應(yīng)用于獨居老人無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計

應(yīng)用于獨居老人無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用于獨居老人無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計26/27應(yīng)用于獨居老人無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用于獨居老人無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計摘要為了防止獨居老人在家中發(fā)生意外情況，保障老人的人身安全，同時保護(hù)老人的個人隱私，本文結(jié)合單片機串行全雙工通信和無線高頻收發(fā)電路與熱釋紅外探頭設(shè)計了適用于獨居老人的無線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有地址顯示、呼叫回復(fù)和自動呼叫報警等功能，性能穩(wěn)定可靠，實用性強。本文詳細(xì)描述了應(yīng)用于獨居老人的無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計方案、設(shè)計過程和特色。關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)；無線收發(fā)；呼叫系統(tǒng)；紅外探頭引言隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的思想意識不斷改變，“丁克族”的不斷增加，出生率小于死亡率，人口負(fù)增長，已經(jīng)讓世界逐漸步入人口老齡化。我國是人口大國，也是老年人口最多的國家，目前60歲以上的老年人口已達(dá)1.43億，占總?cè)丝诘?1%，并正以每年3％的速度增長。在未來的五年，我國60歲與以上老年人口將從2005年的1.43億增加到2010年的1.74億。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，人們生活習(xí)俗的改變，家庭結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化。原來“三代同堂”、“四世同堂”、“兒孫繞膝”的傳統(tǒng)家庭生活模式正在逐漸退化。城市獨居老人的隊伍越來越龐大，已成為不可忽視的社會問題。獨居老人的增多，帶來生活照料，生病護(hù)理的困難，獨居老人在家中發(fā)生重大意外無法自救的情況比比皆是，嚴(yán)重的可能對家庭造成不可挽回的遺憾等等。本文重點介紹了在分析獨居老人生活起居規(guī)律的基礎(chǔ)上，將熱釋紅外監(jiān)控探頭、單片機電路和無線電收發(fā)技術(shù)有機的結(jié)合在一起組成了應(yīng)用于獨居老人的無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝方便，成本低，使用簡單，應(yīng)用前景好。第1章應(yīng)用于獨居老人的無線監(jiān)控系統(tǒng)簡介1.1系統(tǒng)主要功能和應(yīng)用本系統(tǒng)主要用于獨居老人的居室，根據(jù)需要通常在臥室和衛(wèi)生間各設(shè)一個熱釋紅外監(jiān)控探頭：衛(wèi)生間：根據(jù)老人的生活習(xí)慣設(shè)置，當(dāng)老人進(jìn)入衛(wèi)生間后超過一定時間未出來或超過一定時間未進(jìn)入衛(wèi)生間時，系統(tǒng)都要向監(jiān)控室發(fā)送報警信號；臥室和床上：根據(jù)老人的睡眠時間設(shè)置，超過預(yù)定睡眠時間老人未上床或者到預(yù)定起床時間老人未起床，系統(tǒng)都要向監(jiān)控室發(fā)送報警信號；主動呼救：當(dāng)老人在家中遇有不適的狀況需要幫助時,可直接按緊急呼救按鈕；自動檢測功能：因系統(tǒng)處于長期工作狀態(tài)，為保證工作的可靠性，在設(shè)定的時間內(nèi)，主機每天數(shù)次自動向各個分機發(fā)射檢測信號，分機收到信號后即回送信息表示工作正常，否則系統(tǒng)會報警；正常工作時，當(dāng)監(jiān)控室主機收到報警信號時會自動顯示出呼救人的地址并發(fā)出聲光信息，同時向?qū)Ψ交厮托畔⒈硎臼盏叫盘?