基于ZigBee的智能居家养老系统设计

信息疼术2018年第2期文章编号=1009 -2552 (2018)02 -0078 -04 DOI：10. 13274/ki.hdzj.2018. 02. 018
基于ZigBee的智能居家养老系统设计
李凌霞\李冰冰2
(1.哈尔滨金融学院，哈尔滨150030; 2.中国电子科技集团公司第四十九研究所，哈尔滨150001)
摘要：为实现智能居家养老，提出了基于Z i g B e e技术的居家养老系统设计方案，系统包括Zig B e e无线传感网络、智能网关和监控中心三部分。

A R M微处理器具有强大的处理能力的优势，
设计采用A R M智能网关实现与监控中心的双向数据传输，对居家老人的生理参数和家庭环境远
程实时监控，并且对异常情况进行警报提示的居家养老服务系统。

实验结果表明，该系统具有
功耗低、易扩展、运行可靠、响应及时的特点。

关键词：居家养老系统；无线传感网络；ZigB e e节点；A R M智能网关
中图分类号：T P216 文献标识码：A
D e s i g n o f i n t e l l i g e n t h o m e c a r e s y s t e m b a s e d o n Z i g B e e
LI Ling-xia1，LI Bing-bing2
(1. Harbin Finance University，Harbin 150030,China；
2. The 49th Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation，Harbin 150001，China ) Abstract:In order to realize intelligent h o m e care，the design scheme ol h o m e care system based on
ZigBee technology is put forward，the system includes three parts：ZigBee wireless sensor network，intelligent gateway and monitoring center.For A R M microprocessor with the advantage of powerful processing ability，h o m e care service system with A R M intelligent gateway i s designed to realize the bidirectional data transmission with the monitoring center，real time monitoring of physiological parameters and family environment of the elderly，and alerting the abnormal situation at h o m e.The experimental results show that the system has the characteristics of low power consumption，easy expansion，reliable operation and timely response.
Key words ：h o m e care system；wireless sensor networks；ZigBee nod e;A R M intelligent gateway
0引百
随着我国老龄化社会的到来，安全舒适的居家 养老是现代社会亟待解决的问题。

如今物联网技术 快速发展，利用传感器技术、无线通信技术和嵌人式 技术手段，实现由监控中心和手机终端远程访问和 控制，获取居家环境和居家老人的生理参数,为社区 内老人的日常生活提供一些必要的服务，如医疗服 务、健康监测、环境安全监控及必要的上门服务等, 从而实现老人在家安心、舒适地养老。

近年来，传感器一特别是生物医学传感器技 术的快速发展和普及[1]，使得利用穿戴式采集器对 居家老人各项生理参数采集与无线数据传输更为便 捷，实现对居家老人健康状况和生活环境的实时在 —78 —线监控。

ZigBee无线通信技术的优势是低功耗、低 成本、低复杂度、大容量、短时延、高可靠性以及简单 灵活的网络拓扑结构，广泛应用于自动控制和远程 控制领域，可以嵌人各种终端，但目前还没有关于居 家养老系统的无线感知网络的组网方案设计。

本文 设计了基于Z i g B e e技术组建的家庭内部传感网络 的智能居家养老系统，通过监控中心和手机实现对 居家老人的生理参数和家庭环境远程实时监控，并
收稿日期：2017-04 -17
基金项目=2015年哈尔滨市应用技术研究与开发项目（2015R-QQXJ028)
作者简介：李凌霞（1973-),女，硕士，讲师,研究方向为数据库与知识库。

且对异常情况进行警报提示，本系统具有使用简单、 可靠和实时性等优点。

1系统总体设计
智能居家养老服务系统包括Z i g B e e 无线传感
网络、智能网关和监控中心三部分，系统总体结构图 如图1所示，Zi g B e e 无线传感网络采用拓扑结构相 对简单的星形拓扑结构，由一个协调器和多个终端 设备节点组成，终端设备节点分为Z i g B e e 数据采集 节点和Z i gBee 控制节点两种，设计采用A R M 智倉g 网关，A R M 微处理器具有强大的处理能力和低功耗 的优点[2]。

图1系统总体架构图
(1)
采用Z i g B e e 技术组建家庭内部传感网络， 由一个ZigBee 协调器和多个Z i g B e e 终端设备节点 构成，ZigBee 数据采集节点分别采集室内环境数据， 如室内温度、湿度、安防信息，及老人的主要生理参
数，如血糖、血压、脉搏等，Z igBee 控制节点将根据监 控中心控制台的指令控制各个房间的灯光及家电设 备等。

