基于物联网技术的智能居家养老系统

文章编号：1009-3044（2019）32-0256-02

1概述

近年来，随着我国经济的高速发展，人口老龄化问题已日渐凸显;据全国老龄办统计，截至2019年初我国60周岁及以上的老年人口约2.5亿，占总人口的17.9%。预计到2050年我国的老年人口达到4.8亿人，将达到34.1%的人口比重。老年人养老问题已成为我国社会生活中存在的一个不容忽视的问题，给我国经济和社会发展带来严峻的挑战。目前，我国养老方式主要为居家养老、机构养老及社区养老，其中居家养老占96%，机构养老占3%，社区养老占1%。居家养老由于可以和周围环境融为一体，延续以往的社会网络，使老人的心理更健康，所以老年人更倾向于居家养老，这也是符合我国国情的主要养老方式选择。但是在传统居家养中，老年人生病往往不能及时知晓，老人外出发生意外时不能及时回应，这些都是子女离家在外的顾虑，也是居家养老的短板。智能居家养老将现有的物联网智能家居技术应用到传统居家养老中，让老人的日常生活能通过网络让子女远程了解和查看，让老人在足不出户的情况下通过现代化科技手段完善居家养老质量，最大限度地提高老年人的生活质量，提升老年人的幸福指数，从而促进家庭和睦，低成本应对人口老龄化，推动整个和谐社会的快速进程，具有重要意义和积极作用。

2系统中的关键技术

2.1ZigBee技术

ZigBee是一种新兴的低成本、低功耗、安全性好的无线网络技术，它介于Wifi和蓝牙技术之间，主要用于近距离无线通信;ZigBee基于802.15.4标准，它可以将数千个传感器组建成一个网络，这些传感器功耗很低，它们以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。如表1所示为ZigBee主要技术参数。

2.2GPRS技术

GPRS是一种基于GSM的无线分组交换技术，它在GSM系统上成功解决了移动通信技术与IP技术的结合;GPRS允许用开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

户在端到端分组模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适合于间断的，突发的和少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。

3智能居家养老系统的架构

系统运用ZigBee技术、GPRS技术、嵌入式技术等物联网技术与居家养老的应用领域进行结合，针对居家老人的日常生活照料的需要，完成实时监测居家老人的主要生理指标及家居环境的管理和控制，让老人在足不出户的情况下通过现代化科技手段完善居家养老质量，提升老年人的幸福指数。如图1所示为本系统设计的总体架构框图，系统底层感知由生物医学传感器节点、环境检测传感器节点及控制节点构成ZigBee无线传感网络，生物医学传感器节点对老人的主要生理参数，如血糖、血压、心跳、体温等信息进行采集，环境检测传感器节点采集室内环境数据，如室内温度、湿度、煤烟、火情、安防等信息;协调器节点负责建立并维护传感网络，收集终端节点采集的信息，实现各终端节点与网关的通信。网关节点包括数据处理模块、通信模块等，实现外部通信网络与家庭内部传感网络协议之间的转换，最终实现通信网络、传感器网络和互联网的异构网络融合.子女可以通过智能终端（Pc、智能手机、平板电脑等），对老人在家中的生活进行实时监控，使子女能够随时随地了解老人的生活情况。

4系统硬件设计

4.1无线传感网节点结构设计

无线传感网节点包含了协调器节点和多个传感器终端节点。本系统为方便数据的搜集及系统的维护，节点在硬件结构设计时采用了模块化的设计方式，将节点硬件按电路功能的不同设计成多个具有相同接口类型的模块，这样的好处在于针对不同的应用场景只需要选取不同的扩展模块，在硬件设计时协调器节点和传感器节点硬件电路相同，只是软件设计有所不同。如图2为传感器终端节点硬件结构图。

节点硬件结构分为微处理器模块f包括CPU、无线通信射频模块等）、传感器模块、电源模块三个部分;微处理器模块在设计时采用了德州仪器（TI）公司生产的CC2530，此芯片性集成了高性能8051内核、ADC、USART等，片内集成的无线收发器射频部分工作在2.4GHz频段，支持ZigBee协议栈，适合星型网络或网状网应用，微处理器模块设有通用的接口电路，以方便与其他模块进行连接;传感器模块主要完成家居内状态信息的采集，不同类型的传感器设计有不同的处理电路，不同的传感器模块与微处理模块组合则构成不同的传感器终端节点，协调器节点不需要连接传感器模块;电源模块为其他模块提供能量，协调器节点因需要长时期工作，一般采用市电供电，终端节点长期处于休眠，可以采用电池供电。

4.2中央控制器硬件结构设计

系统的中央控制器模块采用STM32F103为MCU，主要包含GPRS通信、串口摄像头、液晶显示模块、等电路，如图3所示为中央控制器模块的整体电路结构。

其中微控制器STM32F103是sT公司的一款基于ARM Cor-tex-M3内核的处理器芯片，内置了快速的中断控制器，可以提供优越的实时性能，它管理和协调着模块的所有功能;GPRS模块选用了Siemens公司推出的MC55i模块，它除了具有GSM模块原有的功能外，还支持分组业务功能，内嵌了TCP/IP协议栈，具有很高的可靠性和易用性，很适合在无线终端中作为通讯模块。现场图像的采集和压缩选用了ZSV-01P串口摄像头，它是一款内含有拍摄控制、视频捕捉、图像数据采集、图像JPEG压缩、串口通讯等功能的齐全的工业用图像采集设备，通过比较简单的串行口指令就可以控制图像的捕捉和获取，并将采集到的图像通过串口输出，最大串口通讯速率可达115.2kbs。

5系统软件设计

5.1ZigBee无线传感网节点软件设计

本系统无线传感网采用星形网络拓扑方式实现通信，网络需配置一个网络协调器节点和多个传感器节点。协调器节点是无线传感网络的第一个节点设备，它的主要任务是建立网络、维护网络的正常行为，并负责在传感器节点与报警模块之间进行数据传递;传感器节点主要是完成數据采集，数据处理与发送等功能。在软件设计时主要通过移植TI公司免费提供的ZigBee协议栈Z-Staek-CC2530-2.5.0，利用协议栈对网络的组建、节点加入、数据收发等功能进行统一调度，实现ZigBee无线网络自愈功能的自组网。如4图所示为无线传感网节点基于Z-Stack协议栈的程序流程图。

5.2中央控制器模块软件设计

中央控制器模块是整个系统的控制核心，该模块运行着系统的主控程序，完成对所有外部设备的初始化、通信以及控制功能;控制着系统对视频图像采集、处理等过程。如图5所示为中央控制器模块工作程序流程图。

6结束语

现今的家庭越来越呈现出一种小型化的趋势结构，家庭的养老功能弱化，而一般的养老服务机构受耗资多、投资周期长、推广范围狭窄等因素制约，不可能满足多数老年人在服务需求，将物联网智能家居技术应用到社会养老领域，为更多的老人、家庭带去关爱，将有力减少政府和社会的负担，对于提高居家养老服务质量、建立和谐社区和谐社会都有着积极的意义。