基于S3C6410的老年人远程看护系统的设计

赵诗辞，何 勇，毕赣斌

(贵州大学 计算机科学与技术学院，贵州 贵阳 550025)

0 引 言

中国人口老龄化问题日趋严重，因此研发一个看护独居老人生活情况的智能系统具有一定的实际意义。现有的智能监测系统较多地使用了摄像头监控，导致被监测者的隐私外泄，许多家庭并不愿意使用。传统的独居老年人监测系统主要用于测量老年人的心率、血压、血氧等生理参数。这些测量生理参数的传感器需要贴身使用，给老年人的日常生活带来不便，并且老年人的生理参数正常，生活环境却并不舒适[1]。基于S3C6410技术的老年人远程看护系统利用ZigBee技术，采用多种传感器设备结合摄像头对老年人的生活环境进行智能监测，改善传统监测系统易泄露隐私、日常生活不便等不足，具有安全、可靠、节能的特点。

1 系统总体设计

基于S3C6410的老年人远程看护系统由智能网关、手机客户端、后台处理软件、ZigBee协调器、网络摄像头、传感器等部分组成。无线传感器用于采集家庭温湿度、烟雾和有害气体等数据，通过ZigBee终端节点将这些数据传送至网关，网关转发至后台，后台再对这些数据进行分析和处理来判断家中是否有异常情况发生。网络摄像头在正常情况下不能打开，只有当发生异常情况时才能打开：当家中出现煤气泄露、火灾、人体红外传感器长时间监测不到老年人活动情况等异常状况时，该系统自动向监护人手机发送报警信息，此时允许监护人使用手机应用打开摄像头，能够有效保护老年人的隐私。系统总体设计框图见图1。

图1 老年人远程看护系统总体设计框图

2 系统硬件设计

2.1 智能网关模块硬件设计

智能网关是整个系统的核心部件，它能够实现ZigBee网络与以太网、Wi-Fi之间的通信。该模块主要由ZigBee模块、Wi-Fi模块、以太网模块、电源模块、复位模块、报警器模块、存储器模块等组成。其硬件结构框图如图2所示。

图2 智能网关硬件结构框图

智能网关的核心处理器采用基于ARM1176JZFS内核的Samsung S3C6410芯片。该芯片包含USB OTG、USB HOST、PWM功能、内部时钟功能，支持4通道UART，32通道DMA以及SPI、IIC串行通信[2]。

电源模块包括电源接口和纽扣电池模块。电源接口电路中先接一个220 μF/16 V的有极电容和一个100 nF的无极电容，再通过AMS1086CM稳压电路，后接一个10 μF的有极电容和100 nF的无极电容，以实现将5 V电压降为3.3 V电压的过程。纽扣电池可以在断电的情况下，给RTC实时时钟供电，使其一直运行下去。智能网关与网络摄像头之间通过Wi-Fi进行通信，与ZigBee协调器之间通过UART串口进行通信。ZigBee协调器接收各ZigBee终端节点所发送的环境数据，通过UART接口上传至网关。

2.2 ZigBee通信模块

由于各传感器节点均为ZigBee节点，它们通过ZigBee无线网络将数据发送给网关，故该系统选择使用ZigBee无线通信网络对终端设备进行实时监控和管理。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网标准，其特点包括近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率[3]。系统采用的是星型拓扑结构。该网络由一个协调器和多个终端设备组成，网络拓扑结构简单，比树形网、网状网更易于实现、方便扩展、容易维护，比较适用于家庭这种小范围的室内场合[4-6]。

系统中ZigBee终端节点的通信处理模块采用美国德州仪器公司生产的CC2530芯片[7]。该芯片符合ZigBee标准的2.4 GHz片上系统，内部使用8051内核作为处理器，结合了领先的RF收发器的优良性能，包含了系统内可编程闪存，8KB RAM等强大功能。

2.3 传感器模块设计

系统中用到的传感器主要有温湿度传感器、人体红外传感器、烟雾传感器等，这些传感器均为ZigBee节点，兼顾终端节点和路由的身份，负责传感器信号采集和处理、无线数据的发送和转发。

