《信息通信技能》是中国联合网络通信集团有限公司主管、主理的国内外公开拓行的中英文科技期刊（CN11-5650/TN，ISSN1674-1285)，2007年12月正式创刊。
本刊旨在反响国内外信息通信技能最新研究成果，供应信息通信技能互换平台，推广前辈信息通信业务和运用，为我国培植信息社会和创新型国家做事。

【作者姓名】李亚锋1,2  何 呈2   邵雪平3

【作者单位】1 山东大学  2 江苏科技大学  3 三维通信株式会社

【摘　要】随着人口老龄化加剧，独居老人征象逐渐严厉，对老年人生活的实时监护变得日益急迫。
基于物联网通信和打算机技能，设计并实现了智能化家居式监护系统。
该系统由传感器网络、ZigBee无线网络和PC用户端组成。
结合前辈的智能传感器、ZigBee和CLIPS专家系统技能，设计开拓了PC用户端。
设计并搭建了CLIPS专家平台，可以对获取的数据进行智能处理和非常反应，并与PC用户端进行正常交互。
经测试，系统可以完成老年人康健信息的实时检测与非常处理，并与监护者交互等功能。
该系统可以实现对独居老年人身体康健状况和家居生活的智能监护和管控，提高独居老年人的安全性和生活质量。

【关键词】智能家居；康健监护；ZigBee；PC用户端；专家系统

弁言

随着年事增长和其他成分，老年人的生理性能和自理能力在不断衰退，独居老年人的日常生活存在着安全风险[1]。
如何智能地监护独居老年人的生命康健，已逐渐演化成一个社会问题。
结合利用当代科学技能，设计一套面向独居老年人的智能化康健监护系统，对付提高独居老年人的安全性和生活质量，具有非常积极的意义。

研究创造，由于发展阶段、网络举动步伐和产品价格等成分影响，海内老年人监护系统的技能与国外比较仍存在较大差距。
目前，海内智能家居老年人监护系统的水平，远未实现标准化和市场化，系统家当链尚未完备形成，用于照顾老年人的智能监护系统的开拓仍处于起步阶段，科学设计和发展有很大空间[2]。
现有的国内外老年人监护系统，紧张面向特定人群和大型场所进行设计，开拓周期长、生产本钱高、可拓展性弱且后期掩护繁芜，无法知足大多数人的消费需求和水平，不适用于居家环境，在一定程度上阻碍了干系家当链的发展和技能的提升[3]。

专家系统具有较好的数据讯断和联动掌握能力，可以在一定程度上提升家居环境下老人监护系统的性能。
然而，已有的结合专家系统的监护系统紧张运用于社区医院、重症监护室的场景下，利用专家系统进行数据的预处理，仅针对分外的心血管疾病患者和重症儿童进行智能化识别、存储和远程监护[4-5]；此外，也有一些智能家居系统利用专家系统进行数据讯断和联动掌握，但其更多地针对安防、节能和供应舒适生活环境问题[6-7]。
在上述系统中，专家系统的功能较为大略，只是实现了数据格式的调度、数据阈值的判断，再通过其他办法进行终极的处理，还无法知足市场的需求。
针对以上问题，我们将智能家居、监护系统和专家系统相结合，对数据进行更加智能化的处理，进一步完善现有的方法和功能。

本文针对独居老年人家庭生活中存在的安全隐患，结合智能家居和康健监护技能，设计了一款安全实用的居家老年人监护系统。
该系统基于物联网通信和打算机技能，利用智能传感器对老年人康健信息进行检测，通过ZigBee进行无线网络通信，借助CLIPS(C Language Integrated Production System)专家系统对数据智能化处理。
系统一旦检测到数据非常，及时对干系职员进行关照和预警，实现老年人康健信息的实时检测与非常处理，同时可与监护者进行实时交互等功能。
该系统集智能家居、智能传感器、无线网络和专家系统技能于一体，利用一种远程可视化数据交互的方法，实现智能家居环境下安全可靠的远程管控与监护；此外，实在用于小型场所的监护和支配，实现老年人日常生活的康健监护，提高独居老年人的安全性和生活质量。