，報警方收到回送的信息后即停止發(fā)送，否則會連續(xù)發(fā)送報警信號。本系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于居民住宅區(qū)、干休所、養(yǎng)老院、療養(yǎng)院、醫(yī)院和賓館等地。1.2系統(tǒng)組成本系統(tǒng)由主機和分機兩大部分組成，每個應(yīng)用區(qū)域設(shè)主機一個，分機若干個。主機監(jiān)控室可安裝在各個應(yīng)用區(qū)域的管理中心或醫(yī)務(wù)室，分機分別安置在各個獨居老人的住處。主機由無線電收發(fā)電路、單片機電路、監(jiān)控面板和電源部分組成；分機由熱釋紅外監(jiān)控探頭、無線電收發(fā)電路、單片機電路和電源部分組成。（見圖1.1系統(tǒng)方框圖）各組成部分的原理或功能如下：單片機單片機發(fā)收監(jiān)控面板紅外1紅外2單片機發(fā)收監(jiān)控面板圖1.1系統(tǒng)方框圖電源電源分機主機1.2.1熱釋紅外監(jiān)控探頭熱釋電紅外線傳感器是80年代發(fā)展起來的一種新型高靈敏度探測元件。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。將這個電壓信號加以放大，便可驅(qū)動各種控制電路，如作電源開關(guān)控制。熱釋電紅外線傳感器主要是由一種高熱電系數(shù)的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2*1mm的探測元件。在每個探測器內(nèi)裝入一個或兩個探測元件，并將兩個探測元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場效應(yīng)管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設(shè)一個菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號放大70分貝以上，這樣就可以測出10～20米范圍內(nèi)人的行動。菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測器前方產(chǎn)生一個交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測接收靈敏度。當(dāng)有人從透鏡前走過時，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進(jìn)入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，從而強其能量幅度。人體輻射的紅外線中心波長為9～10--um，而探測元件的波長靈敏度在0.2～20--um范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開設(shè)了一個裝有濾光鏡片的窗口，這個濾光片可通過光的波長范圍為7～10--um，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器。一旦人侵入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消。菲泥爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距（感應(yīng)距離），從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場，視場越多，控制越嚴(yán)密。被動式熱釋電紅外探頭的主要特點是：1、本身不發(fā)任何類型的輻射。2、抗干擾性能好。防小動物干擾：探測器安裝在推薦地使用高度，對探測范圍內(nèi)地面上地小動物，一般不產(chǎn)生報警?？闺姶鸥蓴_：探測器的抗電磁波干擾性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手機電磁干擾不會引起誤報?？篃艄飧蓴_：探測器在正常靈敏度的范圍內(nèi)，受3米外H4鹵素?zé)敉高^玻璃照射，不產(chǎn)生報警。3、器件功耗很小，隱蔽性好，價格低廉。1.2.2單片機電路在分布式控制系統(tǒng)中,一般常需要多個處理器協(xié)同工作,單片機的控制能力較強,在許多控制系統(tǒng)中,經(jīng)常被采用,當(dāng)系統(tǒng)中有多個單片機時,機間的通信是一個重要問題,由于串行通信方式線路簡單,且適宜遠(yuǎn)距離的場合故單片機間的通信通常采用串行方式。