温湿度传感器采用的是SHT10模块[8]，采用IIC通信，接口简单，而且该传感器响应快、抗干扰能力强，便于查看家中环境是否适宜。人体红外传感器使用的是HC-SR501模块，当有人进入其感应范围则输入高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。该传感器可放置在厨房、餐厅、客厅、卧室、卫生间等位置，当老年人经过时传感器会检测到老年人在家中的活动情况。烟雾传感器采用的是MQ-2模块，该传感器对烟雾、液化气、天然气、城市煤气有较好的灵敏度，可用于检测家中是否燃气泄漏或发生火灾。

3 系统软件设计

3.1 智能网关

智能网关主要负责采集传感器数据，与手机、后台进行交互，网关的配置管理等。智能网关上运行一个SOCKET服务，手机通过指定的IP和端口与智能网关建立连接。智能网关与手机通过SOCKET发送JSON格式的数据包进行交互。数据包分为查询请求-请求结果、控制请求-控制结果和心跳包三类。手机客户端发出一个请求之后会收到对应的请求结果。手机客户端会定时给智能网关发送心跳包，智能网关用此心跳包来监测与手机的SOCKET连接情况，如果在给定的时间内智能网关未能收到手机端的心跳包，则关闭与手机的SOCKET连接，释放资源。

以查询当前室内温湿度为例，JSON数据包查询温度传感器的控制请求如下：

"Result":{

"Type": 2,//Type表示数据包类型，值为2表示该数据包类型为查询结果

"Object": 4,//Object表示请求对象，值为4表示请求对象为传感器

"Operation": 1,//

"Name": "ResultTemperature",

"Time": "2014-11-30T18:30:30",

"Content”:{

"NodeID": 1,//

"Category": 1,//Category表示设备类型，值为1表示家居安防类设备

"SensorType ": 4,//SensorType表示传感器类型，值为4表示温度传感器

"Value": 37.5//得到的当前室内温度的值

}

}

为了合理控制摄像头，在网关程序设计中对摄像头服务子程序设置一个标志位flag，在家庭环境正常情况下设置flag为0，当接收到后台发送的异常情况信息后flag会被网关设置为1。当网关接收到手机的摄像头控制请求后会先查询标志位flag的状态，若flag为0则拒绝监护人使用摄像头的请求，若flag为1则同意该请求，以避免监护人随时打开摄像头。

3.2 ZigBee协调器和终端节点

ZigBee协调器是整个ZigBee网络中最重要的控制节点，它的功能包括：创建并维护网络、添加新成员、与智能网关通信、与终端设备通信、数据管理等[9-11]。协调器是终端设备与智能网关进行通信的桥梁：与终端设备通信时，协调器监听无线数据接收缓冲区，将接收到的终端设备的数据通过串口透明传输的方式转发给网关。与网关串口通信时，协调器监听串口数据接收缓冲区，将用户在客户端下达的命令通过广播无线方式转发给终端设备[12]。协调器工作流程见图3。

图3 协调器工作流程

终端节点是监测家庭环境的重要组成部分，主要功能是通过传感器采集环境数据，并将数据打包发送给协调器，执行协调器的命令。为了节省传感器能量，终端节点会周期性地采集室内环境情况。当节点成功加入网络后，就进入休眠状态，当到达定时中断后传感器才开始采集数据，将数据通过ZigBee协议打包后发送给协调器，然后进入休眠状态等待下个采集周期[13-14]。以烟雾传感器为例，其睡眠周期为60 s，每60 s主动唤醒一次，每次醒来工作100 ms。在初次上电时有2 s的时间用来加入网络，然后进入睡眠状态。若设备未加入到网络，每次睡眠唤醒之后会再次尝试加入，持续时间为2 s，以此循环直到加入网络为止。

3.3 网关通信协议设计

该系统是一个复杂的网络系统，涉及的设备种类很多，为了防止不同设备之间的通信标准不同而导致传输信息内容结构混乱，制定了网关系统的通信协议，以实现ZigBee网络和网关以及网关服务器和外部以太网的传递。对通用playload(有效数据)格式的定义如表1所示。其中Frame Head的取值为0xFE；Target ShortAddress表示ZigBee网络节点的短地址，作用类似于Internet的IP地址，自组网时由协调器动态分配2字节的地址编号；Cluster ID用来区分不同的命令；Reserved为保留字段，可使用0x00填充；ADF为发送的应用层数据帧内容，其格式在后续定义(还有Cluster ID字段的ID部分定义)，ADF数据实际上就是协调器转发到ZigBee网络中的无线空中数据包。该通信协议中数据类型为大端模式。

