【作 者】張賽， 董海強(qiáng)，杜宏偉，江朝暉

1 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)技術(shù)系, 安徽，合肥，230027

2 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽，合肥，230036

對(duì)于獨(dú)居老人、殘疾人等特殊人群，其低成本健康監(jiān)護(hù)與醫(yī)療服務(wù)是現(xiàn)代醫(yī)療領(lǐng)域的重要課題。已有多種生理參數(shù)監(jiān)護(hù)的設(shè)備被提出，以下列舉幾種監(jiān)護(hù)設(shè)備：

Choi, J. M. 等人[1]設(shè)計(jì)了一種通過藍(lán)牙技術(shù)和無線局域網(wǎng)技術(shù)的生理參數(shù)采集系統(tǒng)。Salvador CH等人[2]描述了一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)監(jiān)護(hù)不在醫(yī)院的心臟病患者的健康狀況。以上系統(tǒng)雖能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)ECG等信號(hào)的采集，但沒有考慮功耗因素，系統(tǒng)不能長(zhǎng)期有效運(yùn)行。

Mao-Cheng Huang 等[3]介紹了一種基于低功耗ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的健康參數(shù)采集系統(tǒng)。 該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)生理參數(shù)的采集，但無法從接收信號(hào)中獲得有關(guān)受監(jiān)護(hù)者位置的信息，因此當(dāng)生理參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)無法通過自動(dòng)設(shè)備提供救助。雖然藍(lán)牙技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸方面優(yōu)于ZigBee，但是ZigBee技術(shù)較藍(lán)牙技術(shù)功耗更低[4]，因此在長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)設(shè)備中更有優(yōu)勢(shì)。

特殊人群身體狀況存在易變、不穩(wěn)定的特點(diǎn)，容易出現(xiàn)心臟病、哮喘等嚴(yán)重疾病突發(fā)的危急情況。如果不得到及時(shí)有效的醫(yī)療救助，他們的生命安全有可能受到威脅。另一方面，由于行動(dòng)障礙或視力障礙，危急情況下自主報(bào)警及取藥救助異常困難，監(jiān)護(hù)系統(tǒng)有必要在上述情況發(fā)生時(shí)及時(shí)提供可靠的報(bào)警和藥物救助。為了完成這個(gè)任務(wù)，需要解決的關(guān)鍵問題是醫(yī)療報(bào)警信息的發(fā)送和對(duì)監(jiān)護(hù)目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位。目標(biāo)實(shí)時(shí)定位有多種可行的方法，如航位推算(dead reckoning)， RFID，主動(dòng)信標(biāo)(active beacon)，路標(biāo)法(landmark) 以及基于地圖的定位[5]。近年來，一種新型的基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收信號(hào)強(qiáng)度（Received Signal Strength, RSS）的定位方法被提出并得到了應(yīng)用。該方法由若干已知坐標(biāo)的參考節(jié)點(diǎn)(Reference Node)和未知坐標(biāo)的盲節(jié)點(diǎn)(Blind Node)組成。盲節(jié)點(diǎn)通過收集來自參考節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度，即可通過運(yùn)算得到自己的坐標(biāo)。CC2431是TI公司推出的一款完全支持ZigBee/IEEE 802.15.4協(xié)議棧的2.4 GHz射頻片上系統(tǒng)，同時(shí)其攜帶的硬件定位引擎能夠收集網(wǎng)絡(luò)中的接受信號(hào)強(qiáng)度并計(jì)算坐標(biāo)。CC2431良好的射頻傳輸和定位功能特性使得生理參數(shù)傳輸和實(shí)時(shí)定位能夠有效集成在一個(gè)便攜節(jié)點(diǎn)上[6]。

目前，多數(shù)的生理參數(shù)監(jiān)護(hù)設(shè)備基于藍(lán)牙等高功耗的技術(shù)，而基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)尚不多見，同時(shí)多數(shù)的健康監(jiān)護(hù)機(jī)器人系統(tǒng)僅著眼于參數(shù)的采集和報(bào)警，沒有考慮到利用機(jī)器人系統(tǒng)提供輔助送藥功能。因此，基于ZigBee技術(shù)的健康監(jiān)護(hù)和輔助送藥機(jī)器人系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用前景和科研價(jià)值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

