全文摘要
基于ZigBee的独居老人室内安全监护系统，包括微处理器控制模块、ZigBee无线射频传输模块、GPRS无线通信模块和传感器终端节点；传感器终端节点收集室内的环境参数并判断是否出现异常，消息发送给用户接收端的ZigBee无线射频传输模块，ZigBee无线射频传输模块接收消息并通过SPI通信发送给微处理器控制模块，微处理器控制模块将收集到的信息加以汇总并将异常情况通过GPRS无线通信模块实时发送给监护人。本实用新型能够协作地实施监测、感知和采集网络分布区域的各种环境或监测对象的信息，并进行处理以获得更准确的信息，对发生的异常能及时判断并通过无线网络发送给终端设备。
主设计要求
1.基于ZigBee的独居老人室内安全监护系统，其特征在于，包括：微处理器控制模块、ZigBee无线射频传输模块、GPRS无线通信模块和传感器终端节点；所述传感器终端节点作为Zigbee网络中的终端节点，由监护参数传感器和无线射频芯片构成，所述监护参数传感器收集室内的环境参数，并发送至无线射频芯片以判断是否出现异常，消息通过Zigbee无线射频技术发送给用户接收端的ZigBee无线射频传输模块，所述ZigBee无线射频传输模块作为Zigbee网络中的协调器节点，负责接收来自无线射频芯片的消息并通过SPI通信发送给微处理器控制模块，所述微处理器控制模块将收集到的信息加以汇总并将异常情况通过GPRS无线通信模块实时发送给监护人；其中，微处理器控制模块选用STM32F103ZET6芯片；ZigBee无线射频传输模块选用CC2530芯片；GPRS无线通信模块选用SIM900A芯片；监护参数传感器采用烟雾传感器NIS-09C，无线射频芯片采用CC2530单片机。
设计方案
1.基于ZigBee的独居老人室内安全监护系统，其特征在于，包括：微处理器控制模块、ZigBee无线射频传输模块、GPRS无线通信模块和传感器终端节点；所述传感器终端节点作为Zigbee网络中的终端节点，由监护参数传感器和无线射频芯片构成，所述监护参数传感器收集室内的环境参数，并发送至无线射频芯片以判断是否出现异常，消息通过Zigbee无线射频技术发送给用户接收端的ZigBee无线射频传输模块，所述ZigBee无线射频传输模块作为Zigbee网络中的协调器节点，负责接收来自无线射频芯片的消息并通过SPI通信发送给微处理器控制模块，所述微处理器控制模块将收集到的信息加以汇总并将异常情况通过GPRS无线通信模块实时发送给监护人；
其中，微处理器控制模块选用STM32F103ZET6芯片；ZigBee无线射频传输模块选用CC2530芯片；GPRS无线通信模块选用SIM900A芯片；监护参数传感器采用烟雾传感器NIS-09C，无线射频芯片采用CC2530单片机。
2.如权利要求1所述的基于ZigBee的独居老人室内安全监护系统，其特征在于：ZigBee无线射频传输模块CC2530通过SPI总线接口与微处理器控制模块STM32F103ZET6直接连接并进行数据通信：STM32F103ZET6通过片选CS、时钟SCK、主输出从输入MOSI、主输入从输出MISO四条线直接连接到CC2530的四个SPI通信接口，负责数据通信；在这种连接方式中，STM32F103ZET6工作在SPI主模式下，CC2530工作在子模式下，由STM32F103ZET6控制进行有效的数据收发工作。
3.如权利要求1所述的基于ZigBee的独居老人室内安全监护系统，其特征在于：微处理器控制模块STM32F103ZET6与GPRS无线通信模块SIM900A之间的接口连接如下：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；USART3_TX作为输出端口与SIM900A的数据接收端RXD引脚连接，USART3_RX作为输入端口与SIM900A芯片的数据发送端端TXD引脚连接；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，采取相应的动作进入到短信或者电话模式。
4.如权利要求1所述的基于ZigBee的独居老人室内安全监护系统，其特征在于：烟雾传感器NIS-09C送来的烟雾浓度对应的微小电压信号经过放大，送入无线射频芯片CC2530后，在CC2530单片机内A\/D转换，先线性化处理得到数据，再将数字化电压信号转化成为其对应的十进制浓度值，判断浓度值是否超出允许的范围，并将消息发送给ZigBee无线射频传输模块，再通过GPRS无线通信模块发送给监护人。
设计说明书
技术领域
本实用新型属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于ZigBee的独居老人室内安全监护系统。
背景技术
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下，已经渐渐步入了老龄化的阶段。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。
在传统的视频监护技术中，对老人的隐私考虑不周，一些传统的穿戴性的生理参数监测仪也对老人的生活造成了极大的不便，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。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术中的不足，提供一种基于ZigBee的独居老人室内安全监护系统，起到预防和控制突发事件的作用，以达到在大程度上降低老年人发生事故风险的目的。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
基于ZigBee的独居老人室内安全监护系统，其特征在于，包括：微处理器控制模块、ZigBee无线射频传输模块、GPRS无线通信模块和传感器终端节点；所述传感器终端节点作为Zigbee网络中的终端节点，由监护参数传感器和无线射频芯片构成，所述监护参数传感器收集室内的环境参数，并发送至无线射频芯片以判断是否出现异常，消息通过Zigbee无线射频技术发送给用户接收端的ZigBee无线射频传输模块，所述ZigBee无线射频传输模块作为Zigbee网络中的协调器节点，负责接收来自无线射频芯片的消息并通过SPI通信发送给微处理器控制模块，所述微处理器控制模块将收集到的信息加以汇总并将异常情况通过GPRS无线通信模块实时发送给监护人；
其中，微处理器控制模块选用STM32F103ZET6芯片；ZigBee无线射频传输模块选用CC2530芯片；GPRS无线通信模块选用SIM900A芯片；监护参数传感器采用烟雾传感器NIS-09C，无线射频芯片采用CC2530单片机。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
