基于ZigBee网络的远程老人看护系统设计

基于ZigBee网络的远程老人看护系统设计

黄 龙 陈俊彦 王雨超 杨阿法

（桂林电子科技大学计算机与信息安全学院，广西 桂林 541004）

【摘 要】目前，我国已经步入人口老龄化社会，老人看护问题成为社会关注的焦点。为帮助年轻人群体看护家中老人，文章基于ZigBee网络设计了一套具有较好市场前景的远程老人看护服务系统。该系统包括ZigBee组网设备、智能路由器、云服务器和Andriod APP四个部分，可实现机器人及家庭设备操作，同时可实时监控家中环境安全信息、显示老人身体数据，便于年轻人掌握老人身体状况、远程观察家中老人生活起居情况。

【关键词】老人看护；机器人；ZigBee；智能路由器

【中图分类号】TP391.7 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2018)08-0009-03

Design of Remote Elderly Care System Based on ZigBee Network

Abstract: Currently, China has entered the aging society, and the problem of elderly care has been focused by the whole society. In order to help the young people to take care of the elderly in the family, based on ZigBee network, a long-distance care service system was designed. The system includes four parts: ZigBee networking equipment, intelligent router, cloud server and Andriod APP. It can implement robot and family equipment operation. It provides a convenience for the disabled people, and can monitor the environment security information in real time, show the physical data of the elderly, which can let yang people who were outside know the physical condition and the living conditions of the elderly who were at home.

Key words: elderly care; robot; ZigBee; intelligent router

据统计，2017年底我国60岁及以上老年人口有2.41亿人，占总人口17.3%，中国已经完全步入人口老龄化社会，成为世界上老年人数量最大的国家

[1,2]

在老人手上的手环可检测老人心率、血压等身体数据[5,6]，并通过智能路由器上传至云端进行实时分析，同时在手环上加入摔倒报警功能，预防紧急状况发生。移动端手机APP使用移动网络访问云服务器获取相关内容，APP具有显示家中环境和老人身体信息、接受紧急情况报警提醒、下发命令远程控制家中多个物联网技术产品等功能[2]。利用基于ZigBee组网方式使得实物组网成功，将零散的技术产品融合成一个整体，形成一套帮助年轻人群体看护家中老人的系统，具有较高的市场价值[4,7]。

。中国“计划生育”政策

的实施，导致独生子女家庭较多，时下平均1个年轻人就需要照顾1.5个老人，大量老人的看护问题成为了年轻人群体的重担，因此受到了社会的日益关注。

随着物联网技术的快速发展，新奇好用的物联网产品不断涌现[3]，专门为老人服务的物联网产品也越来越多，但呈现出单规模、独立性强的现状，且未形成一个较为完整的服务系统。

针对上述问题，本文设计了一套基于ZigBee网络的远程老人看护系统，将多个物联网产品深度融合成一个完整系统，系统内的机器人可采集家中环境信息、接受人机语音控制家电以及搭载摄像头实现移动式监控，还可接受远程APP的控制。利用ZigBee组网技术建立1个协调器和多个终端的局域网，实现对家中门、窗户及灯光设备的控制和传感器数据采集，各终端采集数据无线发送给协调器，协调器通过串口与智能路由器相连，智能路由器将数据上传至云服务器[4]。佩戴

1 系统总体框架设计

本系统由ZigBee组网设备、智能路由器、云服务器和Andriod APP四部分组成，系统设计框架图如图1所示。利用ZigBee组网技术进行设备改造，ZigBee中心节点协调器通过USB转串口与智能路由器相连，利用智能路由器数据网关平台将数据上传至云服务器中，APP访问云服务器即可获取相应的信息。

【收稿日期】2018-06-05

【基金项目】广西云计算与大数据协同创新中心立项课题（YD16515）；广西大学生创新创业训练计划立项项目（201810595038）。

【作者简介】黄龙（1996－），男，桂林电子科技大学计算机与信息安全学院学生，研究方向为物联网技术。 【通信作者】陈俊彦（1985－），男，桂林电子科技大学计算机与信息安全学院助理研究员，硕士，研究方向为物联网技术，图像识别技术。

