基于多网控制的关爱老人系统设计与实现

唐雅娜 董立国

摘  要：目前，关爱老人的话题成为社会关注的焦点。如何照顾好空巢老人，并第一时间掌握他们的起居信息成为研究的目标。该项目通过ZigBee、Wi-Fi、4G等技术实现了多网控制，集合各自通信模式的优点，最大程度保证通讯的有效性和安全性。同时，使用单片机、传感器、指纹与语音识别、Android等多种技术，利用云服务器和百度地图，实现了家居环境参数实时查看、智能控制家电、智能门禁、老人跟踪定位、防摔倒、实时监控老人起居等功能。经测试证明，该设计性能良好，使用操作简便，总体使用效果好，能满足家人在外及时了解老人状况的需求，对研发涉及同类技术的项目也具有较强的参考价值。

关键词：关爱老人系统;智能控制;实时监控

中图分类号：TP311.52      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）04-0186-03

Abstract：At present，the topic of caring for the elderly has become the focus of social attention. How to take good care of the empty nest elderly and master their living information at the first time has become the research goal. In this project，ZigBee，Wi-Fi，4G and other technologies are used to realize multi network control，gather the advantages of each communication mode，and ensure the effectiveness and safety of communication to the greatest extent. At the same time，using SCM，sensor，，fingerprint and voice recognition，Android and other technologies，using cloud server and Baidu map，the functions of real-time home environment parameters viewing，intelligent control of home appliances，intelligent access control，tracking and positioning of the elderly，fall prevention，real-time monitoring of the elderly living are realized. The test shows that the design has good performance，simple operation and good overall use effect. It can meet the needs of family members to know the situation of the elderly in time outside. It also has a strong reference value for the research and development of projects involving similar technologies.

Keywords：care for the elderly system;intelligent control;real-time monitoring

0  引  言

據国家老龄办公室统计，我国已进入人口快速老龄化时期，老龄人口达1.69亿，占总人口的12%，由于计划生育的政策，当今社会独生子女的比例也是创新高，并且由于社会经济的快速发展，以及人民生活水平的不断提高，大多数年轻人为了给老人和子女提供更好的生活条件，不得不外出工作，这意味着为了生存，年轻人根本不可能留在家里照顾老年人，空巢老人双双离世多日无人知晓的事件屡有发生，酿成了人间悲剧。近日，中共中央、国务院印发的《国家积极应对人口老龄化中长期规划》让我们更加重视空巢老人的生活。为了让老人的生活质量得到提升，使其过上便捷、安全、健康的老年生活，广州大学华软软件学院科研项目拟研究一款智能化的关爱老人系统，是具有迫切性和必要性的。

1  系统总体设计

按照实际需求确定系统功能，如图1所示。按照上述功能确定硬件的结构。

1.1  硬件选择

（1）主控单元：项目本着开发方便、具有较多外设接口、具有较高性价比的原则来选择主控单元，最终选取了STM32F103作为项目主控单元[1，2];

（2）通信模块：为了使手机APP与开发平台实现通信，项目选用Wi-Fi模块保障两者通信;物联网组网通信、项目选取ZigBee作为组网通信技术[3，4]。选取具备最普遍的无线联网功能的亿佰特ESP8266作为Wi-Fi模块，平板电脑和手机可随时随地连接。简化了Wi-Fi功能的设计，加速了产品上市，提供了低成本的方案，缩短了产品上市时间，提高了产品的竞争力[5]。ZigBee技术的主流芯片为美国德州公司的CC2530，其具有通信稳定性好、性价比高的优势，是项目开发的首选[6];

（3）传感器：检测是否有人通过门窗入门行窃，热释电红外感应模块是基于红外线技术的自动控制模块，热释电红外感应模块型号为HC-SR501，选取MQ-2型烟雾传感器作为检测空气中可燃气体浓度的设备，以及HTU21传感器用以检测温度和湿度;

（4）指纹与语音识别：正点原子的AS608模块（以下简称AS608模块）是ALIENTEK推出的一款高性能的光学指纹识别模块，LD3320作为语音识别模块。

系统硬件连接拓扑结构图如图2所示。

1.2  手机APP功能确定

根据整体设计方针[7]，手机APP的具体功能包含登录/注册、家电控制、室内监控、地图定位、室内环境数据查看、开门请求等。手机APP功能如图3所示。

2  软件设计

按功能要求进行相关的软件开发。下面将详细论述主要的软件开发内容。

2.1  服务器软件设计

私有云服务器主要由Aapche2.4版本的http服务器和TCP服务端软件组成。

TCP服务端软件主要通过socket套接字的API获取TCP/IP五层模型协议中的传输层的TCP协议，通过6001端口创建TCP服务端，并且通过线程等待TCP客户端的连接，当TCP客户端请求连接时，TCP服务端则进行请求accept操作，并且创建线程，进行对应客户端的数据收发。

face_detect.php文件是一个使用php5.6.17版本开发的Web页面，主要功能是对客户端请求的人脸图片和家庭组成员的图片通过百度云人脸识别SDK逐一比对，并返回人脸比对值和活体检测值，当人脸比对值大于90且活体检测值大于0.95时，就向客户端返回允许开门的信息，否则返回拒绝开门的信息。

