基于老年人的智能家居系统设计与研究

摘要：针对全球老年人口增加带来的老龄化问题，通过设计并实现一套基于ZigBee通信协议的适老性智能家居系统，以提升老年人生活质量。系统由协调器、两个终端节点和手机App三部分组成，具备温湿度监测、光照检测、床垫压力和加速度监测等多重功能。硬件设计上，采用CC2530作为主控制器，保证系统的低功耗和稳定性。软件设计上，实现环境数据的实时检测与控制，并支持远程通信。期望为智能家居技术在适老化领域提供了新的应用思路。

关键词：ZigBee通信协议智能家居系统适老性温湿度光照Wi-Fi

中图分类号：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

全球老年人口不断增加，导致老龄化问题严重。老年人在日常生活中可能面临着各种各样的问题，比如居住环境不适应、生活自理能力下降、健康状况不稳定等挑战。为解决此问题，适老性智能家居技术应运而生。

1系统整体方案设计

1.1功能与作用

根据适老性智能家居系统的设计功能，展开系统模块化的设计，包括温湿度监测。光照、床垫压力和加速度监测：利用光照传感器、床垫压力传感器和加速度传感器，终端节点实现对老人活动情况的全面监测。这些数据传递至协调器，为家居环境的智能调控提供关键信息，以确保老人的安全和健康[2]。

（1）设备控制：终端节点通过LED、SG90舵机和继电器，实现对家居设备的智能控制，如照明、窗帘和空调。协调器接收并执行来自终端节点的控制命令，确保设备操作的及时性和准确性。

（2）Zigbee数据通信：为了成功完成低功耗与可靠信息的传输，终端节点与协调器之间采用Zigbee通信协议。这确保了家居系统在不牺牲性能的同时，保持了高效的能耗管理。

（3）远程管控：协调器通过搭载ESP8266Wi-Fi模块和移动终端App进行通信，使用户能够通过移动终端远程监测和调节智能家居设备。这项功能为用户提供了方便快捷的远程管理体验，增强了系统的用户友好性。

（4）实时数据传输：终端节点需要实时将监测到的数据传输给协调器，以确保系统能够及时响应老人居住环境的变化，提供及时的警报和通知。

1.2系统总体设计

本设计由一个协调器和两个终端节点组成，协调器由一个CC2530主控和一个ESP8266Wi-Fi远程信号通信模块组成，实现上位机和硬件连接，协调器起到了一个网关的作用，终端节点1是由CC2530主控和DHT11温湿度采集模块、光照传感器、压力传感器、LED灯、舵机、继电器组成，终端节点2是由CC2530主控和MPU6050加速度传感器组成。系统设置有协调器、终端节点和手机App三个部分。

协调器同样采用CC2530作为主控制器，负责接收终端节点的数据，并向其发送控制命令，同时通过ESP8266Wi-Fi模块与手机App通信，方便用户通过手机APP实现远程操控。如图1所示。

2系统硬件设计

2.1主控部分设计

在适老性智能家居系统设计中，系统终端节点以及协调器模块均采用CC2530芯片作为主控以实现检测数据的采集与无线传输。CC2530是德州仪器推出的一款低功耗无线通信，内置强大的8位微控制器，支持多种通信协议，这使得CC2530能够实现可靠的无线通信，适用于各种远距离、低功耗的应用场景。同时芯片还具备丰富的外设接口，包括通用I/O引脚、UART、SPI等，方便与外部设备和传感器进行连接。CC2530采用低功耗设计，有效延长电池寿命，适用于需要长时间运行的电池供电设备。

3.2光照检测设计

本部分设计采用的是光敏电阻进行光照检测，光敏电阻是光照检测电路的核心元件。其电阻值随着环境光照的变化而变化。在光照较强时，电阻值较小；而在光照较弱时，电阻值较大。在此将电阻R5和光敏电阻D1串联，并与GND、VCC连接，其中间点连接CC2530单片机的P16管脚，当环境光照强度改变时，光照电阻的电阻值发生变化，导致光照电阻两端的电压发生变化，这一变化的电压信号通过CC2530内部ADC实现光照检测，并将其转换为光照强度。当光强低于26lux时灯亮然后窗帘关闭，老人也可以在手机App将其打开，方便老人对灯和窗帘的控制。