系統(tǒng)中的每個單片機集數(shù)據(jù)采集、運算、控制、通信于一體,如何實現(xiàn)單片機之間的數(shù)據(jù)通信是整個系統(tǒng)可靠、有效工作的基本保證。而單片機一般只有一個串行通信口,通常都用于與后臺計算機交換數(shù)據(jù),再與其他單片機進(jìn)行通信時,就顯得串行通信口不夠用。因此,需要串行口的擴(kuò)展。本系統(tǒng)給出的基于CPLD設(shè)計的擴(kuò)展串行口,可同時擴(kuò)展3個串行異步通信口,通信的兩個方向上可以同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。以一個單片機與3個單片機之間的擴(kuò)展串行通信口設(shè)計為例,其系統(tǒng)組成框圖如圖1.2所示。在該系統(tǒng)中,主單片機和3個從單片機之間的數(shù)據(jù)通信,是采用由CPLD設(shè)計的擴(kuò)展串行口來完成的,串行口1與分機1通信,串口2與分機2通信,串口3與分機3通信。利用CPLD進(jìn)行硬件電路設(shè)計,既節(jié)省器件成本、減少電路板尺寸、又容易進(jìn)行電路修改、縮短開發(fā)周期。此設(shè)計中的擴(kuò)展串行口與主單片機的接口是8位總線,其原理同樣適用于16位或32位等總線。圖1.2中各控制信號的意義如下:clr:復(fù)位信號高電平有效;wr:主單片機的寫信號,低電平有效;rd:主單片機的讀信號,低電平有效;a1,a0:擴(kuò)展串行口內(nèi)相應(yīng)的3個子串行口的輸入和輸出的存儲器地址(a1,a0=00,串行口1,a1,a0=01,串行口2,a1,a0=01,串行口3);tb:該位為低電平時,主單片機可向擴(kuò)展口寫入發(fā)送數(shù)據(jù),一寫馬上將其置為高電平;ra:該位為低電平時,主單片機可向擴(kuò)展口讀出接收數(shù)據(jù),一讀馬上將其置為高電平,當(dāng)擴(kuò)展口收到一個字節(jié)后將其置為低電平;tdx1～3、rdx1～3:擴(kuò)展子串口1～3的發(fā)送、接收引腳。通過本擴(kuò)展串行口,可以使主機和分機之間進(jìn)行全雙工通信,并且和每個分機之間可以同時進(jìn)行不同波特率的通信,只要分別修改分頻系數(shù)N1、N2、N3和時鐘提取電路中的分頻系數(shù)[2,3]即可。本設(shè)計采用了CPLD器件,在線修改方便。另外,此擴(kuò)展串口受干擾后,只需要主機讀一次或發(fā)送一次數(shù)據(jù)即可恢復(fù)正常工作。不像一些專用擴(kuò)展芯片,一旦受干擾后,必須重新進(jìn)行初始化寫控制字等,否則將無法恢復(fù)正常工作。我們做的一個實際系統(tǒng)中就出現(xiàn)過此類問題,當(dāng)時用的是擴(kuò)展串行口專用芯片,受干擾后,必須對此擴(kuò)展串行口芯片重新進(jìn)行初始化,通信才能正常進(jìn)行。圖1.2單片機之間的擴(kuò)展串行通信圖1.2單片機之間的擴(kuò)展串行通信1.2.3無線電收發(fā)電路無線電收發(fā)電路采用低速無線通信技術(shù)。它的出發(fā)點是希望發(fā)展一種拓展性強、易布建的低成本無線收發(fā)技術(shù)，強調(diào)低耗電、雙向傳輸和感應(yīng)功能等特色。無線電收發(fā)電路模塊種類很多，本系統(tǒng)選擇433MHZ高頻發(fā)射模塊和超載波接收模塊，該模塊電路采用聲表面波（SAW）諧振器穩(wěn)頻，其工作可靠、性能穩(wěn)定，無須任何調(diào)試即可正常工作。1.2.4主機監(jiān)控面板主機監(jiān)控面板可直觀地顯示各個分機的工作情況，收到報警信息時即可顯示出相應(yīng)的地址同時發(fā)出聲光信號，同時可設(shè)置自動檢測、自動和人工回復(fù)等各類數(shù)據(jù)。1.2.5電源電路系統(tǒng)供電主分機分別供電，采用12V和5V開關(guān)電源電路，該電源工作穩(wěn)定可靠，同時具有效率高、電磁輻射小等特點。開關(guān)電源是一種比較新型的電源。它的特點如下：（1）優(yōu)點：它具有效率高，重量輕，可升、降壓，輸出功率大等優(yōu)點。（2）缺點：但是由于電路工作在開關(guān)狀態(tài)，所以噪聲比較大。通過圖1.3，可以清晰地看出開關(guān)電光源的工作原理。