基于ANT网络的智能老人陪护系统设计

周能　张引琼

摘要：本系统以ARM STM32和无线射频模块nRF24AP2为核心搭建ANT无线网络，通过传感器网络节点进行老人的生理及生活环境数据采集，将各数据通过射频模块实时发送到监护人手机APP客户端，APP客户端负责对老人的生理及生活环境进行分析监控。整个系统实现了信息的通信、分析和控制，完成了老人的生活环境调节，健康情况分析，危险预防警报，突发状况监控等基本陪护功能，在安全护理领域有较高的应用价值。

关键词：nRF24AP2；STM32；物联网；无线传感器网络；ANT技术，智能老人陪护系统

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：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

我国人口众多，且进入人口老龄化快速发展阶段，到21世纪中期，我国老年人将达到最大值[1]。现中国城市老年人空巢家庭（包括独居）的比例已达49.7%，与2000年相比提高了7.7个百分点，农村老人空巢率也达到38.3%，上升速度比城市更快[2]。 老人的照料和护理问题日益突出，在当今硬件制造工业迅猛发展及物联网技术[3]的大背景下，提出智能老人陪护系统解决方案是当前智慧养老的发展方向。

通过调查分析，老年人主要有以下方面的问题：消防安全，人身安全，及时用药，疾病突发，用电安全，生活舒适度，子女与老人的及时通信等。

本文基于以上问题，设计了基于ANT网络的无线老人数据智能采集控制系统，系统分为收发两部分，其核心都采用ARM Cortex_m3 系列的STM32F103C8作为处理器，数据的无线收发通过射频模块nRF24AP2实现。并且系统设计了友好的人机交互界面，以移动终端设备（如phone、pad等）作为中央监控服务器设备，便于本系统使用者实时监控数据及结果分析处理。

本系统主要实现了以下功能：

1） 检测室内温度、湿度、光感、气体，电压、噪声、电器运行情况，实现室内老人居住环境的监控。

2） 检测老人身体状况指标（体温，血压，心率，运动速度），位置信息，实现老人身体健康状况监控。

3） 通过温度、湿度、光感、噪声的数据来对应调节窗户窗帘，风扇，空调，LED灯，部分家用电器等可控制设备的状态，实现室内老人居住环境的调节。

4） 根据老人的身体状况指标与医学健康指标的对比，向监护人进行提醒警报，实现基本的医学监控。

5） 根据老人位置异常状态，三轴加速度情况等对应调节警报器开关和警报。

1 系统构成

系统由上位机各下位机两部分构成。

上位机由核心板和无线射频模块nRF24AP2采集老人生理数据及生活环境监测数据，并将数据实时传输至过APP客户端作相应分析处理并显示结果，方便监护人进行监测，并根据信息进行控制。

下位机系统包括四大部分：处理器单元，执行单元，传感器模块，无线射频模块。由这四大模块搭建成ANT无线网络[4]。处理器单元为STM32F103C8芯片；执行单元连接继电器等开关控制节点，可通过上位机的控制信号控制电路电器。下位机结构框图如图1所示。

传感器模块用于构建ANT无线网络节点（简称ANT节点），传感器模块上增加ANT协议引擎[5]、微处理器组成ANT节点， 如：开关节点、气体节点、人体红外节点、噪声、光照和温湿度节点、可变电位器节点、继电器节点 、PWM（调光）节点，定位节点，电器运行监控节点等。ANT节点定时地采集并发送数据到核心模块。

上位机处于等待接收信息状态，ANT节点采集到的信息通过射频模块传送到ANT网络上，ANT网络中的核心模块实时将接收处理后的各节点信息通过互联网络发送到上位机客户端。

一旦上位机检测到数据信息异常，立刻发出异常提醒信息，提示事件处理。如老人体温不在正常温度之内，上位机客户端会发出警报提醒监护人。监护人可以直接进行警报处理，也可以操作上位机客户端发出控制信号，通过互联网络发送到下位机的执行模块，触发执行装置，执行相应任务，来实现老人的陪护功能。

2 系统设计

接收和传送系统分别以STMICROELECTRONICS公司的32位ARM处理器STM32F103C8为核心，最高工作频率可达72MHz，供电电源3.3V，通过串口和SPI与射频模块连接，实现收发数据和处理器的交互。

