应用于独居老人无线监护系统的设计.docx

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应用于独居老人无线监护系统的设计

应用于独居老人无线监护系统的设计

摘要

为了防止独居老人在家中发生意外情况，保障老人的人身安全，同时保护老人的个人隐私，本文结合单片机串行全双工通信和无线高频收发电路与热释红外探头设计了适用于独居老人的无线监控系统。

该系统具有地址显示、呼叫回复和自动呼叫报警等功能，性能稳定可靠，实用性强。

本文详细描述了应用于独居老人的无线监护系统的设计方案、设计过程和特色。

关键词：

远程监护；无线收发；呼叫系统；红外探头

引言

随着世界经济的发展，人们的思想意识不断改变，“丁克族”的不断增加，出生率小于死亡率，人口负增长，已经让世界逐渐步入人口老龄化。

我国是人口大国，也是老年人口最多的国家，目前60岁以上的老年人口已达1.43亿，占总人口的11%，并正以每年3％的速度增长。

在未来的五年，我国60岁及以上老年人口将从2005年的1.43亿增加到2010年的1.74亿。

随着城市建设的发展，人们生活习俗的改变，家庭结构也发生了变化。

原来“三代同堂”、“四世同堂”、“儿孙绕膝”的传统家庭生活模式正在逐渐退化。

城市独居老人的队伍越来越庞大，已成为不可忽视的社会问题。

独居老人的增多，带来生活照料，生病护理的困难，独居老人在家中发生重大意外无法自救的情况比比皆是，严重的可能对家庭造成不可挽回的遗憾等等。

本文重点介绍了在分析独居老人生活起居规律的基础上，将热释红外监控探头、单片机电路和无线电收发技术有机的结合在一起组成了应用于独居老人的无线监护系统，该系统安装方便，成本低，使用简单，应用前景好。

第1章应用于独居老人的无线监控系统简介

1.1系统主要功能和应用

本系统主要用于独居老人的居室，根据需要通常在卧室和卫生间各设一个热释红外监控探头：

1.卫生间：

根据老人的生活习惯设置，当老人进入卫生间后超过一定时间未出来或超过一定时间未进入卫生间时，系统都要向监控室发送报警信号；

2.卧室和床上：

根据老人的睡眠时间设置，超过预定睡眠时间老人未上床或者到预定起床时间老人未起床，系统都要向监控室发送报警信号；

3.主动呼救：

当老人在家中遇有不适的状况需要帮助时,可直接按紧急呼救按钮；

4.自动检测功能：

因系统处于长期工作状态，为保证工作的可靠性，在设定的时间内，主机每天数次自动向各个分机发射检测信号，分机收到信号后即回送信息表示工作正常，否则系统会报警；

5.正常工作时，当监控室主机收到报警信号时会自动显示出呼救人的地址并发出声光信息，同时向对方回送信息表示收到信号，报警方收到回送的信息后即停止发送，否则会连续发送报警信号。

本系统可广泛应用于居民住宅区、干休所、养老院、疗养院、医院和宾馆等地。

1.2系统组成

本系统由主机和分机两大部分组成，每个应用区域设主机一个，分机若干个。

主机监控室可安装在各个应用区域的管理中心或医务室，分机分别安置在各个独居老人的住处。

主机由无线电收发电路、单片机电路、监控面板和电源部分组成；分机由热释红外监控探头、无线电收发电路、单片机电路和电源部分组成。

（见图1.1系统方框图）各组成部分的原理或功能如下：

1.2.1热释红外监控探头

热释电红外线传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。

它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。

将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制。

热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。

在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。

由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。

为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10～20米范围内人的行动。

菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。

当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。

人体辐射的红外线中心波长为9～10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2～20--um范围内几乎稳定不变。

在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7～10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。

一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消。

菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。

被动式热释电红外探头的主要特点是：

1、本身不发任何类型的辐射。

2、抗干扰性能好。

•防小动物干扰：

探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警。

•抗电磁干扰：

探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。

•抗灯光干扰：

探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。

3、器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。

1.2.2单片机电路

在分布式控制系统中,一般常需要多个处理器协同工作,单片机的控制能力较强,在许多控制系统中,经常被采用,当系统中有多个单片机时,机间的通信是一个重要问题,由于串行通信方式线路简单,且适宜远距离的场合故单片机间的通信通常采用串行方式。

系统中的每个单片机集数据采集、运算、控制、通信于一体,如何实现单片机之间的数据通信是整个系统可靠、有效工作的基本保证。

而单片机一般只有一个串行通信口,通常都用于与后台计算机交换数据,再与其他单片机进行通信时,就显得串行通信口不够用。

因此,需要串行口的扩展。

本系统给出的基于CPLD设计的扩展串行口,可同时扩展3个串行异步通信口,通信的两个方向上可以同时进行数据传输。

以一个单片机与3个单片机之间的扩展串行通信口设计为例,其系统组成框图如图1.2所示。

在该系统中,主单片机和3个从单片机之间的数据通信,是采用由CPLD设计的扩展串行口来完成的,串行口1与分机1通信,串口2与分机2通信,串口3与分机3通信。

利用CPLD进行硬件电路设计,既节省器件成本、减少电路板尺寸、又容易进行电路修改、缩短开发周期。

此设计中的扩展串行口与主单片机的接口是8位总线,其原理同样适用于16位或32位等总线。

图1.2中各控制信号的意义如下:

clr:

