关键词：安全监护系统；ZigBee；无线传感器网络
Abstract: Now the aging of population is becoming more and more serious in china. Because of the implementation of the "family planning" policy, the numbers of the families of the only child are increasing nowadays. In the view of the situation that the elderly living alone without caring at home, how to grasp the daily life of the elderly at the first time will become particularly important. The design of the elderly indoor security monitoring system based on ZigBee, which uses wireless sensor networks to sense the activity of the elderly to achieve the purpose of guardianship. The system is based on the STM32 series ARM controller introduced by STMicroelectronics and the CC2530 wireless RF chip of TI company. In this paper, the hardware and software of the terminal node and coordinator node in wireless sensor network are designed.
Key words: Safety monitoring system; ZigBee; Wireless sensor networks
【中图分类号】X913.4 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）07-0000-00
1 引言
世界经济社会文化不断发展的同时带来了人口结构的演变，随着老年人口比例的不断攀升，人口结构模型逐渐呈现出“倒金字塔”式的模式。尤其是我国在计划生育的基本国策带动之下，已经渐渐步入了老龄化的阶段[1]。社会结构的转变也使得年轻人的工作压力越来越大，几乎顾不上在家照顾家庭。大部分老人由于缺少必要的照顾，安全无法得到保障。如何对独居的老年人群体进行有效的监护已然成为时下最为严峻的社会问题。老年人群体需要我们的关怀，他们的生活状态需要专业设备的实时监护。
随着近年移动通讯技术和物联网相关技术飞速发展，借助移动终端等通信设备，可以快速获得环境参数等信息并得以反馈，新技术对于预防和控制突发事件起到了关键的作用。无线传感器网络（WSN，Wireless sensor networks）综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户[2]。因此将无线传感器网络技术应用于独居老人室内安全监护系统是非常有必要的。
2 系统总体架构设计
整个系统分用户接收端及室内无线传感器网络两个部分。系统整体架构如图1所示，无线传感器网络由室内各个传感器节点组成，每个传感器节点分别由控制器CC2530和温度、烟雾、红外、加速度等传感器组成。传感器节点作为ZigBee网络中的终端节点负责收集室内的环境参数并判断是否出现异常的情况，然后消息通过ZigBee无线射频技术发送给用户接收端的控制器CC2530。用户接收端的控制器CC2530作为ZigBee网络中的协调器节点负责接收来自室内各传感器节点的消息并通过SPI通信发送给主控制器STM32，主控制器将收集到的信息加以汇总将危险和异常情况通过GPRS模块实时的发送给监护人以此达到安全监护的目的。基于ZigBee技术的智能型无线传感器监护系统提高了管理系统中数据的可靠性，对每个终端节点所监控的区域内发生的异常能及时判断并通过无线网络发送给终端设备。

3 室内安全监护系统的硬件设计
3.1 微处理器（MCU）控制模块
在用户端，主控制器选用意法半导体公司（ST）推出的STM32系列微控制芯片STM32F103ZET6。STM32系列微控制器搭载ARM公司专为嵌入式领域开发的Cortex-M3内核。该内核专为满足集高性能、低功耗、实时应用于一体的嵌入式领域的要求而设计，具有高性能、低功耗、实时性等特点[5]。。
3.2 ZigBee无线射频传输模块
副控制器选用CC2530是Chipcon公司推出的CC2530，CC2530作为低功耗、低电压、性能稳定的射频收发芯片，广泛应用于无线网络中。CC2530的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性[5]。CC2530只需要较少的外接元件便可运行了。CC2530的典型应用电路如图2所示。


无线射频模块通过ZigBee通信接收和发送数据。CC2530通过SPI接口与主
控制器STM32进行交换数据和发送命令，由于STM32F103ZET6集成了SPI控制器，因此CC2530射频模块可以通过SPI总线接口与处理器STM32直接连接并进行数据通信。CC2530与微处理器STM32的接口连接如图3所示，STM32通过片选（CS）、时钟（SCK）、主输出从输入（MOSI）、主输入从输出（MISO）4条线直接连接到CC2530的4个SPI通信接口，负责数据通信；在这种连接方式中，STM32工作在SPI主模式下；而CC2530射频模块工作在子模式下，由处理器STM32控制进行有效的数据收发工作。

3.3 GPRS无线通信模块
通信芯片选用SIMCom公司的产品SIM900A，它属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，性价比高且性能稳定，能够满足实际应用的需求[6]。SIM900A的RI引脚默认保持高电平，当监测到一个低电平出现的时候，就会采取相应的动作进入到短信或者电话模式。串口3用来控制SIM900A芯片，USART3_RTS、USART3_RX为输入端口，定义为浮空输入模式，USART3_CTS、USART3_TX为输出端口，定义为推挽输出模式。SIM900A与微处理器STM32的接口连接如图4所示。

3.4 电源模块
在主电路中，主控芯片STM32的工作电压为2.0～3.6V，通信芯片CC2530的工作电压也为2.0～3.6V，为使模块各个部分正常工作，对两者进行供电，电源供电电路如图5所示。