2.2  Wi-Fi模塊软件设计

在用户空间网络通信软件设计中，有了内核空间网络通信软件的支持，用户空间只需要通过socket套接字编程就可以获得传输层的TCP传输协议进行用户层的业务逻辑处理，并将处理结果发送到ESP8266自带的封装接口（API）即可。

2.3  网络视频传输模块设计

在网络视频传输软件的设计中，需要考虑多线程访问摄像头的情况。当多个客户端连接服务器则会产生多个线程，多个线程访问临界资源所产生的互斥和同步问题是不可避免的。为了解决互斥和同步问题，代码中使用互斥体和读写锁的手段解决问题。当图片缓冲区需要从视频设备中读取图片时，则对写锁和读锁同时进行上锁操作，当图片获取完毕后再释放读锁，从而解决多线程的同步问题。当多个线程需要同时从图片缓冲区取出图片时，则会出现多线程互斥的问题，当其中一个线程需要获取图片时，则对互斥体进行上锁操作，当这个线程获取完图片后，对互斥体进行解锁操作，从而解决多线程的互斥问题[8，9]。

2.4  多重门禁识别模块设计

多重门禁识别软件设计是融合了串口通信、网络通信和视频采集的技术基础所开发的应用。当叩门人想要开门时，按下门前的指纹模块，这时会进行指纹配对，当指纹匹配成功后，stm32通过串口向Wi-Fi模块发出人脸识别请求，同时摄像头通过门孔对叩门人进行人脸采集。Wi-Fi模块通过串口收到请求信息后，解析请求信息获得家庭编号，并通过http请求SDK向API接口http：//服务器IP：8090/face_detect.php？family=家庭编号&location=图片地址发出GET请求，解析返回结果，如果返回结果为0，则向stm32发出允许开门信息，否则发出拒绝开门信息。

2.5  移动端安卓视频监控模块设计

移动端安卓视频监控软件的主要功能是接收Wi-Fi模块输出的图片流，并显示在手机屏幕上，从而实现室内视频监控功能。在移动端安卓视频监控软件设计中，安卓客户端应用只需要通过安卓HTTP请求SDK向视频监控WEB_API发出GET请求并创建线程，在线程中循环接收视频服务端发送的buf字节数组，对buf字节数组进行http响应解析，解析出JPG格式图片数据，并把图片数据显示在安卓的SurfaceView控件中。

3  系统测试与性能分析

搭建实物样机，利用各个硬件模块和软件模块进行系统联调联试，其中包括了服务器模块、网络视频监控模块和多重门禁识别模块、人脸识别[9，10]等模块的软件测试。系统联调联试结果用例如表1所示。

4  结  论

本系统利用ZigBee、Wi-Fi与4G等多种通信技术各自的优势，实现了硬件开发平台与手机APP之间的交互。在满足老人日常需要的同时，手机客户端可实时监控老人的生活，最大程度保证老人的安全。可以说，系统既具有智能家居的功能，又具有安全防护的监控作用，真正实现了关爱老人。通过测试，系统的各项功能正常，且体验感优良，是一款实用性较强的产品，具有较高的社会与经济效益。

参考文献：

[1] 杜春雷.ARM体系结构与编程（第2版） [M].北京：清华大学出版社，2003.

[2] 李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[3] 李易岐.基于stm32单片机的智能家居系统设计 [D].长春：吉林大学，2017.

[4] 邹思铁.嵌入式Linux设计与应用 [M].北京：清华大学出版社，2002.

[5] 张翠平，苏光大.人脸识别技术综述 [J].中国图象图形学报，2000（11）：7-16.

[6] 张英会.基于ZigBee的智能家居网关的研究与实现 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[7] 赵亮，张维.基于Android技术的界面设计与研究 [J].电脑知识与技术，2009，5（29）：8183-8185.

[8] 张亮.数字视频远程监控 [J].现代通信，2001（10）：23-24.

[9] ALI A，HUSSAIN S，HAROON F，et al.Face Recognition with Local Binary Patterns [J].Bahria University Journal of Information & Communication Technologies，2012，5（1）：46-50.

[10] LI D，LAM K M. Design and learn distinctive features from pore-scale facial keypoints [J].Pattern Recognition，2015，48（3）：732-745.

作者简介：唐雅娜（1978-）女，汉族，黑龙江大庆人，高级工程师，硕士，主要研究方向：人工智能及大数据;董立国 （1984-），男，汉族，黑龙江双鸭山人，教师，硕士，主要研究方向：人工智能。