智能家用监护系统设计

徐学红 李娜娜

摘 要：针对小孩、老人或行动不便人员的监护，设计了一种具有手机提醒和智能照明功能的家用监护系统。系统采用模块化结构，监护终端以CC2530單片机为核心，实现传感数据采集、信号发送和接收、自动照明;网关包括ZigBee协调器和RT5350模块，实现终端和手机之间的通信;手机接收到终端按钮或声音传感的信号时，震动并响铃提醒，且能通过APP控制终端上的灯。该系统通信质量好、性能稳定且灵活方便，满足了家庭监护的需求。

关键词：传感器;ZigBee;WiFi;Android;家用监护

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）28-0020-03

Design of Intelligent Domestic Monitoring System

XU Xuehong LI Nana

（School of Information Engineering， Henan University of Animal Husbandry and Economy，Zhengzhou Henan 450044）

Abstract： According to the protection of the children， elders and disables， a domestic monitoring system with mobile phone reminder and intelligent lighting was designed. The system adopted modular structure. Monitoring terminal with CC2530 microcontroller as the core realized the sensor data acquisition， signal sending or receiving and automatic lighting. The gateway included ZigBee coordinator and RT5350 module. Its function is to realize the communication between terminal and mobile phone. When the phone received the terminal button or sensor signal， it vibrates and rings a bell to remind the monitor. The phone can also control the lamp on the terminal. The communication quality of the system is good and the performance is stable. It is flexible and convenientvery much. It can meet the needs of homemonitoring well.

Keywords：sensor;ZigBee;WiFi;Android;domestic monitoring

随着我国人口老龄化程度加剧和计划生育政策的调整，婴幼儿和老人数量大幅度增加。忙碌的父母如何能在其他房间安心休息或者处理其他事务，而无须担心睡觉中的孩子，子女如何能在紧张的生活中更好地照顾高龄或者行动不便的老人，是很多家庭中存在且需要解决的现实问题。

本文利用ZigBee短距离无线通信技术成本低、功耗低、数据传输可靠和抗干扰能力强的特点和现有智能手机等移动设备资源的便利性，设计了一种由监护终端、网关和手机组成的家用监护系统。夜晚，监护终端上的按钮被按下，或者感应到的声强超过阈值（哭闹声或喊声），手机端震动并响铃提醒，同时，终端和网关上的夜灯自动点亮[1]。白天，监护终端上的按钮被按下，或者声强超过阈值时，手机震动并响铃提醒，但夜灯不亮。手机端，接收到终端按钮或声音传感信号时，震动并响铃提醒，实时显示监护终端环境的温湿度，且能通过手机APP界面上的按钮控制终端夜灯的亮灭。该监护系统兼具手机提醒和自动照明功能，操作简单、稳定可靠、智能方便，具有很强的实用性。

1 智能家用监护系统结构

监护系统架构如图1所示，其由监护终端、协调器和WiFi模块组成的网关、手机组成。

1.1 监护终端

监护终端以CC2530单片机为核心，配置按钮、光敏传感器、声音传感器、温湿度传感器、继电器、夜灯、电池组和稳压模块。为满足不同人群的需求，比如，幼儿、年龄稍大点的孩子、行动能力不同的老人，设计两种触发模式，一种是人为按下按钮，一种是声音传感器自动感应哭闹声或喊声，同时通过光敏传感器区分白天和夜晚，具体来说，白天按下按钮或感应到声音时，发送信号给网关，但夜灯不亮;夜晚按下按钮或感应到声音时，发送信号给网关，终端夜灯自动点亮;同时，终端实时采集环境温湿度发送给网关。终端也可接收手机端的信号，通过手机APP控制终端夜灯[2]。终端主控芯片选用TI公司的CC2530F256单片机，除了具有增强型8051的功能外，还具有2.4G的RF收发功能，支持IEEE802.15.4标准和ZigBee协议，功耗低。数字温湿度传感器选用含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器DHT11。光敏传感器选用直流电源环氧树脂胶封装的G5516光敏传感器，可靠性好、体积小、灵敏度高、反应速度快、光谱特性好。通过测试与对比，声音传感器选用动态响应好、分辨率高、抗干扰能力强、灵敏度高且可以调整的电容式声音传感器。