1 系统总体设计

本文设计的居家老年人监护系统，运用了智能传感器、ZigBee和CLIPS专家系统技能。
如图1所示，全体系统可分三部分：智能传感器网络、ZigBee无线网络和PC用户端。
个中，智能传感网络和无线网络进行通信，完成康健与环境数据的采集和智能家居的掌握；无线网络与PC用户端进行通信，实现数据传输；网络摄像头和PC用户端进行通信，完成老年人生活行为的实时监控；PC用户端与专家系统进行交互，实现数据的智能化处理和非常反应。
为了实现全体系统模块间的协同稳定运行，我们将CLIPS专家系统嵌入到PC用户端，通过无线网络对传感器采集的老人康健信息和智能家居的状态信息进行高速传输并智能化处理，搭建智能家居和实时监护的一体化系统，实现家居的智能化检测与掌握，对老人生活进行康健监测与远程监护。

传感器技能是获取信息的主要手段，已成为天下信息家当发展的主要标志和推动力。
ZigBee是一种抗滋扰能力强、本钱功耗低的无线技能，具有强大的自组网和自我规复能力，适宜运用于工业自动掌握和智能家居领域[8]。
专家系统利用人工智能和打算机技能仿照人类对问题进行推理判断和过程建模，是人工智能领域研究中最主要和生动的部分。
为知足大数据对智能处理的急迫需求，以模型为主、规则为辅是专家系统未来的发展方向[9]。

2 系统详细设计与实现

2.1 ZigBee无线网络的设计

本文选用CC2530模块，是TI公司的SoC办理方案，内部集成了Z-Stack协议栈。
利用ZigBee折衷器组建无线网络，实现网络的初始化、信道的扫描和网络的掩护和配置。

2.1.1 折衷器节点

折衷器节点是无线网络的核心模块，实现ZigBee无线网络建立、地址分配、信息管理和数据传输等事情[10-11]。
本文设计的折衷器节点与PC用户端进行串口通信，作为网关模块，进行无线网络终端和PC用户端之间的数据传输。
ZigBee折衷器的事情流程如图2所示。

利用ZigBee折衷器组建无线网络，终端节点主动扫描周围的可选网络并向得当的折衷器发送连接要求，等待相应。
折衷器给要求连接的终端节点供应短地址，并发送具有成功连接和网络通讯地址的响应命令，之后终端可正常与折衷器进行通信。

2.1.2 终端节点

对付终端节点处理模块，选用功能强大的STM32F103系列芯片作为微掌握器，芯片基于ARM内核且设计用于高性能和低本钱功耗的嵌入式运用[12]。
ZigBee终真个事情流程如图3所示。

本文设计的终端节点分为传感终端与掌握终端。
在与折衷器连接成功后，根据指令进行数据处理和干系操作。
个中，传感终端用于检测人体康健和家庭环境信息，掌握终端用于家电的状态检测和智能掌握。

2.2 传感器网络的设计

2.2.1 人体体温节点

选用MLX90614红外测温模块，进行人体体温丈量。
该模块选用热电元件作为红外感应部分，具有丈量精度高、相应速率快和抗滋扰能力强的优点[13]。
物体丈量温度与模块自身温度共同浸染产生输出旗子暗记，所选用模块在空想情形下的输出电压为：

个中单位为摄氏度， A是灵敏度常数。
利用标准I2C协议进行模块通信，从模块内存中读取数据。
数据由高8位和低8位双字节组成，代入下式转换为标准温度数据T ：

2.2.2 人体心跳血氧节点

选用MAX30102心率血氧模块，进行人体心率和血氧浓度的精准丈量。
动脉搏动的过程随心跳周期性发生变革，因此模块输出电旗子暗记的变革周期即是脉搏频率[14]。
读取内存中的氧合血红蛋白浓度和血红蛋白，血氧饱和度可通过下式打算：

利用标准I2C协议读取模块转换后的光强度数值，通过运用软件编写转换算法可以得到模块所测实际数据值，从而打算人体心率和血氧。

2.2.3 环境温湿度节点

选用HTU21D温湿度传感器，支配于老年人的居住场所，对环境的温湿度信息进行采集，与其他检测数据相结合，实现家庭内部环境康健质量的检测[15]。
利用标准I2C协议进行模块之间的通信，读取模块内存中的丈量数据，将湿度数据代入下式，打算相对湿度RH：

