應用于獨居老人無線監護系統的設計應用于獨居老人無線監護系統的設計26/27應用于獨居老人無線監護系統的設計應用于獨居老人無線監護系統的設計摘要為了防止獨居老人在家中發生意外情況，保障老人的人身安全，同時保護老人的個人隱私，本文結合單片機串行全雙工通信和無線高頻收發電路與熱釋紅外探頭設計了適用于獨居老人的無線監控系統。該系統具有地址顯示、呼叫回復和自動呼叫報警等功能，性能穩定可靠，實用性強。本文詳細描述了應用于獨居老人的無線監護系統的設計方案、設計過程和特色。關鍵詞：遠程監護；無線收發；呼叫系統；紅外探頭引言隨著世界經濟的發展，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，人口負增長，已經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1.43億，占總人口的11%，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。隨著城市建設的發展，人們生活習俗的改變，家庭結構也發生了變化。原來“三代同堂”、“四世同堂”、“兒孫繞膝”的傳統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，生病護理的困難，獨居老人在家中發生重大意外無法自救的情況比比皆是，嚴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律的基礎上，將熱釋紅外監控探頭、單片機電路和無線電收發技術有機的結合在一起組成了應用于獨居老人的無線監護系統，該系統安裝方便，成本低，使用簡單，應用前景好。第1章應用于獨居老人的無線監控系統簡介1.1系統主要功能和應用本系統主要用于獨居老人的居室，根據需要通常在臥室和衛生間各設一個熱釋紅外監控探頭：衛生間：根據老人的生活習慣設置，當老人進入衛生間后超過一定時間未出來或超過一定時間未進入衛生間時，系統都要向監控室發送報警信號；臥室和床上：根據老人的睡眠時間設置，超過預定睡眠時間老人未上床或者到預定起床時間老人未起床，系統都要向監控室發送報警信號；主動呼救：當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：因系統處于長期工作狀態，為保證工作的可靠性，在設定的時間內，主機每天數次自動向各個分機發射檢測信號，分機收到信號后即回送信息表示工作正常，否則系統會報警；正常工作時，當監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出聲光信息，同時向對方回送信息表示收到信號，報警方收到回送的信息后即停止發送，否則會連續發送報警信號。本系統可廣泛應用于居民住宅區、干休所、養老院、療養院、醫院和賓館等地。1.2系統組成本系統由主機和分機兩大部分組成，每個應用區域設主機一個，分機若干個。主機監控室可安裝在各個應用區域的管理中心或醫務室，分機分別安置在各個獨居老人的住處。主機由無線電收發電路、單片機電路、監控面板和電源部分組成；分機由熱釋紅外監控探頭、無線電收發電路、單片機電路和電源部分組成。（見圖1.1系統方框圖）各組成部分的原理或功能如下：單片機單片機發收監控面板紅外1紅外2單片機發收監控面板圖1.1系統方框圖電源電源分機主機1.2.1熱釋紅外監控探頭熱釋電紅外線傳感器是80年代發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，并將其轉換成電壓信號輸出。將這個電壓信號加以放大，便可驅動各種控制電路，如作電源開關控制。熱釋電紅外線傳感器主要是由一種高熱電系數的材料，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，以抑制由于自身溫度升高而產生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉變成微弱的電壓信號，經裝在探頭內的場效應管放大后向外輸出。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系統的透鏡，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米范圍內人的行動。菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理，在探測器前方產生一個交替變化的“盲區”和“高靈敏區”，以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時，人體發出的紅外線就不斷地交替從“盲區”進入“高靈敏區”，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范圍內幾乎穩定不變。在傳感器頂端開設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。一旦人侵入探測區域內，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。菲泥爾濾光片根據性能要求不同，具有不同的焦距（感應距離），從而產生不同的監控視場，視場越多，控制越嚴密。被動式熱釋電紅外探頭的主要特點是：1、本身不發任何類型的輻射。