(2)
协调器节点负责建立并维护家庭内部传感
网络，收集终端设备节点采集的信息，实现各终端设 备节点与智能网关的无线通信。

(3) A R M 智能网关实现家庭内部传感网络与外 部通信网络协议的转换，网关通过G P R S /G S M 模块
和Ethernet 模块传输到外部网络。

(4) 监控中心服务器的管理软件包含以下功 能:实时监护、数据库管理、通信管理、异常报警。

系统工作流程如下:家庭内部传感网络采用星
型拓扑结构，终端设备节点采集的信息首先传送给 协调器，协调器节点比较采集值与系统设计的阈值，
判断是否启动警报装置;接下来Zi g B e e 协调器将信 息传送给网关，由网关实现将ZigB e e 感知网络信息 通过互联网传输到监控中心，监控中心远程监控居 家老人的情况，并发送控制信息，家庭网关对控制信 息做出判断和响应，并控制相应的Z i g B e e 控制节点 执行功能。

2硬件设计
本文设计的基于Z i g B e e 的家庭内部传感网络
采用A R M 智能网关，系统主要包括A R M 微处理器
S T M 32F 107V C T 6、ZigBee 协调器、G P R S /G S M 模块、 Ethernet 模块、Z i g B e e 终端设备节点即Z i g B e e 数据
采集节点和Z igBee 控制节点两种。

2. 1 Zi g B e e 无线传感器节点
ZigBee 无线传感器节点采用德州仪器公司的 C C 2530F 256芯片设计，C C 2530具有低功耗，低成
本，结合了先进的R F 收发器的优良性能，系统内可 编程闪存256k B 空间，8k B R A M 和其它强大的 功能[3]。

ZigBee 无线传感器网络节点包括终端设备节点
和协调器节点，终端设备节点分为Zi g B e e 数据采集 节点和Z i g B e e 控制节点两种，其中，Z i g B e e 数据采 集节点的传感器主要用于采集体温、脉搏心率、血压
等生理参数的监测，室内温湿度、烟雾等室内环境的 监测，其硬件包括无线传感器模块和安防模块。

ZigBee 控制节点通过2. 4G H z 天线接收智能网关经 协调器节点发送的命令，驱动家电模块、灯光模块和
警报控制模块等。

终端设备节点和协调器节点的硬
件设计相同，通过在节点连接的外围传感器或继电
器开关不同实现不同功能[4]，其结构如图2所示。

语音/灯光/警报
控制模块2.4GHz 天线 :C 2530|M b 觸
A/D
转
■换器1T
存储器控制模块
数据采集模块
供电模块
图2 ZigBee 传感器节点结构图
ZigBee 数据采集节点将信息发送给Z i g B e e 协
调器，协调器节点比较采集值和系统设计阈值[5]， 决定是否启动警报器;协调器与智能网关通过SPI
连接，将从数据采集节点发送来的数据接收并传输
给智能网关，从而实现居家老人生理参数及室内环
境检测数据的采集、存储与无线收发。

Z i g B e e 协调 器节点的软件设计主要由Z i g B e e 协议栈和应用控 制程序组成。

2.2智能网关设计
网关的功能是实现外部通信网络与内部网络协 议之间的转换[6]，在本系统中，实现家庭内部传感 网络与外部通信网协议的转换。

网关作为家庭内部 传感网与Internet 及G P R S 等网络数据通信及传感 器网络的管理，其主要功能是通过启动Zi g B e e 协调 器节点来建立和管理网络、分配网络地址、数据传输 等。

网关的工作流程：网关通过启动Z i g B e e 协调
一 79 —
协
调
器
器，创建一个无线网络，通过终端节点与Z i g B e e 协 调器实现无线通信，形成一个星型无线网络，实现将 采集到的信息传输到Z i g B e e 协调器节点，Z i g B e e 协 调器节点将信息再通过网关发送给远程监控中心； 远程监控中心还可通过网关传输控制指令，向家中
ZigBee 控制节点传达指令。

智能网关C P U 采用基于A R M 920T 内核的Sa ­
msung 公司的微处理器 S T M 32 芯片， 通过以太网接
口和G P R S 接口接人公共网络[7]，实现与Zigbee 家 庭内部感知网的双向数据传输，用户通过监控中心
P C 或手机就可以对居家老人情况进行查询与控制。

硬件组成还包括以太网模块、G P R S 模块、L C D 显示 模块、存储模块、Zigbee 模块接口、程序调试接口等， 如图3所示。

网关采用S T M 32作为主处理器，工作 频率高达到72M H z ，内置512k B 闪存及64k B 的
S D R A M ，足以满足本设计中网关的需求[8 ]。

图3智能网关结构图
2. 3 Zigbee 网络结构设计
无线传感网络的Zigbee 终端节点将采集到的 数据经协调器节点传送到网关，网关通过G P R S 模 块、以太网模块建立无线连接，并最终实现与Inter ­
net 的连接，将数据传输到监控中心系统平台。

