以連接到傳感器。然后在程序中啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，以獲取模擬電壓值。通過相應(yīng)的庫函數(shù)讀取ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果，得到與空氣質(zhì)量相關(guān)的數(shù)字值。通過讀取強(qiáng)度值，進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗团袛?，以確定當(dāng)前環(huán)境的空氣質(zhì)量情況。

3.4 無線通信程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要實(shí)現(xiàn)Wi-Fi通信程序設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)能夠通過無線通信模塊實(shí)現(xiàn)Web端的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)采用的是ESP8266通信模塊，因此只需要通過UART串口發(fā)送AT控制指令對(duì)Wi-Fi通信模塊ESP8266進(jìn)行控制就可以實(shí)現(xiàn)Wi-Fi通信功能，在程序控制上，單片機(jī)在啟動(dòng)UART串口后需要完成對(duì)ESP8266通信模式，Wi-Fi的賬戶、密碼等信息的設(shè)置，然后等待與其進(jìn)行連接，當(dāng)連接成功就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和接收。

4結(jié)語

針對(duì)全球老齡化問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套基于ZigBee通信協(xié)議的適老性智能家居系統(tǒng)，提升老年人的生活質(zhì)量。系統(tǒng)通過溫濕度監(jiān)測(cè)、光照檢測(cè)、床墊壓力和加速度監(jiān)測(cè)等多重功能，全面關(guān)注老年人的居住環(huán)境和生活狀態(tài)。硬件設(shè)計(jì)上，采用CC2530作為主控制器，確保了系統(tǒng)的低功耗和穩(wěn)定性；軟件設(shè)計(jì)上，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制，支持遠(yuǎn)程通信，為用戶提供了方便快捷的遠(yuǎn)程管理體驗(yàn)。

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