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图1 系统设计框架图

2 系统设计实现方案

2.1 硬件设计实现

本系统硬件设计主要有机器人和老人穿戴的手环两部分，机器人主要功能为采集家中环境信息、接受人机语音控制家电和搭载摄像头实现移动式监控，还可接受远程APP的控制；手环主要用于检测老人身体心率、血压数据，并能够摔倒报警提醒。

（1）机器人：用于服务老人的机器人是以一块STM32F103芯片为主控芯片，主要有语音识别模块、ZigBee通信模块、传感器模块、电机驱动模快。STM32芯片拥有丰富的引脚资源，主要用于驱动电机带动履带和为各类传感器（包括：红外避障、火焰传感器、DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器、MQ-7CO有毒气体传感器、超声波），提供＋5V的直流电和数据反馈引脚。为了充分利用STM32F103的引脚资源，设计了一块外接板，用来引出I/O口引脚供传感器和其他外设使用，如Wi-Fi摄像头模块、音频功放模块等。笔者还专门设计了一块以STM32F101为核心的控制板用于机械臂的控制，控制板引出了8路PWN波，用来驱动机械臂的6个舵机来控制机械臂取物。机器人主板设计原理图如图2所示。

Zigbee通信模块手部驱动电机机械臂机摄像头载手部机械控制模块环境主控模块传感脚部机械控制模块器语音识别模块脚部驱动电机机械行走轮Wifi通信模块 图2 机器人设计原理图

（2）智能手环：老人手上穿戴的手环主控芯片是TI公司的CC2530芯片，手环需要使用一小块锂电池进行供电，手环主板搭载有心率、血压、三轴加速度传感器，其中心率、血压传感器安装在手环与皮肤接触的内侧，紧贴老人皮肤实现测量精确，在老人有心率，血压上的不安全变化时会实时反馈信息；三轴加速度传感器安装在手环表面，实时检测老人身体的运动情况，当加速度传感器突然检测到竖直方向上有一个较大的加速度时，可以判定为老人意外摔倒，这时手- 10 -

环就会发出报警信息[7]。智能手环的设计框如图3所示。

图3 智能手环设计框图

2.2 ZigBee网络实现

协调器作为ZigBee设备网络的中心节点，主动创建网络初始化等待子节点终端加入，接收与转发终端上传的数据，是一个数据处理中心。为了避免多个终端同一时间段发生消息拥挤，各终端需要将自己的短地址发送给协调器，协调器为它们分配地址空间。ZigBee网络组网流程图如图4所示。

图4 ZigBee网络组网流程图

（1）终端一机器人：机器人身上搭载有Wi-Fi摄像头实现远程监控和语音识别模块实现语音操控家中设备，机器人利用串口通信与ZigBee终端相连进行数据传输，把语音转换成指令上传到协调器中，再下发到其他终端，即用机器人作为其中一个终端控制其他终端。

（2）终端二手环：给老人佩戴的手环通过ZigBee技术改造，装有检测心率和血压的模块，可实时检测老人的心率和血压以便掌握老人的身体状况，内置有三轴加速度传感器，实时检测老人身体的运动情况，手环终端将数据打包上传给协调器，再通过智能路由器上传到云服务器。

（3）其他终端家庭设备：利用ZigBee的I/O引脚功能，在家中各设备进行改造，其中客厅终端可以远程开关空调、客厅灯、电视机；窗户终端装有雨滴传感器可以自动检测下雨时关窗、远程 控制窗户和窗帘的开关；厨卫终端装有MQ-2、MQ-7、火焰传感器使用监测设备使用安全情况，红 外热释人体传感器可依据人是否在使用卫生间，实现自动开关灯，还可以远程开关电热水器、抽风机；门终端可以在忘记携带钥匙情况下通过远程打开门锁，门锁被刻意破坏时可以发出警报。而这些终端都可以通过机器人的人机语音识别进行控制，达到轻松享受生活的效果。

2.3 移动端实现

本系统旨在帮助更多年轻人看护家中老人，工作在外的年轻人能否及时了解家中情况显得尤为必要。APP可实时监控家中环境安全信息、显示老人身体数据，以便家属掌握老人身体状况、远程观察家中老人生活起居情况。另外APP可实现机器人及家庭设备操作，为行动不便老人提供了便利。本系统移动端APP共分为三大部分：状态模块、通讯模块、设置模块，功能丰富、操作简单，移动网络情况下满足大多数年轻人的使用需求。APP设计框架结构图如图6所示。