系统
中协调器负责网络的创建和管理，通过C C 2530的 射频模块实现与终端设备节点的无线通信，并通过 网关实现与外部网络的通信。

3软件设计
3.1监控中心软件设计
监控中心的应用软件采用J a v a 语言在M y E -
clipse 平台开发，居家老人信息采用M y S Q L 数据库
存储，服务器管理软件包含以下功能：
(1)
实时监护:实时监测老人的主要生理指标，
如血压、心跳、体温等，实时监测老人的居家环境，如
安防、烟雾等，将所有老人的生理信息和居家环境信 息依次动态地显示，以便于对各种危险情况能及时
通知监护人员处理。

(2) 数据库管理:存储/查询/修改老人生理信
息、监控环境信息，可通过P C 机或手机客户端随时一 80 —
了解老人的生理状况和居家环境信息。

(3) 通信管理:监控中心服务器通过串口通完成与Zigbee 网关节点的双向数据通信，并提供给
P C 和手机客户端进行访问。

(4) 异常报警：当居家老人的某项生理指标
过预设值或者室内环境检测有异常的情况下，驱动 计算机的扬声器发出报警声，提醒监控中心的工作 人员有异常情况出现。

3.2无线传感网络
无线传感网络的终端节点采用Zigbee 无线传 输协议，该协议特点是近距离、低复杂度、自组织、低 功耗、低数据速率、低成本。

终端节点设有传感模 块，将采集的信息发送给协调器，同时也接收协调器 发送的指令，其软件设计流程如图4所示。

图4无线传感网络软件设计流程
3.3网关软件设计网关的作用是启动协调器建立无线传感网络， 实现家庭内部传感网络与外部通信网协议的转换， 因此对网关处理能力有较高要求，本系统智能网关 以S T M 32微处理器为核心，在S T M 32微处理器中嵌
人T C P /I P 及Z i g b e e 协议栈，实现Z i g b e e 网络与 T C P /I P 协议的转换，T C P /I P
协议栈采用德州仪器
公司Z-Stack-C C2530协议栈。

网关的工作流程是 以S T M32微处理器为核心，协调器节点将接收的终 端节点发送的传感器数据，发送到S T M32微控制器 中，在S T M32中嵌人Z-Stack-C C2530协议栈，实现 将Zigbee传感网络的信息传送到监控中心的服务 器上，同时也接收远程监控中心的控制指令。

其工作流程如图5所示。

图5网关工作流程
4测试与分析
监控中心服务器程序在MyEclipse环境下采用 Java语言开发，用M y S Q L数据库存储，页面程序采 用J S P实现。

以一个家庭环境作为测试场所，将信 息监控中心布置在客厅，建立无线传感网络，对室内 温湿度、一氧化碳等环境信息及老人的体温、血压、心率脉博等身体参数进行采集等生理参数进行采 集，并上传至监控中心。

对4位居家老人同时进行 血压和体温的测试，采用重复和对比的方式将测量 结果与传统方式的测试结果进行对比与分析，以确 定采集数据的准确性。

系统采集老人生理参数及环境数据进行无线传 输，表1和表2实验数据表明，系统测量的数据与传 统测量的数据基本保持一致，验证了系统无线传输 功能的有效性。

并且当室内出现环境异常（如火 警，煤气泄漏等），传感器节点及监控中心控制台均 会发出警报。

系统完成居家老人的生理信息和居家 环境信息的获取、数据库管理、信息异常报警等功 能，满足了家用居家养老监护的需求。

表1老人体温与血压测量数据与传统测量值的比对
样本
节点测量
体温（°c)
传统体温计节点测量血压传统血压计
测量值（C)(mmHg)测量值（mmHg)
样本一36.236.295/12895/128
样本二36.336.390/13090/130
样本三36.136.185/13585/134
样本四36.136.285/12586/125表2室内温度与湿度测量数据与传统测量值的比对
样本
节点测量
温度（c)
传统温度
计测量（c)
节点测量湿度
(%R H)
传统湿度计
测量（％R H)
样本一20.121.239.139.1
样本二20.820.842.342.3
样本三22.322.447.147.1
样本四19.919.944.244.0
5 结束语
本文设计了基于Zigbee感知网络的智能居家 养老系统，终端设备节点分别采集室内环境数据、老 人的主要生理参数、控制家电设备等，实现了接收和 异常报警传感网络的数据信息，该系统的主要优势 有以下几方面：
(1) 采用无线传感网络监测居家老人的生理数，可根据实际需要添加不同功能的传感器节点，更 便于对老人健康全面监测。

(2) Zigbee终端节点对室内环境采集信息能监控中心和网关L C D上显示出来。

(3 )对异常情况，监控中心和家庭传感器节点 自动报警。

测试表明，系统具有较好的扩展性、实用 性，运行可靠，响应及时。

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电子技术应用，2012,38(10) :51-53.责任编辑：薛慧心
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