表1 通用帧格式定义

3.4 后台处理软件

后台处理软件主要是对从网关接收到的数据进行的分析和处理，判断家中是否有异常情况发生。对于收到的温湿度、烟雾等环境数据，后台处理软件先对接收到的数据进行解析，当解析后的数据超过预先设置的阈值时，分析当前环境是否产生了异常。若当前环境产生了异常则将异常信息发送至网关，网关报警并将信息转发到监护人手机应用上。后台软件分析人体红外感应得到的老年人活动情况数据，根据老年人每个时间段出入的不同位置，可以判断其每天按时吃饭、午休情况等。若系统白天连续5小时以上监测不到老年人在家中的活动量并且大门口的人体红外传感器没有监测到老年人外出时，系统就会发出报警信息到老年人监护人的手机上，避免老年人在家中突然病倒、突发意外却无人知晓的情况发生。

3.5 手机端APP

使用手机APP是为了方便监护人远程看护老年人在室内的情况，其主要功能是与服务器建立连接，方便监护人远程查看控制家中的情况。当家中发生异常情况时网关发送报警信息给监护人，此时监护人可以打开摄像头查看家中情况。摄像头的可视化能够让用户更加清楚家里的情况，而其只有在异常情况下打开摄像头的功能可以在一定程度上保护用户的隐私[15]。

4 系统测试

为了保证系统的稳定运行，应用Smart RF Studio软件对该远程看护系统的3个ZigBee终端节点的信号强度和丢包率进行了测试[16]。在测试过程中，同时设置发送节点与接收节点的信道为0x0B，同时设置发送节点与接收节点的频率为2 430 Hz，在室内无障碍相距1 m、5 m和有障碍(穿墙)相距12 m的环境下，测试出信号强度与丢包率的结果如图4和图5所示。

图4 ZigBee终端节点信号强度测试

图5 ZigBee终端节点丢包率测试

可以看出，在室内无障碍1 m环境下平均信号强度为-69 dB，丢包率为0%，在室内无障碍5 m环境下平均信号强度为-76 dB，丢包率为0%，在室内有障碍12 m环境下平均信号强度为-97 dB，丢包率为30%。由此可见，ZigBee信号的传输在距离较近无障碍的情况下信号强度较强且传输可靠，但在远距离穿墙的情况下信号强度较弱，丢包率较大。因此，该系统的通信质量在小范围的室内环境下是相对可靠的。由于系统的硬件模块为自主研发，在电路设计、工艺选择上仍有一定的提高空间，因此该系统的通信质量也有一定的提高空间。

5 结束语

提出了基于S3C6410的老年人远程看护系统的设计方案，避免了复杂的接线，可根据用户具体的需求对各终端节点进行增减和布局，使得系统的部署非常简单灵活。同时该系统通过对网络摄像头的合理控制，改善了传统监测系统易泄露隐私的不足。该系统既对老年人的生活状况进行了安全看护，又有效保护了老年人的隐私，为老年人提供了一个安全舒适的居住环境，且操作方便，实时性高，安全可靠。

参考文献：

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[2] WANG Ying,GE Ribo,LI Meihua.Design of resistance touch screen based on S3C6410 embedded system[J].Applied Mechanics & Materials,2014,556-562:1491-1494.

[3] YAN Dongmei,DAN Zhiguang.ZigBee-based Smart Home system design[C]//International conference on advanced computer theory and engineering.Chengdu,China:IEEE,2010.

[4] 陆梦来.基于ZigBee的智能家居网关的设计与实现[D].苏州:苏州大学,2013.

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[16] 张 玉,姚凯学,何 勇,等.基于S3C6410的智能家居远程监控系统的设计与实现[J].现代电子技术,2016,39(10):159-161.