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，對探測范圍內地面上地小動物，一般不產生報警。抗電磁干擾：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。抗燈光干擾：探測器在正常靈敏度的范圍內，受3米外H4鹵素燈透過玻璃照射，不產生報警。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中,一般常需要多個處理器協同工作,單片機的控制能力較強,在許多控制系統中,經常被采用,當系統中有多個單片機時,機間的通信是一個重要問題,由于串行通信方式線路簡單,且適宜遠距離的場合故單片機間的通信通常采用串行方式。系統中的每個單片機集數據采集、運算、控制、通信于一體,如何實現單片機之間的數據通信是整個系統可靠、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據,再與其他單片機進行通信時,就顯得串行通信口不夠用。因此,需要串行口的擴展。本系統給出的基于CPLD設計的擴展串行口,可同時擴展3個串行異步通信口,通信的兩個方向上可以同時進行數據傳輸。以一個單片機與3個單片機之間的擴展串行通信口設計為例,其系統組成框圖如圖1.2所示。在該系統中,主單片機和3個從單片機之間的數據通信,是采用由CPLD設計的擴展串行口來完成的,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進行硬件電路設計,既節省器件成本、減少電路板尺寸、又容易進行電路修改、縮短開發周期。此設計中的擴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:擴展串行口內相應的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,主單片機可向擴展口寫入發送數據,一寫馬上將其置為高電平;ra:該位為低電平時,主單片機可向擴展口讀出接收數據,一讀馬上將其置為高電平,當擴展口收到一個字節后將其置為低電平;tdx1～3、rdx1～3:擴展子串口1～3的發送、接收引腳。通過本擴展串行口,可以使主機和分機之間進行全雙工通信,并且和每個分機之間可以同時進行不同波特率的通信,只要分別修改分頻系數N1、N2、N3和時鐘提取電路中的分頻系數[2,3]即可。本設計采用了CPLD器件,在線修改方便。另外,此擴展串口受干擾后,只需要主機讀一次或發送一次數據即可恢復正常工作。不像一些專用擴展芯片,一旦受干擾后,必須重新進行初始化寫控制字等,否則將無法恢復正常工作。我們做的一個實際系統中就出現過此類問題,當時用的是擴展串行口專用芯片,受干擾后,必須對此擴展串行口芯片重新進行初始化,通信才能正常進行。圖1.2單片機之間的擴展串行通信圖1.2單片機之間的擴展串行通信1.2.3無線電收發電路無線電收發電路采用低速無線通信技術。它的出發點是希望發展一種拓展性強、易布建的低成本無線收發技術，強調低耗電、雙向傳輸和感應功能等特色。無線電收發電路模塊種類很多，本系統選擇433MHZ高頻發射模塊和超載波接收模塊，該模塊電路采用聲表面波（SAW）諧振器穩頻，其工作可靠、性能穩定，無須任何調試即可正常工作。1.2.4主機監控面板主機監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的地址同時發出聲光信號，同時可設置自動檢測、自動和人工回復等各類數據。1.2.5電源電路系統供電主分機分別供電，采用12V和5V開關電源電路，該電源工作穩定可靠，同時具有效率高、電磁輻射小等特點。開關電源是一種比較新型的電源。它的特點如下：（1）優點：它具有效率高，重量輕，可升、降壓，輸出功率大等優點。（2）缺點：但是由于電路工作在開關狀態，所以噪聲比較大。通過圖1.3，可以清晰地看出開關電光源的工作原理。如圖所示，電路由開關K（實際電路中為三極管或者場效應管），續流二極管D，儲能電感L，濾波電容C等構成。當開關閉合時，電源通過開關K、電感L給負載供電，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，在開關接通后，電流增大得比較緩慢，即輸出不能立刻達到電源電壓值。一定時間后，開關斷開，由于電感L的自感作用（可以比較形象的認為電感中的電流有慣性作用），將保持電路中的電流不變，即從左往右繼續流。這電流流過負載，從地線返回，流到續流二極管D的正極，經過二極管D，返回電感L的左端，從而形成了一個回路。通過控制開關閉合跟斷開的時間（即PWM——脈沖寬度調制），就可以控制輸出電壓。如果通過檢測輸出電壓來控制開、關的時間，以保持輸出電壓不變，這就實現了穩壓的目的。在開關閉合期間，電感存儲能量；在開關斷開期間，電感釋放能量，所以電感L叫做儲能電感。二極管D在開關斷開期間，負責給電感L提供電流通路，所以二極管D叫做續流二極管。在實際的開關電源中，開關K由三極管或場效應管代替。當開關斷開時，電流很小；當開關閉合時，電壓很小，所以發熱功率U×I就會很小。