ZigBee无线射频传输模块CC2530通过SPI总线接口与微处理器控制模块STM32F103ZET6直接连接并进行数据通信：STM32F103ZET6通过片选CS、时钟SCK、主输出从输入MOSI、主输入从输出MISO四条线直接连接到CC2530的四个SPI通信接口，负责数据通信；在这种连接方式中，STM32F103ZET6工作在SPI主模式下，CC2530工作在子模式下，由STM32F103ZET6控制进行有效的数据收发工作。
微处理器控制模块STM32F103ZET6与GPRS无线通信模块SIM900A之间的接口连接如下：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；USART3_TX作为输出端口与SIM900A的数据接收端RXD引脚连接，USART3_RX作为输入端口与SIM900A芯片的数据发送端端TXD引脚连接；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，采取相应的动作进入到短信或者电话模式。
烟雾传感器NIS-09C送来的烟雾浓度对应的微小电压信号经过放大，送入无线射频芯片CC2530后，在CC2530单片机内A\/D转换，先线性化处理得到数据，再将数字化电压信号转化成为其对应的十进制浓度值，判断浓度值是否超出允许的范围，并将消息发送给ZigBee无线射频传输模块，再通过GPRS无线通信模块发送给监护人。
本实用新型的有益效果是：
1、无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实施监测、感知和采集网络分布区域的各种环境或监测对象的信息，并进行处理以获得更准确的信息；
2、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、本系统采用的内核具有高性能、低功耗、实时性等特点；
4、本系统成本低，可靠性强，有利于灵活实现多个监测参数的设置和传输，可以很好地完成通信任务。
附图说明
图1是系统整体架构图。
图2是CC2530与STM32的SPI连接图。
图3是STM32与SIM900A的UART连接图。
图4是传感器终端节点结构图。
图5是协调器节点程序流程图。
图6是传感器节点程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本实用新型。
本实用新型设计了一种基于ZigBee的独居老人室内安全监护系统，系统分用户接收端及室内无线传感器网络两个部分,整体架构如图1所示，无线传感器网络由室内各个传感器终端节点组成，每个传感器终端节点分别由控制器CC2530和温度、烟雾、红外、加速度等传感器组成。传感器终端节点作为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终端节点的消息并通过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。
其中，主控制器选用意法半导体公司推出的STM32系列微控制芯片STM32F103ZET6；副控制器选用的是Chipcon公司推出的CC2530；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。
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的发生，在每个房间门处放置红外传感器定位老人在哪个房间，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。
网络节点有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、接收来自各传感器的监测数据的工作任务。
系统在硬件设计上主要包括微处理器（MCU）控制模块（即主控制器）、ZigBee无线射频传输模块（即副控制器）、GPRS无线通信模块、电源模块和传感器终端节点。
一、微处理器（MCU）控制模块
在用户端，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。
二、ZigBee无线射频传输模块
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2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。
三、GPRS无线通信模块
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3所示，USART3_TX作为输出端口与SIM900A芯片的数据接收端RXD引脚连接，USART3_RX作为输入端口与SIM900A芯片的数据发送端端TXD引脚连接，VCC是电源端，GND接地。
四、传感器终端节点
本实用新型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4为传感器终端节点的硬件结构图，数据采集模块由温度、红外、烟雾、加速度传感器组成，将收集的数据传给微处理器，并由存储器储存，RF收发器用来接收和发送这些数据到用户端。
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。
在软件设计部分主要是ZigBee无线网络节点软件设计和GPRS无线通信模块软件设计。
一、ZigBee无线网络节点软件设计
本系统中的协调器节点用来接收来自各传感器终端节点的监测数据,并是将数据通过串口输送给主控制器进行处理。如图5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6所示。
二、GPRS无线通信模块软件设计
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。
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。
需要注意的是，实用新型中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920064015.2
申请日:2019-01-15
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:84(南京)
授权编号:CN209182959U
授权时间:20190730
主分类号:G08B 21/04
专利分类号:G08B21/04;G08B25/10
范畴分类:33C;
申请人:南京信息工程大学
第一申请人:南京信息工程大学
申请人地址:211500 江苏省南京市江北新区宁六路219号
发明人:杜景林;胡玉杰;腾达;董亚
第一发明人:杜景林
当前权利人:南京信息工程大学
代理人:上官凤栖
代理机构:32252
代理机构编号:南京钟山专利代理有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计
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