基于无线数传的宜居老人监护系统

基于无线数传的宜居老人监护系统

近年来，中国大城市老年人的比例有所增加。未来社会，越来越多的老年人将过着与世隔绝的生活，对孤独老人的保护也成了一个尚未解决的社会问题。目前,各种家居安防报警系统,一般针对门禁、火灾和防盗监测,并没有对室内居住者的监护功能,且一般采用有线控制方式,需要事先敷设信号控制电缆,成本较高.本监护系统采用无线通信方式,在室内设置各种监护参数传感器来监测老人是否活动及其日常活动规律,将收集的数据通过射频模块以无线的方式传送到小区监护中心,由监护人员来对无人照顾的老人进行日常监护.一旦发现异常,监护系统会向监护人员发出警报,由监护人员确认老人的情况并及时采取措施进行相应处理.有紧急事故发生时,老人可以通过系统设置的紧急报警按钮向小区监护中心发出报警求助信号.老人外出时,可按下撤防开关,防止引起系统误报警.1监控系统的全球设计1.1监控系统的组成系统分用户端及小区监护中心两个部分,如图1所示.用户端由数据采集点和主控制器构成.本文主要介绍用户端的设计和功能.1.2接收和智能控制电路1)数据采集点.由监护参数传感器、编码器和射频发射模块构成,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.数据由编码器编码后,经无线发射模块传送给设置在客厅内的主控制器.2)主控制器.以Atmel公司的AT89C4051单片机为核心的智能控制电路,完成数据接收并进行存储、初步处理及与小区监控中心通信的功能,包括接收模块、译码器、单片机、日历时钟、无线收发器及报警和撤防电路.接收模块接收到各个数据采集点发来的数据,译码器译码成功后送单片机进行记录和相关分析处理.单片机通过收发一体的无线收发器定时向小区监控中心传送存储数据及接受后者发来的指令.若遇突发病或意外情况,按下紧急报警按钮,单片机向小区监护中心发去报警求助信号.老人外出时间较长时,可通过按钮将系统切换到撤防状态,回来后再通过此按钮使系统恢复布防状态.时钟芯片用于标志事件发生时间并提供定时功能.1.3无线通信模块这部分涵盖小区监护平台及无线通信模块,后者依据无线通信协议与用户端的无线通信模块共同完成用户端向小区监护平台传输数据的功能.小区监护平台则定时接收各个用户单元发来的数据,存储并用三色指示灯自动显示各用户的情况,接收到报警信号后报警,具有与各个用户间进行无线通信的功能.2用户端的硬件电路设计2.1监测方案设计由于系统数据采用无线传输的方式,可选择监护参数较多,如可在热水壶上安置温度监测模块、在老人身上安置振动检测模块等分别对老人活动情况进行监测.本文以室内设置声控传感器作为监护参数采集传感器为例,给出独居老人无线监护系统用户端电路设计,原理图如图2、图3所示.2.2信号和发射电路声音信号的采集通过驻极体来完成的,驻极体感应到老人活动发出的声响后产生电压信号,此电压信号经三极管放大后形成脉冲信号,并经由NE555构成的单稳态电路整形,使输入的不规则的脉冲变为规则的矩形波,由3脚输出,经74LS04反向后触发编码器PT2262.编码器收到触发信号后输出一串由不同宽度的脉冲组成的串行码,经射频模块F05C调制后发射出去.NE555构成的单稳态电路具有单稳时延功能,只需开启信号,依靠电路的延时作用自动关闭,延时时间τ取决于R6和C5,τ=1.1R6C5.设定延时10.34s,即时基电路被触发后经过10.34s自动关闭.NE555的3角输出为高电平信号,为与编码器信号电平相匹配,其后加一级反相器74LS04.PT2262为低功耗低价位通用编解码电路,用于设置传感器的地址并对传感器的输出数据进行编码.该芯片最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚,提供531441地址码.设计采用8位地址码4位数据码的编码方式,以保证地址码的数目满足小区内用户数及各用户可设置的数据采集点数.