如圖所示，電路由開關(guān)K（實際電路中為三極管或者場效應(yīng)管），續(xù)流二極管D，儲能電感L，濾波電容C等構(gòu)成。當(dāng)開關(guān)閉合時，電源通過開關(guān)K、電感L給負(fù)載供電，并將部分電能儲存在電感L以與電容C中。由于電感L的自感，在開關(guān)接通后，電流增大得比較緩慢，即輸出不能立刻達(dá)到電源電壓值。一定時間后，開關(guān)斷開，由于電感L的自感作用（可以比較形象的認(rèn)為電感中的電流有慣性作用），將保持電路中的電流不變，即從左往右繼續(xù)流。這電流流過負(fù)載，從地線返回，流到續(xù)流二極管D的正極，經(jīng)過二極管D，返回電感L的左端，從而形成了一個回路。通過控制開關(guān)閉合跟斷開的時間（即PWM——脈沖寬度調(diào)制），就可以控制輸出電壓。如果通過檢測輸出電壓來控制開、關(guān)的時間，以保持輸出電壓不變，這就實現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。在開關(guān)閉合期間，電感存儲能量；在開關(guān)斷開期間，電感釋放能量，所以電感L叫做儲能電感。二極管D在開關(guān)斷開期間，負(fù)責(zé)給電感L提供電流通路，所以二極管D叫做續(xù)流二極管。在實際的開關(guān)電源中，開關(guān)K由三極管或場效應(yīng)管代替。當(dāng)開關(guān)斷開時，電流很?。划?dāng)開關(guān)閉合時，電壓很小，所以發(fā)熱功率U×I就會很小。

圖1.3開關(guān)穩(wěn)壓電源圖1.3開關(guān)穩(wěn)壓電源第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計本系統(tǒng)利用單片機的串行傳輸功能，將熱釋紅外探頭輸出的信號傳送到無線發(fā)射電路，當(dāng)信號為高電平時高頻發(fā)射電路工作，并發(fā)射433MHz的幅高頻信號，當(dāng)信號為低平時高頻發(fā)射電路停止工作，所以高頻發(fā)射電路完全受控于單片機串行輸出的數(shù)字信號，對高頻電路完成幅度鍵控（ASK調(diào)制）。采用超載報接收高頻信號，信號解碼、聲光報警、動態(tài)顯示等功能由單片機完成。（本系統(tǒng)的主機電路圖見圖2.1，分機電路見圖2.2）發(fā)收單片機單片機顯示電源圖2.1主機電路設(shè)置發(fā)收單片機單片機顯示電源圖2.1主機電路設(shè)置發(fā)收單片機紅外1紅外2電源圖2.2分機電路發(fā)收單片機紅外1紅外2電源發(fā)收單片機紅外1發(fā)收單片機紅外1紅外2電源圖2.2分機電路發(fā)收單片機紅外1紅外2電源發(fā)收單片機紅外1紅外2電源發(fā)收單片機紅外1紅外2電源發(fā)收單片機紅外1紅外2電源發(fā)收單片機紅外1紅外2電源發(fā)收單片機紅外1紅外2電源發(fā)收單片機紅外1紅外2電源發(fā)收單片機紅外1紅外2電源發(fā)收單片機紅外1紅外2電源發(fā)收單片機紅外1紅外2電源發(fā)收單片機紅外1紅外2電源發(fā)收單片機紅外1紅外2電源發(fā)收單片機紅外1紅外2電源發(fā)收單片機紅外1紅外2電源2.1系統(tǒng)主機的設(shè)計本系統(tǒng)的主機包括高頻發(fā)射模塊、超載波接收模塊、數(shù)碼顯示驅(qū)動模塊、鍵盤掃描、聲光報警、復(fù)位電路等。待機情況下，數(shù)碼顯示管顯示全零，聲光報警電路均不工作。當(dāng)老人在預(yù)定時間范圍內(nèi)沒有被熱釋紅外探頭照射到或照射時間過長，報警器發(fā)出警報，安裝在小區(qū)區(qū)衛(wèi)生所的主機受到信號后，發(fā)出提示音，同時二極管亮，數(shù)碼管顯示呼叫報警的老人所在的小區(qū)單元號和房間號，值班人員根據(jù)顯示的位置對老人進(jìn)行與時的救助。主機還具有記憶最近呼叫的多組地址號與其呼叫次數(shù)的功能。單片機的芯片中有一個全雙工一部串行通信接口，可用作UATR（通用異步接收和發(fā)送器），也可用作同步移位寄存器。本系統(tǒng)設(shè)計中，UATR為串行工作方式1。單片機以串行通信方式工作時，串行口檢測到1個由“1”到“0”的條便是開始啟動串行接收，且單片機在非串行通信時段內(nèi)的輸出為“1”，所以在發(fā)射電路之前和接收模塊之后均需再加1個非門，防止發(fā)射電路在非通信時一直處于發(fā)射狀態(tài)，同時滿足單片機串行通信要求，保證單片機能夠正常收發(fā)數(shù)據(jù)。