唐雅娜 董立國

摘 ?要：目前，關(guān)愛老人的話題成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。如何照顧好空巢老人，并第一時(shí)間掌握他們的起居信息成為研究的目標(biāo)。該項(xiàng)目通過ZigBee、Wi-Fi、4G等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多網(wǎng)控制，集合各自通信模式的優(yōu)點(diǎn)，最大程度保證通訊的有效性和安全性。同時(shí)，使用單片機(jī)、傳感器、指紋與語音識(shí)別、Android等多種技術(shù)，利用云服務(wù)器和百度地圖，實(shí)現(xiàn)了家居環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)查看、智能控制家電、智能門禁、老人跟蹤定位、防摔倒、實(shí)時(shí)監(jiān)控老人起居等功能。經(jīng)測(cè)試證明，該設(shè)計(jì)性能良好，使用操作簡便，總體使用效果好，能滿足家人在外及時(shí)了解老人狀況的需求，對(duì)研發(fā)涉及同類技術(shù)的項(xiàng)目也具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：關(guān)愛老人系統(tǒng);智能控制;實(shí)時(shí)監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP311.52 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）04-0186-03

Abstract：At present，the topic of caring for the elderly has become the focus of social attention. How to take good care of the empty nest elderly and master their living information at the first time has become the research goal. In this project，ZigBee，Wi-Fi，4G and other technologies are used to realize multi network control，gather the advantages of each communication mode，and ensure the effectiveness and safety of communication to the greatest extent. At the same time，using SCM，sensor，，fingerprint and voice recognition，Android and other technologies，using cloud server and Baidu map，the functions of real-time home environment parameters viewing，intelligent control of home appliances，intelligent access control，tracking and positioning of the elderly，fall prevention，real-time monitoring of the elderly living are realized. The test shows that the design has good performance，simple operation and good overall use effect. It can meet the needs of family members to know the situation of the elderly in time outside. It also has a strong reference value for the research and development of projects involving similar technologies.

Keywords：care for the elderly system;intelligent control;real-time monitoring

0 ?引 ?言

據(jù)國家老齡辦公室統(tǒng)計(jì)，我國已進(jìn)入人口快速老齡化時(shí)期，老齡人口達(dá)1.69億，占總?cè)丝诘?2%，由于計(jì)劃生育的政策，當(dāng)今社會(huì)獨(dú)生子女的比例也是創(chuàng)新高，并且由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及人民生活水平的不斷提高，大多數(shù)年輕人為了給老人和子女提供更好的生活條件，不得不外出工作，這意味著為了生存，年輕人根本不可能留在家里照顧老年人，空巢老人雙雙離世多日無人知曉的事件屢有發(fā)生，釀成了人間悲劇。近日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《國家積極應(yīng)對(duì)人口老齡化中長期規(guī)劃》讓我們更加重視空巢老人的生活。為了讓老人的生活質(zhì)量得到提升，使其過上便捷、安全、健康的老年生活，廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院科研項(xiàng)目擬研究一款智能化的關(guān)愛老人系統(tǒng)，是具有迫切性和必要性的。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

按照實(shí)際需求確定系統(tǒng)功能，如圖1所示。按照上述功能確定硬件的結(jié)構(gòu)。

1.1 ?硬件選擇

（1）主控單元：項(xiàng)目本著開發(fā)方便、具有較多外設(shè)接口、具有較高性價(jià)比的原則來選擇主控單元，最終選取了STM32F103作為項(xiàng)目主控單元[1，2];

（2）通信模塊：為了使手機(jī)APP與開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)通信，項(xiàng)目選用Wi-Fi模塊保障兩者通信;物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)通信、項(xiàng)目選取ZigBee作為組網(wǎng)通信技術(shù)[3，4]。選取具備最普遍的無線聯(lián)網(wǎng)功能的億佰特ESP8266作為Wi-Fi模塊，平板電腦和手機(jī)可隨時(shí)隨地連接。簡化了Wi-Fi功能的設(shè)計(jì)，加速了產(chǎn)品上市，提供了低成本的方案，縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間，提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭力[5]。ZigBee技術(shù)的主流芯片為美國德州公司的CC2530，其具有通信穩(wěn)定性好、性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)，是項(xiàng)目開發(fā)的首選[6];