ZigBee是一種新興的短距離，低速率，低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，主要用于近距離無線連接。它支持IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，工作在2.4 GHz自由頻段。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)分布式無線節(jié)點(diǎn)相互協(xié)調(diào)共同工作，各節(jié)點(diǎn)之間采用多跳方式遞送數(shù)據(jù)，效率較高。ZigBee分布式和多跳的特點(diǎn)使其特別適用于家居自動(dòng)化，監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，工業(yè)控制等領(lǐng)域。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中由三種類型的節(jié)點(diǎn)，分別負(fù)責(zé)不同的工作。

1.1.1 協(xié)調(diào)器（Coordinator）

協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)中存在的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)建立和初始化網(wǎng)絡(luò)。具體說來，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)選定頻段、信道、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示，并且初始化網(wǎng)絡(luò)配置。協(xié)調(diào)器也負(fù)責(zé)配置網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的安全參數(shù)和安全等級(jí)等。值得注意的是，由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的分布性特點(diǎn)，協(xié)調(diào)器不一定始終存在于網(wǎng)絡(luò)中，在網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)后，協(xié)調(diào)器可以退出網(wǎng)絡(luò)，由路由器（Router）負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，這使得網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性較好。

1.1.2 路由器(Router)

路由器的主要功能是允許新的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行多跳路由，以及協(xié)助子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。當(dāng)有信源消息到達(dá)時(shí)，路由器負(fù)責(zé)暫存消息，等待子節(jié)點(diǎn)醒來時(shí)再將消息傳送到子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)當(dāng)子節(jié)點(diǎn)有消息發(fā)送時(shí)，路由器接受該消息并等待網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)發(fā)送，以使子節(jié)點(diǎn)能夠立即進(jìn)入休眠狀態(tài)。路由器的存在能夠有效的降低子節(jié)點(diǎn)的功耗。

1.1.3 終端設(shè)備（End Device）

終端設(shè)備沒有管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)，只負(fù)責(zé)周期性的在休眠和蘇醒期循環(huán)，完成接受和發(fā)送消息的任務(wù)。終端設(shè)備功耗極低，適用于電池供電的便攜式無線節(jié)點(diǎn)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ZigBee的分布式特性使得其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為靈活。常用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和星型網(wǎng)絡(luò)，分別如圖1(a)、(b)所示

本設(shè)計(jì)采用了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以方便定位廣播通信，機(jī)器人搭載的無線節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器，用于定位的無線節(jié)點(diǎn)配置為路由器，受監(jiān)護(hù)者攜帶的節(jié)點(diǎn)由電池供電，為減小功耗配置為終端設(shè)備。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Network structure

1.3 系統(tǒng)概述

整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)由位于機(jī)器人系統(tǒng)RoboDoc上的節(jié)點(diǎn)（D節(jié)點(diǎn)），位于受監(jiān)護(hù)者腕部的節(jié)點(diǎn)（P節(jié)點(diǎn)），和若干個(gè)已知坐標(biāo)的參考節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，D節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、擴(kuò)展和維護(hù)。參考節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與D節(jié)點(diǎn)和P節(jié)點(diǎn)通信，向兩者提供用于定位的接收信號(hào)，因此配置為路由器。P節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集和傳輸生理參數(shù)信號(hào)，因而配置為終端設(shè)備。

正常情況下，P節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集生理參數(shù)信號(hào)并傳輸給D節(jié)點(diǎn)，D節(jié)點(diǎn)分析并存儲(chǔ)采集結(jié)果以供分析使用。一旦檢測(cè)到健康狀況出現(xiàn)異常，D節(jié)點(diǎn)立即通過GSM短消息向家人或醫(yī)生發(fā)送求助短消息。而后，D節(jié)點(diǎn)首先要求P節(jié)點(diǎn)收集其周圍的接收信號(hào)強(qiáng)度并定位，在接收到來自P節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息后，D節(jié)點(diǎn)用相同的方法自行定位。D節(jié)點(diǎn)除了需要得到絕對(duì)坐標(biāo)外，還要通過電子羅盤得到自己的偏向角(在圖中由θ標(biāo)出)，根據(jù)兩組坐標(biāo)和偏向角，RoboDoc會(huì)選擇最快的路徑為受監(jiān)護(hù)者提供藥物遞送服務(wù)，整個(gè)工作過程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)概述Fig.2 Schematic system