1.2 网关

监护系统的网关由ZigBee协调器和WiFi模块组成，其中，协调器以CC2530单片机为核心，WiFi模块以Ralink公司的RT5350芯片为核心，将这两部分集成到一起并配以稳压模块、电池组、散热风扇、继电器、夜灯，完成监护终端和手机端之间ZigBee-串口-WiFi信号的处理，从而实现监护终端和手机之间的无线通信。另外，为方便网关房间夜晚照明，网关上配置夜灯。网关接收到终端信号时将信号发送给手机，如果是夜晚，同时自动点亮网关夜灯。RT5350内部集成了基带处理器、射频功率放大器、高性能的MIPS 24Kc CPU内核，仅需要很少的外围器件就可以实现低成本2.4GHz802.11n无线产品，性能稳定、覆盖范围大。

1.3 通信方式和电源的选择

ZigBee无线通信技术建立在IEEE802.15.4上，通信時延15～30ms，使用AES-128加密算法，单跳有效范围为10～75ms，低功耗、低成本、短距离，自组织、容量大，非常适合家庭/楼宇自动控制系统使用。终端和协调器之间采用ZigBee通信，ZigBee协调器和RT5350之间采用串口通信，再通过WiFi连接到手机端[3]。

在供电方式上，采取外部供电和内置蓄电池备用供电两种供电模式。市电停电时，可由蓄电池为监护系统持续供电，夜灯可用来应急照明。

2 监护终端的设计与实现

监护终端的主控芯片为CC2530单片机，通过程序进行温湿度数据采集、判断按钮状态、检测声音情况、环境明暗情况判断，实现数据的无线发送和夜灯的控制，终端发送数据的程序设计流程如图2所示。同时，能无线接收手机端的信号，通过系统设计的命令自解析，实现夜灯的定时点亮和手动点亮。

3 网关的设计与实现

网关由RT5350芯片通过串口连接到ZigBee协调器上，通过协调器的程序设计实现ZigBee-WiFi信号的转换和通信。协调器的程序设计基于TI公司的Z-Stack协议栈，使用IAR公司的IAR Embedded Workbench for 8051开发环境进行。通信模式采用点对点通信，为便于系统扩展，采用星型拓扑结构。协调器程序设计流程如图3所示。

4 手机端Android软件设计

手机端APP程序设计借助Eclipse软件，基于JDK、SDK环境，使用Java语言编写，Android应用软件设计流程如图4所示。

用户先连接WiFi，打开应用程序后，需要先在软件“网络设置”中输入系统的IP地址信息，Android应用程序在后台进行侦听，系统自动做出一系列处理并进行网络连接请求。如果请求成功，系统调用Socket类下的对应方法对网关发来的数据进行处理，然后存入缓存中。之后，只要手机WiFi连接正常，不用打开APP，即可以正常接收终端数据，在有情况时进行震动和报警铃声提醒，如需查看温湿度数据，打开APP，系统就会调用后台数据并且在界面上显示;需要结束震动和铃声时，打开APP点击“停止”按钮，需要控制终端夜灯时，打开APP点击“定时照明”按钮，终端夜灯点亮一段时间后自动熄灭，也可点击“手动照明”按钮，终端夜灯点亮，再次点击，夜灯熄灭[4]。智能监护系统的手机端界面如图5所示。

5 结语

本文利用传感技术、无线通信技术、嵌入式技术、Android应用开发实现了基于物联网的智能家用监护。系统采用模块化设计，实现智能、方便、灵活的同时，充分考虑了人性化设计，操作简单、成本低廉，能成为小孩、老人或行动不便人员监护的好帮手。另外，可以根据实际需求扩展监护终端的数量，将监护系统推广应用到托儿所、养老院、医院等地方。

参考文献：

[1]葛聪乐，车进，田斌，等.基于OpenWrt与ZigBee的远程分布式物联网监控系统设计[J].传感器与微系统，2019（10）：70-72，75.

[2]杨建卫，任晓莉.基于Zigbee的仓库环境检测系统设计[J]，微型电脑应用，2018（9）：62-65.

[3]王峰，宣伯凯.基于Android的家庭移动医疗监护系统的设计[J]，计算机测量与控制，2015（5）：1586-1588.

[4]明日科技.Android开发从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2017.