朱飞飞 李雪宝 卢冶 孙达 孙炜

摘要：我国社会人口老龄化加剧，传统的老人助理系统已经不能满足老人们的需求，而智能老人助理系统将会成为大多数老年人的生活必须品。针对以上需求，本系统分别使用PC上位机和智能手机终端两种控制方式，结合CC2530无线ZigBee协调器模块组成控制系统，通过ZigBee网络完成对室内环境监测、家庭门锁、灯的操控，同时利用寻迹传感器也可以进行门锁控制。实验结果表明：系统传输的数据可靠性高，距离较远、灵敏度高，能够通过智能手机终端精准显示室内环境数值和控制灯和门锁开关。

关键词：ZigBee；智能老人助理；智能手机终端；交互性设计；寻迹传感器

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）04-0176-03

The Intelligent Old Man Assistant System Based on ZigBee Technology

ZHU Fei-fei1， LI Xue-bao2， LU Ye2， SUN Da2， SUN Wei2

（1. Jiangsu University of Science and Technology Suzhou Institute of Technology， Electrical and Information Engineering，Zhangjiagang 215600， China； 2. Jiangsu University of Science and Technology， Electrical and Information Engineering， Zhangjiagang 215600， China）

Abstract：Aging population has intensified in china， and the traditional assistant system hasnt been satisfied the needs of old people. However， the intelligent old man assistant system will be a necessity for most elders. Therefore， this system uses two control ways including PC terminal and intelligent mobile phone， which can monitor indoor environment and control the door and lamp by using CC2530 wireless ZigBee coordinator module and ZigBee networks， meanwhile， it can also control of door lock by tracking sensor. The experimental results show that the system can improve the reliability of data transport and apply to remote distance transmission and possess a high sensitivity. It also can display indoor environment data accurately and control the lamps and door lock by the smartphone terminal.

Key words：ZigBee； intelligent old assistant system； smartphone terminal； the design of interaction； tracking senso

中國已成为世界上老年人口最多的国家，到 2050 年左右，老年人口将达到全国人口的三分之一 [1] 。随着老年人口数量逐步增多，未来市场适合老年人使用的产品需求量会逐步增大，市场发展空间极大[2] 。尽管已经有了老人助理工具，但大多粗笨，操作不灵活等特点，而基于ZigBee技术的老人助理系统可以很好地解决这个问题。ZigBee 技术在国内的发展和应用还不够[3]，目前，虽然国内市场上已经有相关产品，但产品操作过于繁琐、界面僵硬而缺乏交互性等问题，从而导致老年人群对此类产品较为陌生，上述问题造成ZigBee技术在智能老人助理系统方面较为缓慢。

1 系统总体设计

本系统设计由移动控制终端、协调器节点和终端节点组成。其中控制设备包括计算机、与计算机处于同一局域网内的手机终端，监控终端节点包括温湿度检测节点、有害气体监测结点、舵机、51单片机、寻迹传感器，而ZigBee协调器不但是整个ZigBee网络的基础，而且联系终端节点的纽带。本系统的主要功能：

（1） 通过 Socket 编程，借助 TCP/IP 协议，PC上位机和手机客户端进行通信，并将信息实现共享；

（2） 实时收集室内温湿度信息、有毒气体预警并在 PC 上位机和交互性手机客户端界面上显示，动态刷新；

（3） 借助局域网，通过 PC 上位机和交互性手机客户端界面两种方式实现室内开门锁、开灯的操作；

（4） 利用寻迹模块实现开门的双保险，利于半残疾老人使用；

（5） CC2530芯片功耗低，设备安装方便。

系统总体框架如图1 所示：

2 系统硬件设计

本系统硬件采取模块化设计理念，主要包含协调器节点、温湿度、有毒气体传感器、继电器组合节点、驱动部分。

2.1 协调器节点

本系统选取TI公司的CC2530单片机作为ZigBee模块的控制器，它支持最新的ZigBee协议——ZigBee 2007/PRO，而TI之前的SOC射频芯片CC2430/CC2431等不支持ZigBee2007/PRO协，ZigBee2007/PRO相对于以前的协议具有更好的互操作性、节点密度管理、数据负荷管理、频率捷变特、支持网状网络和低功耗的特点。通过 USB 转串口连接到控制中心的 ZigBee 协调器模块，在室内建立无线星形 ZigBee网络，并将所有终端节点加入ZigBee网络中并实时发送到移动终端，从而实现老人对于室内环境基本参数的实时了解，和门锁的操控，协调器节点的主要作用：