将温度数据代入下式打算实际温度 ：

2.2.4 环境非常气体节点

选用MQ-5可燃气体传感器，用于家庭环境的气体监测。
传感器模块具有TTL数字和仿照输出端，利用芯片端口读取模块的丈量数据，经转换处理后实现气体检测。

2.2.5 智能掌握节点

聪慧互联作为智能家居的一项主要特性，被广泛运用于家庭和社区环境中[16]。
为了增强系统的普适性，提高系统的灵巧度，本文在居家老人监护系统中利用无线插座，实现对家用电器的掌握。
所设计的无线插座将无线网络与电源插座结合，智能插座可以吸收PC用户真个命令，实现干系电器的智能掌握。

为担保系统对上述传感器模块丈量数据的准确获取，需对一段韶光内传感器丈量的数据进行处理，若数据平稳变革，取其均值作为传输数据；若数据仅是抖动和突变，取其平稳阶段数据进行传输，从而肃清模块所产生的非常值，确保数据的精确与稳定，输入至掌握系统，担保系统稳定运行。

2.3 基于CLIPS的数据处理与监护机制

CLIPS是一种产生式的高效正向推理系统，促进了工业生产、医疗奇迹和其他领域的发展与进步。
CLIPS专家系统由事实库(存储推理所需数据)、知识库(所有规则和规则表)和推理机(供应对系统操作的全面掌握)组成[17]。

2.3.1 CLIPS的总体设计

本文设计的监护系统，可以实现对老年人康健和家居环境信息的智能处理和非常反应。
所搭建的专家系统，将实时检测的数据和命令与所建的知识库进行匹配和推理，判断老年人的康健情形，剖析家居环境的干系情形，并给出辅导建议。
专家系统的总体构造如图4所示。
系统通过对各功能模块的折衷调用，实现对老年人康健和家居环境非常状况的实时监测。

2.3.2 事实库模块

事实表示CLIPS中已知的数据信息，代表事实列表中的一段信息，是规则调用数据的基本单元。
在本文中，为了实现数据的智能化处理，提高专家系统的推理速率和准确度，同时便于系统功能的优化调度以及新功能的增长，我们进行了处理模板和事实的自定义设计，实现系统的处理过程模块化，详细操作如下。

1)自定义模板：重复利用CLIPS中相同的关系构造和关系名。
本定亲义了4个模板：阈值模板，用于检测数据的阈值掌握；数据模块，用于保存传感器检测的数据；修正模块，用于事实数据的修正；结果模块，用于推理结果的存储。
自定义模板的格式为：

2)自定义事实：自动声明一组事实，添加到事实库内。
本文对老年人康健、家庭环境和智能家电的干系阈值以及推理结果，进行自定义事实的天生，用于专家系统的初始化。
自定义事实的格式为：

2.3.3 知识库模块

为了提高匹配效率，CLIPS利用了规则的预编译技能和快速匹配算法RETE[18]。
由于知识库的启示式智能搜索办法，有序化和构造化的数据会加快推理机的推理速率，本文设计了5个规则模块：阈值检测模块、更新模块、康健信息模块、环境信息模块和推理模块，用于对数据的综合推理以及推理结果的天生。
此外，为了担保数据的真实性和准确性，我们设计了信息纠正规则模块，在担保正常运行的情形下，对一段韶光内的信息进行数据剖析，判断正在处理数据的精确性，并进行后续的操作，对缺点数据进行改动，担保系统的稳定性、安全性和智能化。

2.3.4 推理机模块

根据所建知识库，利用所采集的老年人康健和家居环境数据，将数据预处理后天生干系CLIPS格式的事实，通过事实库与知识库之间的识别和匹配，完成系统的推理事情并能够输出推理结果。

推理流程如图5所示，专家系统读取并解析传入的数据流，天生已定义格式的事实并存入事实库；利用RETE快速匹配算法对事实库内的事实和已定义规则库内的规则进行匹配，凭借预设的冲突肃清机制确保推理事情的正常进行；天生末了的诊断结果，回传系统前端实现可视化。

2.3.5 CLIPS专家系统的运用

目前有很多编程措辞，支持将CLIPS嵌入到其他系统中，实现专家系统的调用。
系统选用CLIPSNet组件嵌入办法，实现了专家系统与PC用户真个交互，进行数据的智能处理与非常反应[19]。

