现代独居老人无线监护系统设计与应用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、八 、■前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；W r: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（al, 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；t dx1~ 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 N 1、N 2、N 3 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, 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, 通信才能正常进行图1.2单片机之间的扩展串行通信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UXI 就会很小KI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、动态显示等开关能留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）图2.1主机电路图 2.2 分机电路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。