（3）傳感器：檢測(cè)是否有人通過門窗入門行竊，熱釋電紅外感應(yīng)模塊是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，熱釋電紅外感應(yīng)模塊型號(hào)為HC-SR501，選取MQ-2型煙霧傳感器作為檢測(cè)空氣中可燃?xì)怏w濃度的設(shè)備，以及HTU21傳感器用以檢測(cè)溫度和濕度;

（4）指紋與語音識(shí)別：正點(diǎn)原子的AS608模塊（以下簡稱AS608模塊）是ALIENTEK推出的一款高性能的光學(xué)指紋識(shí)別模塊，LD3320作為語音識(shí)別模塊。

系統(tǒng)硬件連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.2 ?手機(jī)APP功能確定

根據(jù)整體設(shè)計(jì)方針[7]，手機(jī)APP的具體功能包含登錄/注冊(cè)、家電控制、室內(nèi)監(jiān)控、地圖定位、室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)查看、開門請(qǐng)求等。手機(jī)APP功能如圖3所示。

2 ?軟件設(shè)計(jì)

按功能要求進(jìn)行相關(guān)的軟件開發(fā)。下面將詳細(xì)論述主要的軟件開發(fā)內(nèi)容。

2.1 ?服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

私有云服務(wù)器主要由Aapche2.4版本的http服務(wù)器和TCP服務(wù)端軟件組成。

TCP服務(wù)端軟件主要通過socket套接字的API獲取TCP/IP五層模型協(xié)議中的傳輸層的TCP協(xié)議，通過6001端口創(chuàng)建TCP服務(wù)端，并且通過線程等待TCP客戶端的連接，當(dāng)TCP客戶端請(qǐng)求連接時(shí)，TCP服務(wù)端則進(jìn)行請(qǐng)求accept操作，并且創(chuàng)建線程，進(jìn)行對(duì)應(yīng)客戶端的數(shù)據(jù)收發(fā)。

face_detect.php文件是一個(gè)使用php5.6.17版本開發(fā)的Web頁面，主要功能是對(duì)客戶端請(qǐng)求的人臉圖片和家庭組成員的圖片通過百度云人臉識(shí)別SDK逐一比對(duì)，并返回人臉比對(duì)值和活體檢測(cè)值，當(dāng)人臉比對(duì)值大于90且活體檢測(cè)值大于0.95時(shí)，就向客戶端返回允許開門的信息，否則返回拒絕開門的信息。

2.2 ?Wi-Fi模塊軟件設(shè)計(jì)

在用戶空間網(wǎng)絡(luò)通信軟件設(shè)計(jì)中，有了內(nèi)核空間網(wǎng)絡(luò)通信軟件的支持，用戶空間只需要通過socket套接字編程就可以獲得傳輸層的TCP傳輸協(xié)議進(jìn)行用戶層的業(yè)務(wù)邏輯處理，并將處理結(jié)果發(fā)送到ESP8266自帶的封裝接口（API）即可。

2.3 ?網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸模塊設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸軟件的設(shè)計(jì)中，需要考慮多線程訪問攝像頭的情況。當(dāng)多個(gè)客戶端連接服務(wù)器則會(huì)產(chǎn)生多個(gè)線程，多個(gè)線程訪問臨界資源所產(chǎn)生的互斥和同步問題是不可避免的。為了解決互斥和同步問題，代碼中使用互斥體和讀寫鎖的手段解決問題。當(dāng)圖片緩沖區(qū)需要從視頻設(shè)備中讀取圖片時(shí)，則對(duì)寫鎖和讀鎖同時(shí)進(jìn)行上鎖操作，當(dāng)圖片獲取完畢后再釋放讀鎖，從而解決多線程的同步問題。當(dāng)多個(gè)線程需要同時(shí)從圖片緩沖區(qū)取出圖片時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)多線程互斥的問題，當(dāng)其中一個(gè)線程需要獲取圖片時(shí)，則對(duì)互斥體進(jìn)行上鎖操作，當(dāng)這個(gè)線程獲取完圖片后，對(duì)互斥體進(jìn)行解鎖操作，從而解決多線程的互斥問題[8，9]。