2.1 ANT无线网络设计

ANT无线技术是由Nordic，Dynastream等公司发起并推动的超低功耗无线网络标准[6]，是以1Mbps的传输速率，轻量级协议栈，低功耗的基于时分多址的专属传感器网络技术，特点是高效，低功耗，无缝连接。

在本系统的实现中，综合比较已有的ANT网络方案和Zigbee[7]方案，如表1所示：

ANT无线技术在超低功耗，性能，成本及网络实现的简便性等方面均优于Zigbee技术，因此采用ANT无线网络是比较好的选择。

nRF24AP2是Nordic公司低成本高性能2.4GHz无线网络芯片，可实现高速率的数据传输，传输距离可达50米，高效GFSK调制，78个RF通道，基于nRF24L01和无线射频内核，其网络部署方式多样化，可组成点对点，星形或树形等无线拓扑网络，适合作为ANT网络的节点。

有两种不同的nRF24AP2型号分别用来满足ANT网络中末端节点以及中心节点的需求。单通道nRF24AP2-1CH是针对传感器应用经过成本优化和接入灵活的芯片，可作为末端节点，完成采集数据的无线传输，上电后，用户MCU通过SPI或UART串口对nRF24AP2-1CH的网络参数进行初始化，nRF24AP2-1CH自动进入低功耗工作模式，发送，自动接收，自动唤醒等状态；8通道nRF24AP2-8CH是一款针对集中器类应用进行过性能优化和使用灵活的芯片，可作为中心节点，管理多个末端节点，具有广播，应答，突发等多种通信方式，上电后，用户MCU通过SPI或UART串口对nRF24AP2-1CH的网络参数进行初始化，nRF24AP2-8CH能自动管理网络，并对各个节点进行各种管理及通信。

2.2 硬件程序设计

2.2.1 节点内数据传输

nRF24AP2模块单电源1.9-3.6V供电，核心模块的工作电压为3.3V，因此射频模块和核心模块可以直接使用串口连接，电路如图2示。

2.2.2 节点间数据通信

ANT应用层通信由两个状态机所组成，第一个状态机用来设置接收通道与各无线传感器节点（发射机）通信，第二个状态机用来处理各个通道上所接收到的消息数据。无线传感器节点通过设置网络类型，通道类型，通道ID，RF射频链路频率和通道消息周期等基本参数来确保与中心节点的（接收机）的正确连接及数据交换。

根据无线网络拓扑结构和功能需求，进行中心节点（接收机）的初始化。由于各个通道配置是独立的，需要对每个独立通道进行单独的配置和设定参数，本系统中，中心节点的nRF24AP2-8CH设置为各独立通道上的双向主接收通道类型，主要为前向接收数据，同时也可以反向通道发送数据。初始化操作如下图3所示。

根据功能的要求，对无线传感节点（发射机）进行初始化操作。无线传感节点上使用nRF24AP2-1CH芯片与中心节点以独立通道通信，本系统的无线传感节点中，nRF24AP2-1CH设置为独立通道上的双向主发送通道类型。当所有的通道成功开启后。中心节点（接收机）上的微处理器将进入稳定工作状态，并等待来自无线传感器的消息数据。每当微处理器接收到无线传感器节点（发射机）的消息数据时，进行ANT通道事件响应处理。ANT中心节点在搜索和配对时使用邻近搜索算法[8]，邻近搜索可以通过限制设备与从设备的相对距离搜索来简化设备配对的过程，指定一个邻近的环，允许从设备与多个可用主设备中最接近的相配对，从机将自动识别并连接到第一个满足搜索条件的主机，该算法的优点是不需要任何的用户交互，适合于拥挤的多用户环境，放在一个具有高密度类似主机节点或高密度独立ANT网络的区域，对搜索有更多的控制。

ANT通道中主机（发射机）定时发送广播信息给从机（接收机），数据广播过程如下：

1）主机微处理器用ANT_SendBroadcastData（）将数据发送到ANT，ANT将数据放入缓冲区；

2）ANT通过RF通道发送数据出去，并向主机微处理器返回一个ECENT_TX通道事件函数，表明ANT已经准备好接收新数据；

3）从机的ANT接收到主机发射的数据，它将用ChannelEventFunc（）通知并发送数据给从机微处理器，从机可选择是否反向回送数据。如果反向回送数据，则从机微处理器收到ChannelEventFunc（）消息，主机微处理器将收到ECENT_TX。