复位信号高电平有效;wr:

主单片机的写信号,低电平有效;rd:

主单片机的读信号,低电平有效;a1,a0:

扩展串行口内相应的3个子串行口的输入和输出的存储器地址（a1,a0=00,串行口1,a1,a0=01,串行口2,a1,a0=01,串行口3）;tb:

该位为低电平时,主单片机可向扩展口写入发送数据,一写马上将其置为高电平;ra:

该位为低电平时,主单片机可向扩展口读出接收数据,一读马上将其置为高电平,当扩展口收到一个字节后将其置为低电平;tdx1～3、rdx1～3:

扩展子串口1～3的发送、接收引脚。

通过本扩展串行口,可以使主机和分机之间进行全双工通信,并且和每个分机之间可以同时进行不同波特率的通信,只要分别修改分频系数N1、N2、N3和时钟提取电路中的分频系数[2,3]即可。

本设计采用了CPLD器件,在线修改方便。

另外,此扩展串口受干扰后,只需要主机读一次或发送一次数据即可恢复正常工作。

不像一些专用扩展芯片,一旦受干扰后,必须重新进行初始化写控制字等,否则将无法恢复正常工作。

我们做的一个实际系统中就出现过此类问题,当时用的是扩展串行口专用芯片,受干扰后,必须对此扩展串行口芯片重新进行初始化,通信才能正常进行。

1.2.3无线电收发电路

无线电收发电路采用低速无线通信技术。

它的出发点是希望发展一种拓展性强、易布建的低成本无线收发技术，强调低耗电、双向传输和感应功能等特色。

无线电收发电路模块种类很多，本系统选择433MHZ高频发射模块和超载波接收模块，该模块电路采用声表面波（SAW）谐振器稳频，其工作可靠、性能稳定，无须任何调试即可正常工作。

1.2.4主机监控面板

主机监控面板可直观地显示各个分机的工作情况，收到报警信息时即可显示出相应的地址同时发出声光信号，同时可设置自动检测、自动和人工回复等各类数据。

1.2.5电源电路

系统供电主分机分别供电，采用12V和5V开关电源电路，该电源工作稳定可靠，同时具有效率高、电磁辐射小等特点。

开关电源是一种比较新型的电源。

它的特点如下：

（1）优点：

它具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点。

（2）缺点：

但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。

通过图1.3，可以清晰地看出开关电光源的工作原理。

如图所示，电路由开关K（实际电路中为三极管或者场效应管），续流二极管D，储能电感L，滤波电容C等构成。

当开关闭合时，电源通过开关K、电感L给负载供电，并将部分电能储存在电感L以及电容C中。

由于电感L的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。

一定时间后，开关断开，由于电感L的自感作用（可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用），将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。

这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管D的正极，经过二极管D，返回电感L的左端，从而形成了一个回路。

通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM——脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。

如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。

在开关闭合期间，电感存储能量；在开关断开期间，电感释放能量，所以电感L叫做储能电感。

二极管D在开关断开期间，负责给电感L提供电流通路，所以二极管D叫做续流二极管。

在实际的开关电源中，开关K由三极管或场效应管代替。

当开关断开时，电流很小；当开关闭合时，电压很小，所以发热功率U×I就会很小。

图1.3开关稳压电源

第2章系统硬件设计

本系统利用单片机的串行传输功能，将热释红外探头输出的信号传送到无线发射电路，当信号为高电平时高频发射电路工作，并发射433MHz的幅高频信号，当信号为低平时高频发射电路停止工作，所以高频发射电路完全受控于单片机串行输出的数字信号，对高频电路完成幅度键控（ASK调制）。

采用超载报接收高频信号，信号解码、声光报警、动态显示等功能由单片机完成。

（本系统的主机电路图见图2.1，分机电路见图2.2）

设置

2.1系统主机的设计

本系统的主机包括高频发射模块、超载波接收模块、数码显示驱动模块、键盘扫描、声光报警、复位电路等。

待机情况下，数码显示管显示全零，声光报警电路均不工作。

当老人在预定时间范围内没有被热释红外探头照射到或照射时间过长，报警器发出警报，安装在小区区卫生所的主机受到信号后，发出提示音，同时二极管亮，数码管显示呼叫报警的老人所在的小区单元号和房间号，值班人员根据显示的位置对老人进行及时的救助。