2.4 PC用户真个设计与实现

本文有关用户真个研究与系统开拓均在Windows10操作系统、Intel (R) Core(TM) i5-9400F CPU、16G运行内存和GTX1660显卡的配置下进行，选用IP摄像头，安装Visual Studio、CLIPS 6.30等开拓软件。

为了担保老年人生活场所的智能化以及身体康健的实时性监护，我们在系统中加入了远程管控和非常提醒的功能：根据专家系统的推理结果，在担保安全的情形下，监护者可以实现对智能家庭设备的远程掌握；若老年人身体非常，系统会及时向干系职员发出相应的提示信息，实现对老年人的及时医治和康健帮助。

2.4.1 用户端界面

本文设计的PC用户端是在Visual Studio集成开拓环境下，基于C#措辞的.NET框架开拓。
详细如图6所示，PC用户端紧张由以下模块构成：系统端口设置、信息显示、智能检测和掌握、参数设置、推理结果显示、非常提醒和远程监控部分。

2.4.2 串口通信

通过串口实现PC用户端与ZigBee折衷器节点之间的数据通信。
系统根据通信帧构造来解析数据，将干系数据显示在用户端界面。
同时，将解析数据通报给内部专家系统，进行智能旗子暗记处理。
监护者可根据专家系统的推理结果，进行干系的非常处理操作。

2.4.3 专家系统交互

利用C#调用组件内有关CLIPS推理机的推理函数，掌握CLIPS推理机的运行，实现专家系统与PC用户端正常交互和稳定运行。
对CLIPS的调用如图7所示，通过对组件函数的调用，实现与CLIPS的信息交互，将推理结果显示在用户端主界面。

2.4.4 非常提醒

本文设计的非常提醒模块由短信和邮件构成。
利用C#措辞实现用户端与SMS短信通平台和SMTP做事器的连接，完成短信和邮件的实时发送。
监护者可以根据推理结果，发送短信或邮件给最近医护职员或其他职员，及时对老年人进行医治和帮助。

2.4.5 远程监控

本文设计的远程监控部分，利用OpenCV与摄像头进行通信，实时获取摄像头捕获的***数据，通过网络回传至PC用户端，实现了老年人生活行为的实时监护。

3 测试与剖析

3.1 用户端测试

搭建ZigBee无线网络，运行PC用户端，选择得当的串口端口和IP地址并设置系统干系参数。
主界面测试结果如图8所示。

经测试，主界面运行正常：ZigBee完成组网事情，将传感器获取的老年人康健、家庭环境和家电状态的干系信息显示在界面相应位置；专家系统能够根据数据进行正常推理事情，将推理结果与建议显示在界面相应位置；摄像头完发展途链接，将老年人行为的***信息显示在界面相应位置。

3.2 专家系统推理测试

对PC用户端通报数据进行解析和处理，测试专家系统事实库、规则库和推理机模块的性能。
选用波特率为9 600bit/s，进行2 000次干系测试，详情如表1所示。

经由测试可知，专家系统的设计模块可以正常运行，剖析和处理用户端传入的数据，在综合所有规则进行末了决策时，考虑到多个规则之间的关联和置信度，会在终极的数值方面有些许偏差，但不影响总体的结果判断。

3.3 串口通信测试

本文设计的专家系统可实现每秒多次推理和信息更新，足以进行非常状况的推理，实行干系方法。
在实验室环境下，选用不同波特率的串口传输速率，分别进行1 000次测试，打算一段韶光内专家系统的推理准确性。
如表2所示。

测试结果可知，串口传输速率偏高时，对专家系统推理事情具有一定的影响，会降落推理结果的准确度。
真实情形下，不须要过高的波特率对数据进行传输，9 600bit/s波特率便知足需求。
总体来看，所设计的监护系统运行稳定，完成数据的采集、处理、传输和推理，有较为完善的交互功能和人性化体验。

3.4 非常提醒测试

为便于与家属互动，设计了系统短信与邮件推送提醒模块。
选用不同邮箱平台，对短信和邮件模块进行测试，结果表明，短信和邮件提醒模块运行正常，可及时准确的发送短信和邮件给指定人。

