许家成

[摘 要]本文研究方向来源于现实生活中的发现，视听障碍老年人对现有的铃声、语言、视频等形式的门铃信息难以接收，而且老年人在家中或户外行走时容易碰撞障碍物，发生危险。为解决此类问题，本文借鉴目前热门的智能家居系统与汽车自动驾驶概念，设计了一种基于单片机，无线收发模块和超声波测距模块的手持无线智能避障门铃系统。该系统通过nRF24L01收发无线门铃信号，由单片机转化为间歇振动形式提醒，通过HC-SR04测距，以连续振动形式作出障碍物警报。HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。避障功能的警报距离还可以由用户根据不同人群的行走速度，家里的面积大小灵活设置。门铃提醒系统设计为手持设备，大大提高了空间适用性及便利性。此外，为方便老年人群进行广场舞锻炼，系统集成了广场舞一键召集功能，适合老年人群更方便地接收跳舞召集信息。经实验验证，本文设计的无线智能门铃系统通过了性能测试，运行效果良好，满足设计要求。

[关键词]无线门铃；避障；单片机；nRF24L01；超声波测距；

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）02-0112-02

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

随着科技的发展，尤其是云计算、物联网的出现，智能家居的概念在各大媒体上频繁出现，进入大众的视野。在我国，智能家居的概念在十余年前引入，并推向市场。随着社会的发展、经济水平的提高，人们对家居质量的追求也越来越高，要求家居舒适化、安全化、智能化，对智能家居系统的渴求也越来越强烈，对智能家居系统功能多样性，便利性及特殊用途的要求也越来越高。其中，门铃系统作为智能家居系统必不可少的一部分，其研究与发展的重要性不言而喻[1]。

2010年第六次全国人口普查显示，我国60岁以上人口占13.26%，比2000年上升2.93个百分点，我国老龄化进程逐步加快。目前，中国已经成为世界上老年人口最多的国家，也是人口老龄化发展速度最快的国家之一。据联合国统计，到本世纪中期，中国将有近5亿人口超过60岁，而这个数字将超过美国人口总数。中国养老行业是关系到每一个人切身利益的现实问题，也引起了全社会的广泛关注。中国也逐渐成为全球老龄产业市场潜力最大的国家之一。此外，在我国，无论是城市还是农村，普遍存在着夫妻双方都工作而由老人单独在家照顾小孩的现象。因此，针对老年人的智能家居产品设计将成为科技创新的热门方向之一。

1.2 论文研究的主要内容和创新点

针对无线智能门铃及门铃提醒系统与视听障碍老年人群的人機交互特点，本论文主要研究智能门铃的无线控制系统及手持设备化提醒系统的方案设计，针对视听障碍老年人群的人机交互方案设计，室内行走避障报警系统等方面。

（1）无线控制系统及手持设备化提醒系统的方案设计

无线控制系统是无线传输技术与单片机控制技术的结合，其将门上发送端接收到的按键信号转化为无线信号，通过特定的无线网络传送给门铃接收端，这就使得门铃系统脱离了各种线缆的羁绊，降低布线成本，也为加入智能家居无线组网提供基础。

门铃提醒系统手持设备是在无线控制系统的基础上，对门铃提醒系统采用锂电池供电，缩小系统尺寸，实现手持设备化。手持设备的可移动特点会大大提高整个门铃系统的灵活性和便利性。

（2）针对视听障碍老年人群的人机交互方案设计

传统门铃系统来客提醒一般形式为电子铃声，语音对话或视频监控，而视听障碍人群一般不便于接收此类信息。因此本研究中门铃系统在保留原有固定式提醒形式外，增加了可移动手持设备上的来客振动提醒形式，更加直观地将信息呈现给视听障碍人群，实现完美的人机交互。

（3）室内行走避障报警系统的实现

考虑到视听障碍老年人群在接收到来客提醒后前去开门的过程中，会遇到室内桌椅等各种障碍物，而这会影响老年人行走的便利性及安全性。因此，本研究汲取了目前极为热门的汽车自动驾驶的概念，在门铃提醒系统手持设备上集成了实时障碍检测及报警系统，通过与来客振动提醒不同的振动形式来提醒用户注意前方障碍。

第二章 系统的总体设计

2.1 系统硬件平台的设计

本系统硬件平台的设计如图2-1所示，整个门铃系统分为门铃发送端和手持接收端，两部分都以STC12C5A60S2单片机最小系统板为控制核心。其中门铃发送端搭载门铃按键和无线发送模块、蜂鸣器，供电系统可以是市电或电池；手持接收端搭载无线接收模块、接收确认按键、直流振动电机、蜂鸣器、TFT（Thin Film Transisitor）液晶显示屏、超声波测距模块、障碍报警距离调节按键组等，供电系统采用可充电锂电池。

2.2 系统软件模块的设计

本系统软件部分主要分为无线传输模块、超声波测距报警模块、人机交互界面模块等。

无线传输模块实现两个2.4G射频收发模块nRF24L01之间的数据传输功能；

超声波测距报警模块包括超声波测距模块HC-SR04的触发与接收，回馈数据的处理，障碍报警距离的调节；

人机交互界面模块包括门铃按键和应答按键的检测及与无线信号的转换，提醒系统振动功能的控制，测距显示以及液晶屏上其他友好性界面设计。

第三章 超声波测距障碍物报警系统实现

3.1 超声波测距模块HC-SR04介绍

HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高达3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。模块共有4个引脚，VCC供5V电源，GND接地，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出。

超声波测距模块基本工作原理：

（1）采用I/O口TRIG触发测距，给最少10us的高电平信号；

（2）模块自动发送8个40KHz的方波，自动检测是否有信号返回；

（3）有信号返回时，通过I/O口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测量距离=（高电平时间*声速（340m/s））/2。

3.2 障碍物报警距离设置

为了适应身体健康状况不同的老年人以及不同的家居环境，本研究设计了障碍物报警距离的用户设置功能。设置功能硬件电路实现如图3-1所示，

系统通过Adjust_Key选择进入或者退出用户设置模式，若進入用户设置模式，则由left和right按键选择障碍物报警距离（cm）的百位、十位、个位，再由up和down按键对选中位数的数值进行增减操作。系统将障碍物报警距离初始值设为50cm，用户在此基础上进行操作。

总结与展望

针对现实生活中视听障碍老年人群应答门铃障碍及室内行走安全问题，本文结合单片机控制技术、短距离无线网络技术和超声波测距技术，设计并实现了一种手持无线智能避障门铃系统，打破传统门铃提醒系统空间局限性，增加对老年人的安全性，给人们的生活带来便利，系统还额外集成了广场舞一键召集功能，该功能由一个主机和多个从机组成，主从机关系可设置，主机由舞团团长或召集人担任，其他团员为从机。当主机发送召集信息后，从机接收信息并由团员确认，从机将确认信息发送回主机。当老人出门时，手持设备可开启避障功能，实现了视听障碍老年人群参加健身和社交活动的便捷性，保障了老年人的身心健康。

参考文献

[1] 陈小波.移动互联门铃的研究与开发.广东工业大学，2015.

[2] 姚远.基于SIP的智能远程可视门铃系统的设计与实现.华南理工大学，2015.

[3] 康晶.基于nRF24L01的人体信息监控系统研究.北京邮电大学，2011.

[4] 韦积慧.基于nRF24L01的无线网络设计与实现.吉林大学，2012.

[5] 张永宏，曹健，王丽华.基于51单片机与nRF24L01无线门禁控制系统设计.江苏科技大学学报，Vol.27 No.1，2013.

[6] 项目指导老师中科院电子研究所.郑翔.