2 算法和軟件設(shè)計(jì)

2.1 定位算法

本設(shè)計(jì)利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)室內(nèi)實(shí)時(shí)定位，其基本原理如下：在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，接收信號(hào)強(qiáng)度RSS隨節(jié)點(diǎn)之間距離的增大而減小，RSS和距離d滿足關(guān)系：

式(1)中n表示信號(hào)傳播常數(shù)，和具體的環(huán)境如墻體的厚度，反射強(qiáng)度等相關(guān)，應(yīng)該實(shí)地測(cè)量，經(jīng)驗(yàn)表明，n=3.2-5.5時(shí)可以得到比較好的結(jié)果。

A表示信源和信宿距離1 m時(shí)測(cè)定得到的接收信號(hào)強(qiáng)度，一般取45-49較為準(zhǔn)確[7]。

為了實(shí)現(xiàn)定位，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中要存在兩種類型的節(jié)點(diǎn)，一種為已知自己坐標(biāo)固定不動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，即參考節(jié)點(diǎn)，一種為未知位置且位置不斷變化的節(jié)點(diǎn)，即盲節(jié)點(diǎn)。定位算法的基本思想是盲節(jié)點(diǎn)收集來自多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的RSS值，通過式(1)即可得到離的估計(jì)值，如圖3所示。本設(shè)計(jì)采用的CC2431帶有硬件定位引擎，式(1)中的非線性運(yùn)算全部通過硬件實(shí)現(xiàn)，極大地加快了定位的速度。具體的流程如下：

圖3 定位算法Fig.3 Location algorithm

1) 盲節(jié)點(diǎn)發(fā)送一系列的廣播幀給參考節(jié)點(diǎn)，所有接收到廣播幀的參考節(jié)點(diǎn)依次記錄廣播幀的RSS值；

2) 參考節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的RSS值求均值得到平均RSS值，用以減少單個(gè)RSS值誤差的影響：

在連續(xù)定位中，可以采用滑動(dòng)平均方法避免因RSS值不準(zhǔn)確造成的過大偏離：

為提高實(shí)時(shí)性，滑動(dòng)平均窗口取2；

3)所有收到廣播的參考節(jié)點(diǎn)將自己的坐標(biāo)(X,Y)和計(jì)算出的RSS值構(gòu)成回復(fù)幀，依次發(fā)送給盲節(jié)點(diǎn)，回復(fù)幀的結(jié)構(gòu)如下：

每個(gè)坐標(biāo)用2字節(jié)表示，最低兩比特表示小數(shù)點(diǎn)后，故X、Y維坐標(biāo)的表示范圍為0.00 - 16383.75 m；

4）選擇8個(gè)信號(hào)強(qiáng)度最大的節(jié)點(diǎn)，作為計(jì)算用節(jié)點(diǎn)，如果收到廣播幀的參考節(jié)點(diǎn)數(shù)目小于8，則所有RSS值均參與運(yùn)算；

5） 將節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)輸入定位引擎，得到估計(jì)的盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由參考節(jié)點(diǎn)、P節(jié)點(diǎn)和D節(jié)點(diǎn)組成，軟件的開發(fā)也要分成三個(gè)部分進(jìn)行。軟件設(shè)計(jì)中必須充分考慮到通信的可靠性和同步策略，這樣才能使ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)按照正確的時(shí)序啟動(dòng)和工作。同時(shí)因?yàn)闄C(jī)器人工作在高噪聲的不確定環(huán)境下，還要注意程序健壯性和有效性。軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2.1 參考節(jié)點(diǎn)

