空巢老人家庭安全卫士

引 言

由中国首部老龄产业发展蓝皮书《中国老龄产业发展报告

（2014）》可知，从 2013年到 2050年间，空巢老年人口比例预计将突破 70％，老年人口健康水平堪忧。在平均约 19年的余寿中，健康余寿只有 9年左右，其余 10年基本处于带病或者失能状态。空巢老人的健康问题引起了社会广泛关注。

针对孤寡老人监测系统中的实际问题，我们提出基于WSN的空巢老人家庭卫士，以家的安全和老人身体状况为监测目标，采集家中的温度、湿度、气体等环境参数，形成适用于家庭长期自动监测的产品原型，实现能够适用于一定范围内环境参量的测量分布式自动监测和远程自动上报系统，实现家庭环境与老人身体状况的同步监测并及时做出相应提醒。该系统的研制对其他环境参量的监测与对老年人易发疾病影响的研究同样具有积极作用。该系统需要实现以下目标：

(1) 研究 WSN技术， 设计家庭环境及老人身体状况WSN 数据采集节点；

(2) 研究 WSN节点组网技术，设计空巢老人家庭卫士监测系统的协调器节点；

(3) 研究低功耗能源管理技术，形成可长期自动监测的WSN 系统；

(4) 研究远程无线通信技术，形成可利用远程通信手段的自动上报系统；

(5) 研究监测中心数据接收及分析存储等，形成远程监测数据中心。

1 项目研究内容和拟解决的关键问题

1.1 研究内容

文中需要研究的内容分为如下几项：

(1) ZigBee技术工作机理研究；

(2) 基于WSN的空巢老人家庭卫士监测系统总体结构设计；

(3) 传感器节点功能设计；

(4) 协调器节点功能设计；

(5) 无线通信技术研究，形成可利用远程通信手段的自动上报系统；

(6) 研究监测中心数据接收及分析存储等，形成远程监测数据中心及集中控制中心。

1.2 拟解决的关键问题

文中需要解决的问题如下所示：

(1) ZigBee网络结构、数据的接收与发送；

(2) 节点任务调度设计；

(3) 传感器、协调器（网关）、监控中心通信协议的设计与实现；

(4) 基于嵌入式平台的系统网关研究与设计；

(5) 监控中心数据处理及短信报警综合管理系统设计。

2 项目实施方案

2.1 系统总体结构

系统由传感器节点、协调器节点（网关）和监控中心组成。传感器节点不仅可以采集家里的温度、湿度及可燃气体信息， 还可以采集老人的身体特征参数（如脉搏、体温等），并将采集到的数据传送给协调器，协调器节点接收传感器节点传来的数据后，将数据经由网关传送至监控中心。监控中心接收协调器（网关）送来的传感器节点数据后进行分析处理，一旦发现异常立即发送告警短信通知老人的监护人员，以降低家庭和老人的安全风险。监控数据能够在监控中心实时查询并显示相应的告警信息。监控系统的总体框图如图 1所示。

（1）传感器节点负责采集环境参数和身体特征参数，并自动将数据上报给协调器节点。环境参数传感器节点包括温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、可燃气体传感器，身体特征传感器节点采集身体的脉搏、体温数据。

（2）通信网关不仅可以管理 ZigBee 协调器节点，由协调器节点管理 WSN 网络，接收各节点发送的数据，还可将数据经由 GPRS 传送给远程的监控中心。

（3）监控中心接收通信网关发来的数据，对数据进行分类存储，解析与分析，最终得到家里的温度、湿度、烟雾及可燃气体的参数与老人的身体特征参数，监控平台显示监控数据，当有告警时则发送报警短信到监护人手机，提前排除安全隐患。

2.2 系统硬件设计方案

2.2.1 传感器节点

传感器节点分为两大类，即环境参数传感器节点和身体特征传感器节点。数据通过 ZigBee 网络传到协调器节点。环境参数传感器节点框图如图 2 所示，身体特征传感器节点框图如图 3 所示。

2.2.2 协调器节点

协调器节点（网关）负责建立和管理 ZigBee网络，接收各传感器节点发送的数据，将数据通过网关送至监控中心， 网关与监控中心通过GPRS及Internet连接。

2.2.3 系统软件设计

软件设计包括传感器节点软件、协调器节点软件设计与监控中心设计。传感器节点、协调器节点软件设计使用 IAR 开发环境用C 语言设计，移植 TI 公司的Z-Stack 协议栈 ；监控中心在Windows 环境下，用 VC++6.0 进行开发。

（1）传感器节点软件设计

传感器节点采集现场数据与老人身体体征数据后，经简单处理后发送到父节点，数据汇聚到协调器节点。

（2）协调器节点软件设计

协调器节点管理 ZigBee 网络，负责分析处理传感器节点发送的数据，并将接收到的数据传送给监控中心。

（3）监控中心软件设计

基于 VC++6.0 设计监控中心可视化界面，通过网络在线动态接收协调器节点发送的数据，并对接收的数据进行分析处理，当有告警时及时提醒并发送报警短信到监护人手机 ；提前消除居住环境的安全隐患，保证老人的人身安全。

3 网关及 WiFi 模块设计

3.1 通信结构图

本项目终端设备与上位机的通信借助 WiFi 模块采用无线通信方式，如图 4 所示。

3.2 网关模块工作原理

ARM 核心处理器首先通过串口 0 处理来自传感器的数据，再通过串口1 将数据传给WiFi 模块，WiFi 模块连入外网或加入已经建立的局域网，将数据传给服务器。服务器中的IP 地址与上位机匹配，最终将数据传至上位机，上位机按照程序中设置的解析格式正确解析接收到的数据，并显示在监视界面。

3.3 数据库的建立与连接

（1）运用数据库技术把由各节点上传至上位机的数据进行存储和查询 ；

（2）用 Visual Studio 2013 C++ 语言编写 PC 机监控平台软件，进行实时动态监控显示，并根据时间进行历史数据查询，在软件下方显示当前时间。

3.4 传感器节点设计及数据采集

（1）设置基于 ZigBee 技术无线传感器网络节点的传感器节点网络，构成无线通信网络系统 ；

（2）传感器节点实时采集在分布区域内监测对象的各种信息 ；

（3）通过无线通信方式发送至上位机。

4 结 语

文中设计的空巢老人家庭安全卫士系统以家庭安全和老人的身体状况为监测目标，能够实时采集家庭环境信息与老人的身体特征参数，并通过发送短信的方式排除安全隐患，具有良好的社会效益与经济效益。