（1） 组建ZigBee网络，等待节点加入；

（2） 接受有毒气体传感器、温湿度传感器节点采集的数据，并通过USB转串口发送到PC上位机界面显示，以实现联机；

（3） 通过接收 PC 上位机发送来的控制指令，再经节点 ID 识别发送给相应控制节点；

（4） 控制终端节点的休眠与唤醒。

2.2 温湿度、有毒气体传感器、继电器组合节点

每一个温湿度、有毒气体传感器节点包含一个CC2530芯片和DHT11温湿度传感器、MQ-2有毒气体传感器、继电器：

DHT11温湿度传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，传感器有较为精确的湿度校验室中进行校准，校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要調用这些校准系数；

MQ-2是一款用于有毒气体监测的高精度传感器。它由微型 AL2O3 陶、瓷管、SnO2 敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件；

系统采用5V光耦继电器与ZigBee板结合的方式，采用光隔离信号的方法，具有低功率、转换速度快等特点，利于老人快速控制灯和门锁。

2.3 驱动部分

为了防止老人忘记携带移动终端，特别设计开门双保险，确保老人能有多种方式开门，方便老人生活。本系统的驱动部分主要由51单片机最小系统、舵机、寻迹传感器、电源组成：

（1） 51单片机最小系统采取8051系列的芯片，做好最小系统接到ZigBee节点上；

（2） 寻迹传感器采用 TCRT5000 红外反射传感器检测，在一定范围内对事物进行判别。通过老人靠近门锁，反射较强点的红外线时，通过单片机指令实现开门锁；

（3） 舵机由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器组成。舵机在智能开锁方面也有较大用途，其转速较快，反应灵活，易于操控；

（4） 电源部分采用4节充电干电池作为驱动的电源，对于老人来说操作方便，更换灵活。

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括以下6个模块的软件设计：CC2530协调器软件设计，CC2530温湿度检测软件设计，CC2350 MQ-2有毒气体传感器检测软件设计，CC2530驱动部分设计，PC上位机软件设计，Andriod客户端交互性界面软件设计。

3.1 ZigBee局域网程序设计

局域无线通讯主要有协调器和终端两大部分组成。通过收发协议，在本系统中采取Z-Stack协议栈，同时采用了配套的Sample Application 作为实例。

本实验的协调器采用星型拓扑结构，主要负责连接和看护网络及其终端设备，直接与ZigBee协调器通信。其中，Z-Stack在建立一系列任务时，系统给不同的任务分配不同的优先级，保证高优先级的任务有事件时最先得到处理，MAC层的任务一般会赋予最高优先级。SampleApp 中在 Z-main.c 中调用 osal-init-system （） 对Z-Stack 进行初始化，在这个函数中又层层调用了 ZDApp-init（） 对 ZDO 层首先进行初始化[4]，接着对应用层进行初始化，在这里我们选着固定的协调器节点，组建网络，分配终端各节点地址，协调器自身分配地址为0，程序进入主要部分，协调器起着监听的作用，它会将终端节点传来的数据传输到移动终端和PC上位机界面上，协调器工作流程如图2所示：

3.2 终端节点的软件设计

终端节点一共有两种，一种是温湿度、MQ-2、继电器组合节点，一种是温湿度、MQ-2、智能门锁节点。

温湿度、MQ-2、继电器组合节点采用DHT11温湿度检测传感器、MQ-2有毒气体传感器、光耦继电器结合的方式。DHT11的数据格式为8b湿度整数数据+8b湿度小数数据 +8b 温度整数数据+8b温度小数数据 +8b 校验和[4] 。首先，系统初始化串口，延时20-40us进行温湿度的读取，然后将读取的数据传送给协调器。MQ-2有毒气体传感器选择J10口的 0 号端口作为 MQ-2 的采样端口。烟雾传感器在不同的烟雾浓度环境下，自身的体电阻发生改变，从而导致输出电压变化。本系统用甲烷来测试，测试范围在5000～20000ppm，如果在预设浓度内，老人移动设备会发出预警。

继电器利用高低电平的性质来控制灯的开关。

温湿度、MQ-2、智能门锁节点主要由温湿度传感器、MQ-2传感器与上文类似，这里不再重复，智能门锁由51单片机、舵机、电源、寻迹传感器组成，并连接ZigBee节点。