圖4 軟件結(jié)構(gòu)Fig.4 Software structure

參考節(jié)點(diǎn)和P節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)都是建立在ZigBee協(xié)議棧Z-STACK的應(yīng)用層[9]。Z-STACK支持完整的IEEE802.15.4協(xié)議并且提供了消息路由機(jī)制，使得多個(gè)無線通信應(yīng)用程序能夠在一個(gè)節(jié)點(diǎn)中共存，其基本結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。整個(gè)協(xié)議棧包括應(yīng)用層，應(yīng)用子層，網(wǎng)絡(luò)層，802.15.4MAC層和物理層。由于參考節(jié)點(diǎn)只關(guān)心和定位有關(guān)的通信，所以只需在應(yīng)用層建立一個(gè)應(yīng)用對(duì)象，即定位對(duì)象。參考節(jié)點(diǎn)開機(jī)后搜索信道，嘗試加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，等待來自D節(jié)點(diǎn)和P節(jié)點(diǎn)的定位請(qǐng)求。定位請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，參考節(jié)點(diǎn)將包含RSS值的消息返回給發(fā)送方，而后進(jìn)入新的等待循環(huán)。

2.2.2 P節(jié)點(diǎn)

如上所述，P節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)也是基于Z-STACK的應(yīng)用層。不同之處在于P節(jié)點(diǎn)不僅要處理與定位相關(guān)的通信，還要處理與生理參數(shù)采集相關(guān)的通信。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)應(yīng)用對(duì)象分別處理兩個(gè)部分，以使軟件結(jié)構(gòu)清晰，易于維護(hù)，如圖4(b)所示。發(fā)送到不同應(yīng)用對(duì)象的消息由應(yīng)用程序框架進(jìn)行路由選擇：

監(jiān)護(hù)對(duì)象 監(jiān)護(hù)應(yīng)用對(duì)象負(fù)責(zé)收集和發(fā)送生理參數(shù)。在P節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，它等待來自RoboDoc的開始測(cè)量命令。一旦收到命令，P節(jié)點(diǎn)開始周期性的控制各個(gè)傳感器測(cè)量心率、體溫和皮膚電阻，并發(fā)送到D節(jié)點(diǎn)。如果進(jìn)入異常狀態(tài)，P節(jié)點(diǎn)會(huì)收到來自RoboDoc的暫停測(cè)量命令，進(jìn)而切換到另一個(gè)對(duì)象進(jìn)行定位，完成定位后恢復(fù)測(cè)量。

定位對(duì)象 定位對(duì)象只在異常模式下啟用。一旦D節(jié)點(diǎn)的診斷程序確認(rèn)參數(shù)異常，會(huì)發(fā)送一幀暫停測(cè)量的消息給P節(jié)點(diǎn)。P節(jié)點(diǎn)接收消息后暫停測(cè)量，開始向參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送一系列的廣播幀，以使得參考節(jié)點(diǎn)測(cè)定RSS值，隨后P節(jié)點(diǎn)會(huì)收到來自參考節(jié)點(diǎn)的RSS值，在收到多于三組RSS值的情況下，P節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)定位引擎計(jì)算得到坐標(biāo)，并發(fā)送給D節(jié)點(diǎn)。

2.3.3 D節(jié)點(diǎn)

D節(jié)點(diǎn)上的軟件設(shè)計(jì)基于小型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCOS-II。我們采用了模塊化的程序設(shè)計(jì)思想，使得程序易于升級(jí)和修改。軟件結(jié)構(gòu)如圖4(c)所示。

用戶接口模塊 用戶接口在軟件體系的最高層，負(fù)責(zé)在LCD上顯示參數(shù)和診斷結(jié)果、語音交互和響應(yīng)觸摸屏命令事件。為了實(shí)時(shí)的處理用戶的命令，在系統(tǒng)中用戶接口任務(wù)處于最高優(yōu)先級(jí)。

監(jiān)護(hù)模塊 監(jiān)護(hù)模塊對(duì)應(yīng)于P節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序的監(jiān)護(hù)對(duì)象，負(fù)責(zé)處理兩者之間的通信。當(dāng)收到來自P節(jié)點(diǎn)的消息時(shí)，該模塊還負(fù)責(zé)分析數(shù)據(jù)包，提取生理參數(shù)信息傳遞給診斷模塊。