圖1.3開關穩壓電源圖1.3開關穩壓電源第2章系統硬件設計本系統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射電路，當信號為高電平時高頻發射電路工作，并發射433MHz的幅高頻信號，當信號為低平時高頻發射電路停止工作，所以高頻發射電路完全受控于單片機串行輸出的數字信號，對高頻電路完成幅度鍵控（ASK調制）。采用超載報接收高頻信號，信號解碼、聲光報警、動態顯示等功能由單片機完成。（本系統的主機電路圖見圖2.1，分機電路見圖2.2）發收單片機單片機顯示電源圖2.1主機電路設置發收單片機單片機顯示電源圖2.1主機電路設置發收單片機紅外1紅外2電源圖2.2分機電路發收單片機紅外1紅外2電源發收單片機紅外1發收單片機紅外1紅外2電源圖2.2分機電路發收單片機紅外1紅外2電源發收單片機紅外1紅外2電源發收單片機紅外1紅外2電源發收單片機紅外1紅外2電源發收單片機紅外1紅外2電源發收單片機紅外1紅外2電源發收單片機紅外1紅外2電源發收單片機紅外1紅外2電源發收單片機紅外1紅外2電源發收單片機紅外1紅外2電源發收單片機紅外1紅外2電源發收單片機紅外1紅外2電源發收單片機紅外1紅外2電源發收單片機紅外1紅外2電源2.1系統主機的設計本系統的主機包括高頻發射模塊、超載波接收模塊、數碼顯示驅動模塊、鍵盤掃描、聲光報警、復位電路等。待機情況下，數碼顯示管顯示全零，聲光報警電路均不工作。當老人在預定時間范圍內沒有被熱釋紅外探頭照射到或照射時間過長，報警器發出警報，安裝在小區區衛生所的主機受到信號后，發出提示音，同時二極管亮，數碼管顯示呼叫報警的老人所在的小區單元號和房間號，值班人員根據顯示的位置對老人進行與時的救助。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（通用異步接收和發送器），也可用作同步移位寄存器。本系統設計中，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的輸出為“1”，所以在發射電路之前和接收模塊之后均需再加1個非門，防止發射電路在非通信時一直處于發射狀態，同時滿足單片機串行通信要求，保證單片機能夠正常收發數據。需要發射的數據信號從單片機核心內輸出經反向后送到433MHz高頻發射電路發射。該高頻發射電路采用聲表面波（SAW）諧振器穩頻，性能穩定，無需任何調試即可正常工作。因為高頻接收電路易受干擾，所以安裝時應注意：通道入口處加裝串聯電容；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，高頻差接網絡必須可靠接地點。2.2系統分機的設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口設定為用戶可任意修改的數據腳，用戶通過撥碼器根據需要任意設定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射的10UM左右的紅外線而進行工作的。人體發射的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源上。紅外感應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生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，達到一定量溢出后或在預定時間范圍內沒有感受到人體的熱源，后續電路經檢測處理后就能產生報警信號。因為熱釋電紅外線傳感器是80年代發展起來的一種新型高靈敏度探測元件。所以本系統直接使用成品。電路中還設有一個緊急呼叫按鍵，當老人需要幫助時，只要按下按鍵，即可發射呼救信號，主機收到呼救信號后，發出聲光報警提醒值班人員，如果值班人員按主機回復鍵，則分機收到信號后發出聲光報警，指示燈閃4次，蜂鳴器發出3聲“嘀”，以提示老人值班人員已經收到呼叫。分機的串行信號發射和接收電路與主機相同，不再詳述。

第3章軟件設計3.1發射數據格式單片機和接收模塊工作時，通常可以自定義傳輸協議，不論用何種調制方式，所要傳遞的信息碼格式都很重要，它將直接影響數據收發的可靠性。常用信息碼格式為：前導碼+同步碼+數據幀。前導碼發射時間應大于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）而引起接收數據錯誤。所以在發射同步碼前加一些用于區別前導碼與數據，有一定的特征，使軟件通過一定的算法鑒別出同步碼，同時做好接收數據準備。數據幀即是要傳送的信號。本系同時運用單片機的串行通信，數據每次發送4幀，第一幀為8位全0碼，第二幀為8位全1碼，這2幀數據是前導碼，實踐證明良好抑制零電平干擾；第三幀為8位同步碼，以不同的同步碼構成不同的呼叫系統；第四幀8位表示不同的小區單元房間號。經過軟件比較后，發現接收到的前2幀為全0碼和全1碼后才開始接收同步幀和數據幀。軟件判斷同步幀數據為本呼叫系統的同步碼后解碼數據幀，顯示呼救者的地址信息，并以聲光報警。3.2主機軟件設計主機主程序主要完成系統參數的初始化、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。串行發射和接收終端的流程圖如圖3.2所示。關串行中斷關串行中斷串行發送00H串行發送0FFH串行發送同步碼串行發送單元號數據開串行中斷中斷返回圖3.2主機發射子程序流程3.3分機軟件設計分機主程序主要完成系統參數的初始化、計時系統、報警信號傳送等，其流程如圖3.3所示。第4章結束語4.1系統設計過程中對可靠性問題的處理選擇合理的通信速