2.2.3人机交互

ANT无线传输器网络由若干个ANT节点构成，以嵌入8通道ANT无线网络芯片网络节点作为ANT无线网络的中心节点，每个中心节点可多达与8个ANT传感器节点通信。系统设置有簇中心节点[9]，簇中心节点作用是将中心节点组在WSN网络，并且将从采集中心节点传输过来的数据打包封装。簇中心节点收集的数据通过互联网络推送到手机APP客户端进行处理。如果APP检测到数据异常，立刻发出警报提醒。用户可操作手机APP向控制系统发送命令来触发执行装置进行警报处理。

2.3软件APP的设计

2.3.1前端总体设计

APP客户端中设有主从界面两部分，主界面为老人陪护的功能界面，主界面有身体状况指标、居住环境、安全状况等方面的动态更新显示；从界面为陪护系统的控制界面，可发送指令进行控制监护。

程序设计流程如图4所示：

2.3.2线程详细描述

1） ElderCareActivity ：主界面Activity ，显示处理信息结果。

2） NodeDataActivity：从界面Activity，显示详细节点设备采集信息和控制按键。

3） NodeReadThread线程 ：采集线程：当启动NodeReadThread线程，执行run方法，run方法先通过running判断是否执行读操作，如果running为true，进行对设备读操作，判断NodeHandlerThread处理线程是否创建，未创建则创建并将读出的数据传给NodeHandlerThread，并启动线程，循环执行。如图5所示：

4） NodeHandlerThread线程：处理线程：当MainReadThread线程将读取的数据传到MainHandlerThread后，先对数据进行有效性认证，如果数据有误，使用handler传递发送给ElderCareActivity 即主界面UI线程，进行处理；如果数据无误，判断数据类型并使用handler传递，发送给ElderCareActivity 进行处理。

5） NodeWriteThread线程：控制线程：负责执行设备控制的命令，使用线程可以使程序多次独立执行，不被影响。

2.4 传输协议模块设计

由传感器模块构成各类传感器结点，在各节点上编程设置心跳间隔，即以一定的时间间隔推送传感器采集的数据到中心节点，数据的收发格式如表2所示。

以噪声、光照和温湿度节点为例：

设置无线传感器网络的接口IP为192.168.1.11，UDP端口为8080，使用TCP/UDP Socket调试工具进行噪声、光照和温湿度节点的数据收发测试，如图6所示。

执行模块的主要作用是驱动继电器工作[10]，通过继电器的开合控制，从而实现对电器，传感，语音设备的控制。驱动电路如图7所示。

其中，IO5，IO6是控制信号输入，Q1，Q2是功率放大级，D5用来保护驱动二级管，防止击穿损坏。

通过GPIO口输出控制信号，从而控制继电器的状态。

3 结论

本系统利用ANT技术构建的智能老人陪护系统实现一定的陪护功能。系统硬件设计注重低功耗设计，采用超低功耗的nRF24AP2射频芯片，通过修改相关控制寄存器标志位使主控板和射频模块处于低功耗模式[11]，低功耗设计使得系统工作时间更长，减弱因电量不足对系统的影响，提升了系统的稳定性和用户体验。数据采集系统模块化、节点化，有利于数据采集的灵活性，准确性，提高了整个系统的数据可靠度。系统以帮助子女看护老人为目的，打破了地域的限制，实现了友好的人机交互，为老人提供智能化的生活，为老人子女发展事业的同时兼顾照顾父母，同时，稍作修改可适应于智能家居[12]等方向，应用前景良好，具有推广价值。

参考文献：

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[2] 陈雷， 江海霞. 空巢居家养老路在何方[J]. 中国人力资源社会保障， 2010（3）：40-41.

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[12] 王志勇， 闵绪， 徐保国. 基于ANT无线网络和LabVIEW的智能家居系统[J]. 计算机系统应用， 2013， （10）：94-99.