图6 APP设计框架图

（1）状态模块：包括遥控机器、环境监控、家电控制、远程监控，其中遥控机器指用APP远程操控机器人在摄像头页面下行走；环境监控指将家中传感器采集到的数据通过实时数据和历史折线图数据显示出来；家电控制指用APP的按钮实现对空调、灯、窗户、门等家庭设备的开关；远程监控可打开搭载在机器人身上Wi-Fi摄像头观察家中老人生活起居情况，还可以操控机器人前往家中各外进行观察。

（2）通讯模块：包括常用联系人、紧急电话、语音互动，其中常用联系人可以在APP中添加熟人电话号码进行联系；紧急电话是提前输入110、120等报警电话，可以一键拨打紧急电话；语音互动是利用讯飞输入法进行语音文字识别，可以远程语音控制家庭设备。

（3）设置模块：包括登录/注册、个人资料设置、意见反馈、关闭软件、退出软件，此外还包括通知栏显示状态，打开此按钮可以在手机通知栏显示APP接收的报警信息。

3 系统测试结果

本系统测试使用700mAH锂电池作为供电电源，系统启动后ZigBee组网成功，各部分在网络畅通下运行。系统可续 航约60小时，测试期间没有出现断网情况，表现出网络的稳定性。表1 是系统各模块测试及结果。

表1 系统模块测试及结果

测试模块 测试结果

通过APP能够控制其前后左右行走，能够避开障碍物，用户使用机器人模块 普通话能够语音识别控制家庭设备，摄像头在移动网络下观察清晰，存在短时间延迟现象。

手环模块 APP能够显示穿戴测试者的身体心率、血压数值，测试者突然倒地时手环向APP发送报警信息。 客厅模块 可实现收集温湿度；可控制空调；当烟雾传感器感知有毒气体时，启动蜂鸣器报警并上报移动端。

窗户模块 通过步进电机实现控制窗和窗帘的开关；通过光敏传感器和雨滴传感器，可以感应到是否有雨和下雨量的大小。 用小罐液化气故意泄漏少许气体，抽油烟机的传感器感应到有毒厨卫模块 气体自动抽风排气，通过红外热释人体传感器，可依据人是否在使用卫生间，实现自动开关灯，APP可远程打开热水器、抽风机。 门模块

通过接收移动端发送过来的控制指令，可执行开/关门功能

4 总结展望

随着老年人口基数的逐年增大，老人的看护问题成为每个家庭必须重点考虑的问题。本系统可实现机器人及家庭设备操作，为行动不便老人提供了便利。同时APP能够实时监控家中环境安全信息、显示老人身体数据，可以掌握老人身体状况、远程观察家中老人生活起居情况。由于ZigBee网络具有自组网便捷、传输速度快、功耗低等优势，可大大降低电源续航能力。这套系统能给每个家庭带来实际的使用效果，让独自留守在家的老人多了一份安全保障，让工作在外的年轻人及时掌握家中老人情况，不但减轻了年轻人的生活压力，而且还照顾到了家中老人，对尊老养老的传统文化的传承起到了推动作用。

本系统虽然已实现大部分功能，但仍需进一步改进和完善，主要体现为：（1）添加机械臂为老人抓取物体；（2）摄像头结合人脸识别算法，能够识别家中是否来了陌生人，进一步加强安防；（3）机器人具有室内巡逻的功能，发现危险情况及时报警。以上功能在后期将会继续完善。

【参考文献】

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[2] 仇明.基于物联网ZigBee技术的智能社区居家养老系统[J].张家口职业技术学院学报,2014,33(2):71-75.

[3] 朱仲英.传感网与物联网的进展与趋势[J].微型电脑应用，2010,26(1):1-3.

[4] 徐利谋,黄长远.基于物联网的空巢老人居家看护系统的研究与实现[J].无线互联科技,2016(13):45-46.

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[6] 马百杰.基于ZigBee技术的老人监护跟踪系统设计[J].山东工业技术,2016(23):136.

[7] 赵一权,于忠清.基于云架构老人看护系统研究与设计[J].

科技视界,2015(19):138-140.

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