2.3温湿度检测设计

在适老性智能家居系统设计中，采用DHT11实现温湿度检测，其cb40a096c20d52a439e5ebe79dff9f862280c0fcf6f9574cf0bb3180467ca531是一种常用于温湿度检测的数字传感器，广泛应用于各种嵌入式系统和电子项目中。它采用单总线数字信号传输，并且在硬件上相对简单，成本较低。DHT11温湿度检测电路主要包括传感器模块、微控制器以及相关的电源电路。DHT11可测量的温度范围通常在0～50℃之间，湿度范围在20%～90%之间。如图3所示为DHT11检测电路图，通过P00与其数据引脚连接。温湿度传感器可以在手机端App查看实时数据，以及时关注老人的居住环境。

2.4无线通信设计

在适老性智能家居系统设计中，协调器通过Wi-Fi模块与Web端建立数据远程通信。无线通信电路采用ESP8266为核心的Wi-Fi模块实现无线通信的设计要求。ESP8266通过串口与单片机进行通信，通过连接TX和RX引脚，实现单片机与ESP8266之间的数据交互。ESP8266的工作电压通常在3.0～3.6V之间，确保为其提供稳定的电源。可以使用电容滤波器和稳压器来减小电源噪声，提高系统稳定性。如图4所示为Wi-Fi通信电路图，通过P04和P05与ESP8266连接。

3系统软件设计

3.1主程序设计

在系统终端节点程序开发过程中，采用的是CC2530单片机作为系统主控核心，当系统程序启动后，首先完成初始化设置并建立Zigbee无线通信，实现环境内的湿度、温度、光照、压力、是否移动的检测与实时显示，并根据控制命令控制设备。

3.2温湿度检测程序设计

DHT11是单线通信方式，在此首先需要初始化单片机的引脚，将其设置为与DHT11通信所需的输入输出模式。然后发起测量请求，单片机通过将引脚拉低20μs，然后再释放，来发起DHT11的测量请求。DHT11在测量完成后会通过引脚拉低和拉高的方式响应单片机。再读取传感器数据，在单片机接收到DHT11的响应后，开始读取DHT11传感器返回的40bit数据。最后单片机需要对接收到的40bit数据进行解析，将其转换为实际的温度和湿度数值。

3.3压力和光照检测程序设计

在实现系统压力检测程序设计中，通过CC2530内部ADC实现对应数据检测。首先在程序中引入用于ADC库。通过配置寄存器设置单片机引脚，连接到MQ传感器。然后初始化ADC模块，配置ADC通道以连接到传感器。然后在程序中启动ADC转换，以获取模拟电压值。通过相应的库函数读取ADC的转换结果，得到与空气质量相关的数字值。通过读取强度值，进行适当的处理和判断，以确定当前环境的空气质量情况。

3.4 无线通信程序设计

在系统设计中，需要实现Wi-Fi通信程序设计，保证系统能够通过无线通信模块实现Web端的远程控制。系统采用的是ESP8266通信模块，因此只需要通过UART串口发送AT控制指令对Wi-Fi通信模块ESP8266进行控制就可以实现Wi-Fi通信功能，在程序控制上，单片机在启动UART串口后需要完成对ESP8266通信模式，Wi-Fi的账户、密码等信息的设置，然后等待与其进行连接，当连接成功就可以实现数据的上传和接收。

4结语

针对全球老龄化问题，设计并实现一套基于ZigBee通信协议的适老性智能家居系统，提升老年人的生活质量。系统通过温湿度监测、光照检测、床垫压力和加速度监测等多重功能，全面关注老年人的居住环境和生活状态。硬件设计上，采用CC2530作为主控制器，确保了系统的低功耗和稳定性；软件设计上，实现了环境数据的实时检测与控制，支持远程通信，为用户提供了方便快捷的远程管理体验。

参考文献

[1]张丽.适老化智能家居系统的设计研究[J].工业设计，2021（7）：19-21.

[2]王瑾，孔德贵.物联网在智能家居领域的应用[J].电信网技术，2021（4）：66-69.

[3]牛进军.基于ZigBee无线传感器网络的煤矿监测系统[J].矿业装备，202312）：46-47.

[4]程琪戬，王桂兰，周明亮.远程在线家居安防监控系统的设计与实现[J].智能城市，2023，9（11）：96-98.

[5]朱丽敏.基于ZigBee技术的智能家居环境信息监测系统设计[J].电视技术，2023，47（11）：73-79.