主机还具有记忆最近呼叫的多组地址号及其呼叫次数的功能。

单片机的芯片中有一个全双工一部串行通信接口，可用作UATR（通用异步接收和发送器），也可用作同步移位寄存器。

本系统设计中，UATR为串行工作方式1。

单片机以串行通信方式工作时，串行口检测到1个由“1”到“0”的条便是开始启动串行接收，且单片机在非串行通信时段内的输出为“1”，所以在发射电路之前和接收模块之后均需再加1个非门，防止发射电路在非通信时一直处于发射状态，同时满足单片机串行通信要求，保证单片机能够正常收发数据。

需要发射的数据信号从单片机核心内输出经反向后送到433MHz高频发射电路发射。

该高频发射电路采用声表面波（SAW）谐振器稳频，性能稳定，无需任何调试即可正常工作。

因为高频接收电路易受干扰，所以安装时应注意：

1.通道入口处加装串联电容；

2.装置可靠接地；

3.限制过电压对装置的影响；

4.高频位置停信加装手合继电器延时闭合接；

5.相-相耦合方式中，高频差接网络必须可靠接地点。

2.2系统分机的设计

分机主要完成串行通信、按键扫描、声光报警等功能。

单片机的P1口设定为用户可任意修改的数据脚，用户通过拨码器根据需要任意设定P1楼为高电平或低电平。

分机连接热释红外探头，而人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。

红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，达到一定量溢出后或在预定时间范围内没有感受到人体的热源，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

因为热释电红外线传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。

所以本系统直接使用成品。

电路中还设有一个紧急呼叫按键，当老人需要帮助时，只要按下按键，即可发射呼救信号，主机收到呼救信号后，发出声光报警提醒值班人员，如果值班人员按主机回复键，则分机收到信号后发出声光报警，指示灯闪4次，蜂鸣器发出3声“嘀”，以提示老人值班人员已经收到呼叫。

分机的串行信号发射和接收电路与主机相同，不再详述。

第3章软件设计

3.1发射数据格式

单片机和接收模块工作时，通常可以自定义传输协议，不论用何种调制方式，所要传递的信息码格式都很重要，它将直接影响数据收发的可靠性。

常用信息码格式为：

前导码+同步码+数据帧。

前导码发射时间应大于10ms，以避开背景噪声，因为接收模块极易被干扰（即零电平干扰）而引起接收数据错误。

所以在发射同步码前加一些用于区别前导码及数据，有一定的特征，使软件通过一定的算法鉴别出同步码，同时做好接收数据准备。

数据帧即是要传送的信号。

本系同时运用单片机的串行通信，数据每次发送4帧，第一帧为8位全0码，第二帧为8位全1码，这2帧数据是前导码，实践证明良好抑制零电平干扰；第三帧为8位同步码，以不同的同步码构成不同的呼叫系统；第四帧8位表示不同的小区单元房间号。

经过软件比较后，发现接收到的前2帧为全0码和全1码后才开始接收同步帧和数据帧。

软件判断同步帧数据为本呼叫系统的同步码后解码数据帧，显示呼救者的地址信息，并以声光报警。

3.2主机软件设计

主机主程序主要完成系统参数的初始化、串口中断配置、按键扫描、键值处理、声光报警和扫描显示等，其流程如图3.1所示。

串行发射和接收终端的流程图如图3.2所示。

3.3分机软件设计

分机主程序主要完成系统参数的初始化、计时系统、报警信号传送等，其流程如图3.3所示。

第4章结束语

4.1系统设计过程中对可靠性问题的处理

选择合理的通信速率。

接收苏剧模块的最大数据率为9.6K字节，一般控制在2.5K字节左右，过高的数据速率会降低接收灵敏度即增大误码率，甚至使系统根本无法正常工作。

本系统的波特率为2604b/s。

单片机工作时，会产生比较强的电磁辐射，主要频率在9MHz～900MHz，它会影响无线电接收模块的灵敏度。

解决方法：

一是对接收模块采用独立5V电源；二是布版时应在单片机周围增加大面积的地层以减小单片机的电磁辐射；三是使用尽量地的单片机震荡频率，本系统采用4MHz晶体振荡器；四是对单片机进行屏蔽。

同时采取这些措施能够比较好的解决灵敏度干扰的问题。

另外，采用软件陷阱和软件冗余等技术可提高系统干扰的能力。

4.2对系统特色的描述

笔者针对社会上独居老人的现状，采用成熟可靠的技术，将红外监控技术与无线电收发技术巧妙结合，设计了应用于独居老人的无线电监护系统，该系统具有如下优点：

1、有别于视频监控，充分保护了被监护人的隐私；

2、自动化程度高，一次设置好后无需再用人工干预；

3、具有人工紧急呼救功能；

4、可靠性高，系统设有自动检测功能，一旦出现故障会及时告警。

该系统可广泛应用于居民住宅区、干休所、养老院、疗养院、医院、宾馆等处。

一旦推广应用后将会产生具大的经济效益和社会效益。

参考文献

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