无线传感网的居家养老环境安全监测系统_硬件设计(附件)
随着中国步入老龄化社会，为了有效解决养老问题，本课题设计一种基于无线传感网技术的智能居家养老环境安全监测系统，围绕RFID、无线传感网和移动互联网等应用于居家养老工程。研究多学科技术的融合,推动技术创新和社会改革管理创新。本课题实现居家养老环境安全监测，监测对象为煤气、温湿度、烟雾以及居家视频监测，各监测系统通过无线传感网与网关系统相连，并通过无线互联网络实现数据远程传输，同时系统还包含老人一键呼叫系统，预防突发情况。
关键词??WIFI网络，ZigBee技术，物联网，居家养老
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 研究目标及内容 2
2 系统总体设计 3
2.1 设计需求 3
2.2 设计要求 3
2.3 方案选择 4
2.4 设计原理 7
3 硬件单元设计 8
3.1 网关的硬件设计 8
3.2 终端节点与硬件设计 15
4 软件单元设计 18
4.1 系统软件结构 18
4.2 系统软件设计 18
5 硬件单元调试 20
5.1 静态调试 20
5.2 动态调试 20
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
附录A 节点硬件电路 26
附录B 网关硬件电路图 28
1 绪论
1.1 研究背景
中国一直是世界上人口最多的国家，而且老年人数量和老年人占总人口比重均列为世界第一。由于实行计划生 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
育之后，人口出生率下降，青少年与老年人的比例更加失衡，人口结构类型呈现倒金字塔型，老年人每年以800万的速度增长,养老问题日益严重[1]。
面对如此情况,有专家建议采用社会和居家养老相结合的方式,建议建立一种新的养老模式，以居家养老为基础,社区或街道养老为辅,政府机构养老为补充的养老模式[2]。但居家养老还面临着以下待解决问题：
（1）老人突发疾病的预诊预报
作为身体机能逐渐减弱的老年人，生理上的老化，身体功能的逐渐衰退，应变能力逐渐降低，自我修复能力也渐渐下降这些现象都在所难免，如果得不到及时的预防和良好的治疗，会让病人所受的痛苦更大，所需的医疗费用变高，对家庭造成的负担也就更重，从而危及到老人的安全[3]。除此之外，老人的精神文化需求也是必须要满足的。因此如何及时预防及检测到老人突发疾病，是当下亟需解决的问题。
（2）老人居所安全的监控或突发灾害如火灾时救援逃生
传统养老中，老人希望能够在家里养老，但家庭成员因工作原因不能24小时陪伴老人，如何满足老年人在家养老需求和确保家中老人的安全，可以让工作中的孩子们不必担心在家里老人的安全，能让老年慢性病患者得到专业的医疗指导，怎么样在第一时间通知儿女如果家中老人发生意外状况，智能家居很好的解决了这个问题，它很好的兼顾了传统养老和时下先进的科技手段，让儿女可以放心的在外工作，智能家居养老服务可以在老人熟悉的场所中提供健康管理，让年轻人和老年人都可以接受这种智能居家养老模式，是一个双赢的模式[2]。
1.2 国内外研究现状
相对于经济不发达的中国，欧洲等经济发达国家已经率先进入了老龄化社会，同时老年服务业产业也是很早就已经建立，积累了大量的服务经验。专门给老人居住的老年住宅在上个世纪70年代初创于北欧，由此也慢慢普及开来。时至今日，这种养老住宅已经风靡于发达国家。如美国、英国、加拿大等国家[4]。这些国家都有不少颇具规模的老年住宅。目前，发达国家的老年服务产业已经成熟，服务内容和服务方式都更丰富。并且，西方国家更是早早的把信息化技术运用在养老领域，其中最突出的就是远程医疗监测和老年人移动健康监护方面，已经自成系统[4]。
传统文化的差距，导致东、西部的老方式不同，西方更崇尚独立。倡导由社会来提供养老环境；而亚洲人更加提倡的是家庭养老，倡导由儿女来赡养父母，中国由于受到儒家文化的深远影响，更加希望继承传统文化，让儿女尽到孝道，让老年人在家颐养天年，尽情享受天伦之乐。目前我国主要有一下两种养老方式： 家庭养老和机构养老,但在中国的国情之下，“未富先老”给这两种养老方式带来了相当大的阻力。2002大连沙河口区，居家养老这种新的养老首次推出，经过十年的发展，目前已被政府高度重视并逐渐扩展到全国[1]。
1.3 研究目标及内容
本课题要求实现居家养老环境安全监测，监测对象为煤气、温湿度、烟雾以及居家视频监测，各监测系统通过无线传感网与网关系统相连，并通过无线互联网络实现数据远程传输，同时系统还包含老人一键呼叫系统，预防突发情况。整个系统包括下位机和上位机两大部分，下位机包括终端节点以及网关。终端节点是固定节点，有相对固定的坐标。网关是系统的核心，主要负责与上位机通信[10]。