舵机与寻迹传感器的引脚接在51单片机上，寻迹传感器设置高电平，红外一直打开，如果老人身体移动到门锁前便可开门。舵机设置延时100ms方便老人开门，具体的工作流程如图3所示：

3.3 交互性Andriod客户端和上位机设计

为了适应老人的心理需求，特别在Andriod客户端界面是进行了交互性设计，按钮清晰、布局简易、字体符合老人审美要求、颜色适合老人心理需求，PC 上位机可以在电脑上展示和控制当前温湿度，方便儿女观看， 交互性的Andriod客户端界面更加方便老人使用。

PC 上位机在 VC6.0编译器上使用C++语言编写，主要有以下几个功能：与协调器通过串口连接通讯，与手机使用 TCP/IP 协议通过 Socket 相互传递数据[5] ，显示实时的温湿度数值、有毒气体预警、灯的开关以及变化曲线图，主界面温湿度去吸毒如图4所示，ZigBee网络连接好之后便开始传输数据，并实时显示变化曲线，这时点击连接数据，电脑开始监听，接入手机端，PC服务端和手机客户端就会相互发送数据，当收到手机发送的指令时，便会自动转发给协调器，之后再发送到终端节点。

Andriod App在带有 ADT 的 eclipse 编译器上采用 Java语言编写。主要包括以下功能：与 PC 上位机使用 TCP/IP 协议通过 Socket 相互传递数据，向上位机发送控制命令并显示接收到的温湿度数值，有毒气体检测情况，灯的开关，开门锁。 主要的流程为：输入 PC 上位机的通信 IP 和通信端口建立通信，老人在软件界面对于对门锁、灯、有毒气体、温湿度进行控制和查看。软件结构如图5所示：主程序用于通过输出的 IP 和端口初始化通信。控制显示模块显示门锁控制、灯的开关、温湿度数值、有毒气体是否超标，通信模块：通信套字节。

4 系统测试

通过对智能老人助理系统各节点的调试后如图6所示，移动终端接入到ZigBee局域网中，将已经连接好的ZigBee协调器与各个ZigBee终端节点组网。首先，在上位机上输入本地路由器的IP地址，端口号为9600，接着，将电脑IP地址连接到移动客户端，开始初始化系统，最后，将终端节点的数据通过ZigBee协调器传输到上位机和移动终端，实现对老人室内温湿度、有毒气体感知，灯、门锁的操控。我们经过多次试验，可以看出系统的稳定性、灵敏度等特点，系统在延时1S的情况下，数据反应迅速。为了进一步测试系统的稳定性，我们分多种情况来探讨系统的稳定性如图7，表1、表2所示，为了探究其稳定性，实验分为两种情况来研究丢包率，一是多种距离无障碍情况下的丢包率，二是在15M情况下有障碍的丢包率，结果表明系统的稳定性良好，很好地满足老人的使用要求。

5 结论

本系统最大的特色在于成本低廉、功耗低、界面交互性设计、开门多重保險。首先ZigBee模块具有低成本、低功耗的特点，特别是系统的硬件和软件都是从这一方面考虑的。软件采取终端响应原理，如果没有事件发生时，处于休眠状态，在选择硬件设备时强调成本低廉，但保证系统的稳定性和灵敏度的产品，移动终端又特别强调交互性界面设计，更加贴切老人需求。该智能老人助理系统有上位机和移动终端两种控制手段，对于老人来说特别建议使用移动终端，小巧、方便，上位机作为辅助。同时，本系统设计双重开门措施，更加符合老人的实际情况，本系统在工业大棚等场所也有一定应用前景。

参考文献：

[1] 全国老龄委办公室.未来20年是中国老年人口增长最快时期[R].北京：全国老龄工作委员会办公室，2012.

[2] 张艳珠.基于用户体验的老年人家用智能产品交互性设计研究.[D].太原：太原理工大学，2016.

[3] 黄春英.新型阀门电动执行机构的研究与开发[D].大连：大连理工大学，2003：6-12.

[4] 周游，方滨，王普.基于 ZigBee 技术的智能家居无线网络系统[J].自动化与仪器仪表，2005，31（9）：37-40.

[5] 侯俊，吴成东，袁中甲，等.基于 ZigBee 的智能家居安全监控系统研究[J].机电工程，2009，26（1）：67.