定位模塊 定位模塊對(duì)應(yīng)于P節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序中的定位對(duì)象，負(fù)責(zé)處理和定位相關(guān)的消息。該模塊接受診斷模塊異常消息，要求P節(jié)點(diǎn)定位，得到P節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)后啟動(dòng)自身定位程序進(jìn)行定位。

診斷模塊 該模塊判斷受監(jiān)護(hù)者的健康狀況是否正常。新的消息到達(dá)后，診斷模塊判斷心率（Heart Rate）、體溫（Body Temperature）是否在正常范圍，以及皮膚電阻（Skin Resistance）是否有劇烈變化：

如果連續(xù)n（n取3 - 5）幀數(shù)值異常，診斷模塊就判定健康狀況異常，發(fā)消息使得RoboDoc進(jìn)入異常處理狀態(tài)。

路徑規(guī)劃模塊 路徑規(guī)劃模塊控制RoboDoc進(jìn)行藥物遞送。該模塊首先計(jì)算兩組坐標(biāo)的差得到東西方向和南北方向移動(dòng)的絕對(duì)距離，而后根據(jù)偏向角修正機(jī)器人的朝向以進(jìn)行移動(dòng)，并在移動(dòng)過程中實(shí)時(shí)修正坐標(biāo)。遇到障礙物時(shí)，轉(zhuǎn)向并進(jìn)行重新規(guī)劃。在機(jī)器人將藥物遞送到距受監(jiān)護(hù)者一定范圍內(nèi)時(shí)，藥箱會(huì)被送出。

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)也主要由參考節(jié)點(diǎn)，P節(jié)點(diǎn)和D節(jié)點(diǎn) 組成，本節(jié)介紹各個(gè)模塊的硬件組成。

3.1 參考節(jié)點(diǎn)

參考節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的模塊，因?yàn)樗回?fù)責(zé)將包含RSS的消息幀傳送到請(qǐng)求定位的節(jié)點(diǎn)。參考節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖5(a) 所示。因?yàn)橹恍枰粋€(gè)接收信號(hào)強(qiáng)度探測(cè)器就可以測(cè)定RSS值，而不需要硬件定位引擎，考慮成本因素，我們采用了和CC2431有相同射頻收發(fā)機(jī)但沒有定位引擎的CC2430來構(gòu)建參考節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，考慮到對(duì)于參考節(jié)點(diǎn)來說射頻特性應(yīng)盡量達(dá)到最佳，我們采用了具有全輻射圖的鞭狀天線[8]。這樣以來，當(dāng)盲節(jié)點(diǎn)在以參考節(jié)點(diǎn)為中心的同心圓上時(shí)，參考節(jié)點(diǎn)收集的RSS值是基本相同的。

3.2 P節(jié)點(diǎn)

P節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集、計(jì)算和傳輸生理參數(shù)，因此需要和多種不同的傳感器交互。如圖5(b)所示，P節(jié)點(diǎn)包括電源管理模塊，CC2431芯片，測(cè)定生理參數(shù)的傳感器和接口電路，以及PCB天線。這里我們選用PCB天線主要是考慮到PCB天線具有體積小，便攜性好的優(yōu)點(diǎn)。CC2431自帶的增強(qiáng)型8051內(nèi)核可以通過單總線方式和心率體溫傳感器交互，同時(shí)可以通過內(nèi)置的14位A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)定皮膚電阻。

圖5 硬件結(jié)構(gòu)Fig.5 Hardware structure

3.3 D節(jié)點(diǎn)

D節(jié)點(diǎn)即為機(jī)器人RoboDoc，它負(fù)責(zé)處理生理參數(shù)信號(hào)并進(jìn)行危急情況處理。同時(shí)RoboDoc的設(shè)計(jì)也充分考慮了運(yùn)行穩(wěn)定性和方便的人機(jī)交互功能。圖6顯示了D節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。

用戶接口 交互式的用戶接口包括LCD觸摸屏以及語音識(shí)別模塊。我們采用三星ARM9處理器S3C2440作為主控制器，控制LCD顯示生理參數(shù)，同時(shí)接受通過觸摸屏傳遞的用戶命令，如查看健康記錄，發(fā)送短消息等。