终端节点设计采用ZigBee的无线射频RF收发模块，无线射频收发模块都采用TI官方协议栈，有标准的底层协议[7]，且提供源程序。本设计只需在应用层编写程序，配置相应的寄存器，能够使用收发功能。由ZigBee模块和WIFI模块构成网关。ZigBee模块负责终端节点的通信，能接收节点的发送的数据包。上位机的通信由Wi-Fi模块来实现。包括发送数据包，以及接收上位机的指令[6]。
本课题主要研究内容总结如下：
终端节点的硬件设计；
网关的硬件设计；
WiFi模块硬件设计；
进行综合调试，实现预期功能。
2 系统总体设计
2.1 设计需求
针传统家居环境安全监测系统误报警率高、各子系统相互独立，无智能联动、布线繁杂，施工和维护难度大、以及不具备远程报警功能等不足，结合无线传感器网络技术的巨大优势，该项目提出了一种基于无线传感器网络的智能家居在RFID技术的环境监测系统，网络和移动互联网和其他应用在家庭护理项目。具体内容如下：
（1）智能居家环境监测系统整体方案设计。包括总体设计层面的划分、整个系统的功能规划、安防解决方案的设计等；
（2）考虑到老年人的病发是一个慢性的过程,我们可以通过智能设备每天采集的数据指标来分析，并通过建立老人生理数据库来提供老人健康状况的监视，以及突发情况的紧急呼叫系统；
（3）智能居家环境无线传感器网络节点中传感器的选择、多路报警信号同步采集与处理、节点控制核心模块的软、硬件设计与调试。
2.2 设计要求
2.2.1 系统的实用性
监测系统应该充分考虑实际需要，而不能把所谓的高科技作为第一要务。如果不能结合实际情况，不仅会使居家养老环境监测技术不能发挥出预期的作用，甚至一些新的技术设备可能会成为制约系统发挥其本来属性功能的因素。因此，系统的实用性是首要指标。在这里，我们以国内普通小区的定位作为模型进行分析，考虑到老人、小区的工作人员可能文化水平不高，对复杂的系统无法驾驭，因此本系统在具体操作时一定要简单、快捷、方便，这样才能提高其实用性。
ZigBee通信技术是一种新的无线通信技术，具有距离近，功耗低，成本低，数据传输速率、低复杂度等诸多优点，是基于IEEE 802.15.4标准的无线协议。ZigBee联盟拟定出网络层协议，物理层和链路层标准[9]。ZigBee是一种高可靠性的无线网络。有相似于移动基站的数据传输模块。拥有长达几百米的通信距离。
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 研究目标及内容 2
2 系统总体设计 3
2.1 设计需求 3
2.2 设计要求 3
2.3 方案选择 4
2.4 设计原理 7
3 硬件单元设计 8
3.1 网关的硬件设计 8
3.2 终端节点与硬件设计 15
4 软件单元设计 18
4.1 系统软件结构 18
4.2 系统软件设计 18
5 硬件单元调试 20
5.1 静态调试 20
5.2 动态调试 20
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
附录A 节点硬件电路 26
附录B 网关硬件电路图 28
1 绪论
1.1 研究背景
中国一直是世界上人口最多的国家，而且老年人数量和老年人占总人口比重均列为世界第一。由于实行计划生 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
育之后，人口出生率下降，青少年与老年人的比例更加失衡，人口结构类型呈现倒金字塔型，老年人每年以800万的速度增长,养老问题日益严重[1]。
面对如此情况,有专家建议采用社会和居家养老相结合的方式,建议建立一种新的养老模式，以居家养老为基础,社区或街道养老为辅,政府机构养老为补充的养老模式[2]。但居家养老还面临着以下待解决问题：
（1）老人突发疾病的预诊预报
作为身体机能逐渐减弱的老年人，生理上的老化，身体功能的逐渐衰退，应变能力逐渐降低，自我修复能力也渐渐下降这些现象都在所难免，如果得不到及时的预防和良好的治疗，会让病人所受的痛苦更大，所需的医疗费用变高，对家庭造成的负担也就更重，从而危及到老人的安全[3]。除此之外，老人的精神文化需求也是必须要满足的。因此如何及时预防及检测到老人突发疾病，是当下亟需解决的问题。
（2）老人居所安全的监控或突发灾害如火灾时救援逃生