地址码用于标志用户,数据码用于标志各用户数据采集点,每次发射时至少发射4组编码,考虑到编码宽度和速率,外接振荡电阻为330MΩ.用户端采用单向射频模块F05C,用于室内无线传送数据,该模块体积小、性能稳定、频率一致性较好,工作电压范围宽,功耗很低,价格便宜,很适合多发一收无线遥控及数据传输系统.电路采用12V供电,以使F05C具有较好的发射效果.F05C采用AM方式调制在315M.实验测得,无外接天线时发射距离约为20m,满足室内通信要求.2.3软件时延J04E接收到数据后进行解调,由译码器PT2272译码,由17脚输出高电平,单片机检测到P3.7脚的高电平后触发中断读取译码输出数据,并通过I2C总线将数据存入时钟芯片.时钟芯片AMI8583用于向控制系统提供时间、同步及定时功能,当定时时间到,由I¯Ι¯N¯¯¯Ν¯T¯¯¯Τ¯脚向单片机发出中断,此时单片机由16、17脚向nRF401发出控制命令使其处于发射数据状态,然后由3脚将记录的数据串行输出,由收发器调制后经天线发射出去.当用户按下开关S1时触发报警,为防止误报警事件,S1闭合后超过一定时延才确定为报警动作,设定软件时延为10s;按下开关S2时触发撤防功能,单片机则发出信息码标识该用户撤防,然后主控制器进入待机工作状态,直到S2再次出发中断.J04E是与F05C配对的单向射频接收模块,它采用独特的超再生电路结构,接收灵敏度高,接收带宽也比较宽,低功耗,无需外接天线,使用方便.设计中采用3.5V供电以确保J04E最佳接收灵敏度及输出电平与解码器PT2272电平接口,R1用于滤除电源杂波干扰.PT2272是与PT2262相配的译码芯片,工作时,PT2272只有在连续2次检测到相同的地址码才会译码成功,并驱动VT端同步为高电平,外接振荡电阻采用680kΩ.nRF401是单片无线收发一体芯片,它与小区监护中心的nRF401芯片共同完成用户端与小区监护中心的无线通信.该芯片采用蓝牙核心技术设计,包括高频发射/接收、PLL合成、FSK调制/解调、多频道切换等功能,具有抗干扰能力强,工作频率稳定可靠,接收灵敏度高,功耗低,成本低等特点,并可直接接单片机串口接收发送数据,是目前低功率无线数传的理想选择.nRF401工作于433MHzISM频段,采用FSK调制解调方式,外围器件选用数值如图3所示.其中,R4用于降低天线回路的Q值,天线采用差分环型方式,使用距离可达1000m,完全满足用户端和小区监护中心的通信距离要求.AMI8583为带I2C总线接口的日历时钟芯片,用于为主控制器提供时钟、同步和定时功能以及数据存储功能.该芯片具有可编程和闹钟、定时和中断功能,能够提供秒、分、小时、日、月、年包括星期的信息,还是一个6位BCD码的事件计数器,并有256B的RAM用来存取数据,配置电池供电作为RAM的保护电源,数据在系统掉电时能够保持不丢失.由于所有地址和数据可通过I2C总线接口串行传递,节省了与微处理器引脚.芯片供电电压范围宽,功耗低,价格便宜,以替代常用的PCF8583.3用户异常输入用户端软件是针对主控制器的设计.撤防开关S2断开时,单片机控制初始化系统参数,如果数据采集点有数据发来,则单片机读取并存储该数据到时钟芯片的存储器中;当日历时钟设定数据发送时间到时,单片机就控制nRF401将已存记录数据发送到小区监护中心;当用户按下报警按钮时,单片机开始计时,若按钮关闭超过10s,则认为用户确实要报警,发送报警信息;若计时未到10s,则判断为误报警,不发送报警信息;当用户按下撤防开关时触发中断,单片机则控制nRF401发出用户撤防信息后系统进入待机工作模式;单片机通过中断方式退出待机状态,当用户再次按下撤防开关,产生外部中断,使单片机退出待机方式,此时会转去执行中断处理程序,检测引起中断的中断源是不是撤防开关,若是则开始工作,不是则再次进入待机状态.流程图