3.5 传感器终端节点
传感器终端节点由监护参数传感器和无线射频芯片CC2530构成，在卧室、厕所、客厅、厨房等处分别设置传感器来获取老人活动的各种数据，如在灶台附近放置温度传感器监测老人做饭频率是否正常，室内各处放置烟雾传感器监测是否有意外火灾事故的发生，在每个房间门处放置红外传感器定位老人具体在哪个房间，水管旁放置红外传感器监测老人用水情况是否正常，条件允许的情况下在老人身上佩戴加速度传感器来监测老人是否有异常跌倒的情况等。本文以室内设置烟雾传感器作为监护参数采集传感器为例，给出独居老人室内监护系统传感器终端节点的设计。图6为传感器终端节点的硬件结构图。

本设计的烟雾传感器采用的是NEMOTO公司生产的NIS-09C，它是具有低功耗、普适性的传感器，适用于高灵敏度烟雾探测器、火灾报警系统。首先，传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大，转化成大的电压信号送入CC2530单片机后，在CC2530单片机内A/D转换，先线性化处理得到的数据，再将数字化电压信号转化成为其对应的十进制浓度值，再判断浓度值是否超出允许的范围。另外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反映越快，响应时间和恢复时间也就越快，当传感器加热丝或电缆线和传感器断线和接触不良时，同样将消息发送给用户端再通过GPRS模块发送给监护人以便及时了解情况。图7为烟雾探测器及其信号调理硬件电路。

4 室内安全监护系统的软件设计
4.1 ZigBee无线网络节点软件设计
网络节点由网络协调器和传感器节点两部分构成。网络协调器有配置网络参数、将其他的传感器节点加入到网络中、对整个ZigBee无线网络进行运维、建网、接收来自传各类感器节点的监测数据的工作任务。系统中的协调器节点接收来自各传感器终端节点的监测数据,并将数据通过串口输送给主控制器进行处理。如图8为协调器节点程序流程图。

传感器节点有加入ZigBee网络、驱动各个传感器以及发送监测数据给网络协调器的工作任务。系统中的传感器节点要准确接收协调器节点发送来的操作指令并按照协调器的指示加入网络，去执行室内的环境参数信息的采集，并将采集到的数据通过无线网络信道来发送给协调器节点。传感器节点的程序流程图如图9所示。

4.2 GPRS无线通信模块软件设计
4.2.1 串口和中断控制器的配置
为了实现主控制器与SIM900A模块之间的数据通信和短信收发。首先要搭建环境，在建立好的工程中加入需要用到的库函数以及其他配置文件，然后设置 USART传输的波特率为9600b/s，字长为8位，1位停止位，无校验模式。在对串口3初始化之后，打开串口的中断响应函数：USART_ITConfig（USART3,US-ART_IT_RXNE,ENABLE），使能相应的串口：USART_Cmd(USART3，ENABLE)，这样串口的配置就基本完成了。中断配置设置抢占占优先级1位，响应优先级1位，然后使能串口再进行初始化配置。在设置优先级的时候，只有根据系统的实际运行情况，配置最有效的中断分组和优先级，才能保证程序运行时能够准确及时的响应中断。
4.2.2 无线通信模块短信功能的实现
AT命令是主控制器和SIM900A之间的通信协议，实现对SIM900A的控制。短信的收发主要有文本和PDU两种模式。首先配置本模块的初始化，然后主控芯片通过USART向SIM900A发送“AT+回车”命令确认AT命令是否能够正常工作，当返回OK时可以进行接下来的短信功能操作。
SIM900A的主要短信功能分为读取和发送短消息，读取短消息的设置命令为：AT+CMGR，该命令生效后收到两个返回值，index（接收到的短信的编号）和mode，将接收到的短信编号存放在一个缓冲区中并写入到串口中，然后再读取串口中的内容来获取短信的编号。而短信的内容存放在alpha中，它处于响应的第三个位置，通过get_fw(at_string，phnum，19，2)函数可以将短信的内容取出来。发送短消息的设置命令为：AT+CMGS，将要发送短信的电话号码存入到缓冲区并写入到串口中，以此获取手机号码。在发送短信的时候，短信的内容之前会有一个“>”符号，编写程序时当系统检测到“>”时，后面跟随的内容也就是短信将要发送的内容，最后将短信的内容写到串口即可。相应的AT命令如附表所示。


5 总结
    本文设计了基于ZigBee的独居老人室内安全监护系统。考虑到传统的视频监护手段对老人的隐私考虑不周，一些穿戴型的生理参数监测仪器也对老人的生活造成了极大的不便，设计了一款更加实用的监护系统。系统采用数据实时传输的无线通信方式对独居老人的生活情况进行监护，很大程度上降低了老人发生事故的风险。该系统成本低，可靠性强，有利于灵活实现多个监护参数的设置和传输，经过实际测试可以很好地完成通信任务。具有广泛的发展前景和社会意义。
参考文献
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[4]唐明霞,王秋光.独居老人无线监护系统用户端的设计[J].哈尔滨理工大学学报,2006,11(6):49-52.
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[8]Wenqi Guo, Healy, W.M, Mengchu Zhou.ZigBee-wireless mesh metworks for building automation and control[C]. Nerworking, Sensing and Control(ICNSC), 2010 International Conference Chicago,IL,USA, April.2010.
作者简介
刘子峰 （1992-） 男 硕士研究生 研究方向为嵌入式控制技术和电路设计