4 结束语

现有的国内外老年人监护系统，绝大多数尚未与智能家居技能相结合，开拓本钱偏高且后期掩护繁芜，无法知足社会的运用需求和消费水平。
针对这一问题，基于物联网通信和打算机技能，本文设计了一套智能化的居家老年人监护系统。
该系统结合智能传感器、ZigBee无线网络和CLIPS专家系统技能，设计开拓PC用户端，实现了数据的可视化与可操作性。
系统集成了CLIPS专家系统，将智能家居与监护系统相结合，利用无线通信和传感器技能，用一种远程可视化数据交互的方法，实现智能家居环境下安全可靠的远程管控与监护。
经由测试，该系统可以提高独居老年人的康健安全和生活质量。
同时系统在小型居家环境的可适应性、可拓展性和可掩护性较强。
下一步将针对被监护者的数量和运用处景进行拓展，实现多人监护以及养老院等繁芜环境下的实际运用，对利用者的安全与隐私进行信息保护。

参考文献

[1] 冯春燕,邵明娟,程慧.空巢老年人康健照顾护士需求探析[J]. 中国市场,2016(25):116-118

[2] 曹磊. 浅析家居智能化的现状及发展方向[J].电气工程运用,2020(2):29-31

[3] Quan Zhang,Meiyu Li,Yijin Wu. Smart home for elderly care: development and challenges in China[J].BMC Geriatrics,2020,20(1):199-222

[4] 李学省.远程多生理参数监护信息平台的设计与实现[D].山东大学,2016

[5] 罗世亮,刘汉明,章银娥,等.物联网技能在社区医院心血管患者远程监护管理中的利用 [J]. 中国新通信,2016,18(13):106

[6] 黄明明,黄全振,孙清原.基于模糊推理的智能家居安防系统设计[J].河南工程学院学报(自然科学版),2019,31(4):54-58

[7] 宋政瑶,陈帅奇,吴茜,等. 智能电能监测与安全掌握装置的设计[J].农机利用与维修,2020(8):18-21

[8] 江华美,王平,冯志斌,等. 基于ZigBee运用的技能研究与设计[J].打算机系统运用,2016,25(2):272-277

[9] 何进宇,田军仓,马波. 水利专家系统的运用现状与展望[J].节水灌溉,2016(12):123-127

[10] 韩颖,赵安兴,袁帅,等. 基于Zigbee和GPRS的自组网校园路灯掌握系统[J].打算机系统运用,2015,24(3):98-104

[11] Jing Zhang. Application of remote monitoring and management of high-speed rail transportation based on ZigBee sensor network[J]. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking,2019,2019(1):1-8

[12] 陶加祥,豆春该,万建,等. 智能小区家庭网关系统设计与实现[J].自动化仪表,2019,40(9):22-25,29

[13] 孙旭东,张跃. 基于AD8232和MLX90615的心电与体温丈量系统设计[J].传感器与微系统,2014,33(9):81-84

[14] 白鹏飞, 刘强, 段飞波. 基于MAX30102的穿着式血氧饱和度检测系统[J]. 激光与红外, 2017(10): 86-90

[15] 苏李果,朱燕. 基于ZigBee无线传感器网络的智能家居系统[J].打算机系统运用,2015,24(6):66-70

[16] Lukius Natanael Phangbertha,Anindya Fitri,Intan Purnamasari,et al. Smart Socket for Electricity Control in Home Environment[J]. Procedia Computer Science,2019,157:465-472

[17] 岳喜娜,吴学毅,吕明珠. 梁式桥参数化建模专家系统[J].打算机系统运用,2020,29(2):58-67

[18] 杨杨,石晓丹,宋双,等.基于Rete规则推理的告警关联性剖析[J].北京邮电大学学报,2020,43(2):23-28

[19] 余婧懿,魏严凇,季松涛. CLIPSNet组件在VisualC#中调用CLIPS编程的技能实现[J]. 电脑开拓与运用, 2014(10):83-86

【作者简介】

李亚锋：硕士研究生，研究方向为旗子暗记处理理论及运用、深度学习。

何  呈：博士，讲师，研究方向为水声探测及水声通信。

邵雪平：工程师，研究方向为通信网络优化技能。

编辑：王丹瑛

校审：王钐杉