传统养老中，老人希望能够在家里养老，但家庭成员因工作原因不能24小时陪伴老人，如何满足老年人在家养老需求和确保家中老人的安全，可以让工作中的孩子们不必担心在家里老人的安全，能让老年慢性病患者得到专业的医疗指导，怎么样在第一时间通知儿女如果家中老人发生意外状况，智能家居很好的解决了这个问题，它很好的兼顾了传统养老和时下先进的科技手段，让儿女可以放心的在外工作，智能家居养老服务可以在老人熟悉的场所中提供健康管理，让年轻人和老年人都可以接受这种智能居家养老模式，是一个双赢的模式[2]。
1.2 国内外研究现状
相对于经济不发达的中国，欧洲等经济发达国家已经率先进入了老龄化社会，同时老年服务业产业也是很早就已经建立，积累了大量的服务经验。专门给老人居住的老年住宅在上个世纪70年代初创于北欧，由此也慢慢普及开来。时至今日，这种养老住宅已经风靡于发达国家。如美国、英国、加拿大等国家[4]。这些国家都有不少颇具规模的老年住宅。目前，发达国家的老年服务产业已经成熟，服务内容和服务方式都更丰富。并且，西方国家更是早早的把信息化技术运用在养老领域，其中最突出的就是远程医疗监测和老年人移动健康监护方面，已经自成系统[4]。
传统文化的差距，导致东、西部的老方式不同，西方更崇尚独立。倡导由社会来提供养老环境；而亚洲人更加提倡的是家庭养老，倡导由儿女来赡养父母，中国由于受到儒家文化的深远影响，更加希望继承传统文化，让儿女尽到孝道，让老年人在家颐养天年，尽情享受天伦之乐。目前我国主要有一下两种养老方式： 家庭养老和机构养老,但在中国的国情之下，“未富先老”给这两种养老方式带来了相当大的阻力。2002大连沙河口区，居家养老这种新的养老首次推出，经过十年的发展，目前已被政府高度重视并逐渐扩展到全国[1]。
1.3 研究目标及内容
本课题要求实现居家养老环境安全监测，监测对象为煤气、温湿度、烟雾以及居家视频监测，各监测系统通过无线传感网与网关系统相连，并通过无线互联网络实现数据远程传输，同时系统还包含老人一键呼叫系统，预防突发情况。整个系统包括下位机和上位机两大部分，下位机包括终端节点以及网关。终端节点是固定节点，有相对固定的坐标。网关是系统的核心，主要负责与上位机通信[10]。
终端节点设计采用ZigBee的无线射频RF收发模块，无线射频收发模块都采用TI官方协议栈，有标准的底层协议[7]，且提供源程序。本设计只需在应用层编写程序，配置相应的寄存器，能够使用收发功能。由ZigBee模块和WIFI模块构成网关。ZigBee模块负责终端节点的通信，能接收节点的发送的数据包。上位机的通信由Wi-Fi模块来实现。包括发送数据包，以及接收上位机的指令[6]。
本课题主要研究内容总结如下：
终端节点的硬件设计；
网关的硬件设计；
WiFi模块硬件设计；
进行综合调试，实现预期功能。
2 系统总体设计
2.1 设计需求
针传统家居环境安全监测系统误报警率高、各子系统相互独立，无智能联动、布线繁杂，施工和维护难度大、以及不具备远程报警功能等不足，结合无线传感器网络技术的巨大优势，该项目提出了一种基于无线传感器网络的智能家居在RFID技术的环境监测系统，网络和移动互联网和其他应用在家庭护理项目。具体内容如下：
（1）智能居家环境监测系统整体方案设计。包括总体设计层面的划分、整个系统的功能规划、安防解决方案的设计等；
（2）考虑到老年人的病发是一个慢性的过程,我们可以通过智能设备每天采集的数据指标来分析，并通过建立老人生理数据库来提供老人健康状况的监视，以及突发情况的紧急呼叫系统；
（3）智能居家环境无线传感器网络节点中传感器的选择、多路报警信号同步采集与处理、节点控制核心模块的软、硬件设计与调试。
2.2 设计要求
2.2.1 系统的实用性
监测系统应该充分考虑实际需要，而不能把所谓的高科技作为第一要务。如果不能结合实际情况，不仅会使居家养老环境监测技术不能发挥出预期的作用，甚至一些新的技术设备可能会成为制约系统发挥其本来属性功能的因素。因此，系统的实用性是首要指标。在这里，我们以国内普通小区的定位作为模型进行分析，考虑到老人、小区的工作人员可能文化水平不高，对复杂的系统无法驾驭，因此本系统在具体操作时一定要简单、快捷、方便，这样才能提高其实用性。
ZigBee通信技术是一种新的无线通信技术，具有距离近，功耗低，成本低，数据传输速率、低复杂度等诸多优点，是基于IEEE 802.15.4标准的无线协议。ZigBee联盟拟定出网络层协议，物理层和链路层标准[9]。ZigBee是一种高可靠性的无线网络。有相似于移动基站的数据传输模块。拥有长达几百米的通信距离。
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