需要發(fā)射的數(shù)據(jù)信號從單片機核心內(nèi)輸出經(jīng)反向后送到433MHz高頻發(fā)射電路發(fā)射。該高頻發(fā)射電路采用聲表面波（SAW）諧振器穩(wěn)頻，性能穩(wěn)定，無需任何調(diào)試即可正常工作。因為高頻接收電路易受干擾，所以安裝時應(yīng)注意：通道入口處加裝串聯(lián)電容；裝置可靠接地；限制過電壓對裝置的影響；高頻位置停信加裝手合繼電器延時閉合接；相-相耦合方式中，高頻差接網(wǎng)絡(luò)必須可靠接地點。2.2系統(tǒng)分機的設(shè)計分機主要完成串行通信、按鍵掃描、聲光報警等功能。單片機的P1口設(shè)定為用戶可任意修改的數(shù)據(jù)腳，用戶通過撥碼器根據(jù)需要任意設(shè)定P1樓為高電平或低電平。分機連接熱釋紅外探頭，而人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)出特定波長10UM左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10UM左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，達(dá)到一定量溢出后或在預(yù)定時間范圍內(nèi)沒有感受到人體的熱源，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。因為熱釋電紅外線傳感器是80年代發(fā)展起來的一種新型高靈敏度探測元件。所以本系統(tǒng)直接使用成品。電路中還設(shè)有一個緊急呼叫按鍵，當(dāng)老人需要幫助時，只要按下按鍵，即可發(fā)射呼救信號，主機收到呼救信號后，發(fā)出聲光報警提醒值班人員，如果值班人員按主機回復(fù)鍵，則分機收到信號后發(fā)出聲光報警，指示燈閃4次，蜂鳴器發(fā)出3聲“嘀”，以提示老人值班人員已經(jīng)收到呼叫。分機的串行信號發(fā)射和接收電路與主機相同，不再詳述。

第3章軟件設(shè)計3.1發(fā)射數(shù)據(jù)格式單片機和接收模塊工作時，通?？梢宰远x傳輸協(xié)議，不論用何種調(diào)制方式，所要傳遞的信息碼格式都很重要，它將直接影響數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性。常用信息碼格式為：前導(dǎo)碼+同步碼+數(shù)據(jù)幀。前導(dǎo)碼發(fā)射時間應(yīng)大于10ms，以避開背景噪聲，因為接收模塊極易被干擾（即零電平干擾）而引起接收數(shù)據(jù)錯誤。所以在發(fā)射同步碼前加一些用于區(qū)別前導(dǎo)碼與數(shù)據(jù)，有一定的特征，使軟件通過一定的算法鑒別出同步碼，同時做好接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。數(shù)據(jù)幀即是要傳送的信號。本系同時運用單片機的串行通信，數(shù)據(jù)每次發(fā)送4幀，第一幀為8位全0碼，第二幀為8位全1碼，這2幀數(shù)據(jù)是前導(dǎo)碼，實踐證明良好抑制零電平干擾；第三幀為8位同步碼，以不同的同步碼構(gòu)成不同的呼叫系統(tǒng)；第四幀8位表示不同的小區(qū)單元房間號。經(jīng)過軟件比較后，發(fā)現(xiàn)接收到的前2幀為全0碼和全1碼后才開始接收同步幀和數(shù)據(jù)幀。軟件判斷同步幀數(shù)據(jù)為本呼叫系統(tǒng)的同步碼后解碼數(shù)據(jù)幀，顯示呼救者的地址信息，并以聲光報警。3.2主機軟件設(shè)計主機主程序主要完成系統(tǒng)參數(shù)的初始化、串口中斷配置、按鍵掃描、鍵值處理、聲光報警和掃描顯示等，其流程如圖3.1所示。串行發(fā)射和接收終端的流程圖如圖3.2所示。關(guān)串行中斷關(guān)串行中斷串行發(fā)送00H串行發(fā)送0FFH串行發(fā)送同步碼串行發(fā)送單元號數(shù)據(jù)開串行中斷中斷返回圖3.2主機發(fā)射子程序流程3.3分機軟件設(shè)計分機主程序主要完成系統(tǒng)參數(shù)的初始化、計時系統(tǒng)、報警信號傳送等，其流程如圖3.3所示。第4章結(jié)束語4.1系統(tǒng)設(shè)計過程中對可靠性問題的處理選擇合理的通信速