2.4 ?多重門禁識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

多重門禁識(shí)別軟件設(shè)計(jì)是融合了串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信和視頻采集的技術(shù)基礎(chǔ)所開發(fā)的應(yīng)用。當(dāng)叩門人想要開門時(shí)，按下門前的指紋模塊，這時(shí)會(huì)進(jìn)行指紋配對(duì)，當(dāng)指紋匹配成功后，stm32通過串口向Wi-Fi模塊發(fā)出人臉識(shí)別請(qǐng)求，同時(shí)攝像頭通過門孔對(duì)叩門人進(jìn)行人臉采集。Wi-Fi模塊通過串口收到請(qǐng)求信息后，解析請(qǐng)求信息獲得家庭編號(hào)，并通過http請(qǐng)求SDK向API接口http：//服務(wù)器IP：8090/face_detect.php？family=家庭編號(hào)&location=圖片地址發(fā)出GET請(qǐng)求，解析返回結(jié)果，如果返回結(jié)果為0，則向stm32發(fā)出允許開門信息，否則發(fā)出拒絕開門信息。

2.5 ?移動(dòng)端安卓視頻監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

移動(dòng)端安卓視頻監(jiān)控軟件的主要功能是接收Wi-Fi模塊輸出的圖片流，并顯示在手機(jī)屏幕上，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)視頻監(jiān)控功能。在移動(dòng)端安卓視頻監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)中，安卓客戶端應(yīng)用只需要通過安卓HTTP請(qǐng)求SDK向視頻監(jiān)控WEB_API發(fā)出GET請(qǐng)求并創(chuàng)建線程，在線程中循環(huán)接收視頻服務(wù)端發(fā)送的buf字節(jié)數(shù)組，對(duì)buf字節(jié)數(shù)組進(jìn)行http響應(yīng)解析，解析出JPG格式圖片數(shù)據(jù)，并把圖片數(shù)據(jù)顯示在安卓的SurfaceView控件中。

3 ?系統(tǒng)測(cè)試與性能分析

搭建實(shí)物樣機(jī)，利用各個(gè)硬件模塊和軟件模塊進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，其中包括了服務(wù)器模塊、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控模塊和多重門禁識(shí)別模塊、人臉識(shí)別[9，10]等模塊的軟件測(cè)試。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試結(jié)果用例如表1所示。

4 ?結(jié) ?論

本系統(tǒng)利用ZigBee、Wi-Fi與4G等多種通信技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了硬件開發(fā)平臺(tái)與手機(jī)APP之間的交互。在滿足老人日常需要的同時(shí)，手機(jī)客戶端可實(shí)時(shí)監(jiān)控老人的生活，最大程度保證老人的安全。可以說，系統(tǒng)既具有智能家居的功能，又具有安全防護(hù)的監(jiān)控作用，真正實(shí)現(xiàn)了關(guān)愛老人。通過測(cè)試，系統(tǒng)的各項(xiàng)功能正常，且體驗(yàn)感優(yōu)良，是一款實(shí)用性較強(qiáng)的產(chǎn)品，具有較高的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程（第2版） [M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2] 李寧.基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用 [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[3] 李易岐.基于stm32單片機(jī)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì) [D].長春：吉林大學(xué)，2017.

[4] 鄒思鐵.嵌入式Linux設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[5] 張翠平，蘇光大.人臉識(shí)別技術(shù)綜述 [J].中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2000（11）：7-16.

[6] 張英會(huì).基于ZigBee的智能家居網(wǎng)關(guān)的研究與實(shí)現(xiàn) [D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[7] 趙亮，張維.基于Android技術(shù)的界面設(shè)計(jì)與研究 [J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2009，5（29）：8183-8185.

[8] 張亮.數(shù)字視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控 [J].現(xiàn)代通信，2001（10）：23-24.

[9] ALI A，HUSSAIN S，HAROON F，et al.Face Recognition with Local Binary Patterns [J].Bahria University Journal of Information & Communication Technologies，2012，5（1）：46-50.

[10] LI D，LAM K M. Design and learn distinctive features from pore-scale facial keypoints [J].Pattern Recognition，2015，48（3）：732-745.

作者簡介：唐雅娜（1978-）女，漢族，黑龍江大慶人，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向：人工智能及大數(shù)據(jù);董立國 （1984-），男，漢族，黑龍江雙鴨山人，教師，碩士，主要研究方向：人工智能。