圖5 硬件結(jié)構(gòu) D節(jié)點(diǎn)Fig.6 Hardware structure of nodal point D

無線通信和GSM通信 ARM9微處理器和CC2431通過串行總線通信，接受CC2431傳遞的生理參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的診斷，如果連續(xù)若干幀收到異常的參數(shù)，ARM9則向CC2431發(fā)送定位命令要求定位操作，同時(shí)向外發(fā)送GSM短消息。GSM模塊采用了支持AT指令集的TC35模塊，通過RS232接口和微處理器進(jìn)行通信。

藥物遞送 RoboDoc攜帶一個(gè)便攜的藥箱，存放受監(jiān)護(hù)者的常用藥物。當(dāng)機(jī)器人抵達(dá)受監(jiān)護(hù)者的范圍內(nèi)時(shí)，便攜藥箱會(huì)被推出以方便老年人取藥。

導(dǎo)航和驅(qū)動(dòng) 導(dǎo)航部分由電子羅盤和碰撞傳感器等構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)部分主要由驅(qū)動(dòng)底盤的電機(jī)，控制藥物遞送的電機(jī)和主控板組成。DSP2812有多達(dá)16路的PWM輸出，非常適用于控制和驅(qū)動(dòng)，因此選用DSP2812作為驅(qū)動(dòng)模塊的主控制器。同時(shí)，DSP負(fù)責(zé)周期性對(duì)電子羅盤進(jìn)行詢問，更新機(jī)器人的方位角信息，還負(fù)責(zé)與碰撞傳感器等交互避免碰撞的發(fā)生。

4 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的功能，我們?cè)谑覂?nèi)環(huán)境下進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。

用于實(shí)驗(yàn)的機(jī)器人平臺(tái)如圖7所示。為了驗(yàn)證健康監(jiān)護(hù)的功能，我們要求P節(jié)點(diǎn)周期性的收集生理參數(shù)并傳遞給RoboDoc，后者實(shí)時(shí)地顯示測(cè)定的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)測(cè)量周期為4 - 6秒時(shí)，傳輸?shù)臅r(shí)序能夠順利完成，并且系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量到生理參數(shù)的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，圖中的心率、體溫和皮膚電阻的單位分別為次/min、攝氏度(0C)和兆歐(MΩ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)護(hù)健康狀況的小范圍變化。

在另一組實(shí)驗(yàn)中，異常參數(shù)被人工送往RoboDoc來測(cè)試其異常處理能力。結(jié)果表明，D節(jié)點(diǎn)接到異常數(shù)據(jù)后5s內(nèi)能夠發(fā)送出GSM短消息求助，15s內(nèi)能夠定位出受監(jiān)護(hù)者和機(jī)器人并開始移動(dòng)。在軟件配置中生理參數(shù)測(cè)量周期被定為4 ～ 6 s，故系統(tǒng)能夠檢測(cè)到4 ～6s內(nèi)的健康狀況變化，并在約20s內(nèi)做出危急情況應(yīng)對(duì)。

圖8顯示了室內(nèi)的測(cè)試環(huán)境，為了測(cè)試RoboDoc的輔助送藥能力，我們?cè)谝粋€(gè)7 m*7 m的空間令P節(jié)點(diǎn)人工送出異常信號(hào)給機(jī)器人，并讓機(jī)器人追蹤信號(hào)源顯示在LCD屏幕上。在送出GSM短消息后，機(jī)器人開始追蹤P節(jié)點(diǎn)，P節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)情況如圖8中直線所示。每次要求P節(jié)點(diǎn)定位后得到的坐標(biāo)如圖8中圓點(diǎn)表示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，實(shí)時(shí)定位的準(zhǔn)確性能夠引導(dǎo)機(jī)器人正確的進(jìn)行藥物遞送。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)提供健康監(jiān)護(hù)和危急情況下的輔助送藥功能，且在室內(nèi)環(huán)境下能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái) RoboDocFig.7 Experiment platform of RoboDoc

圖8 追蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Result of tracking experiment

5 結(jié)論

本文提出了一種新型的為老年人提供輔助服務(wù)的通用機(jī)器人系統(tǒng)。實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)健康狀況對(duì)確保老年人安全十分重要，但僅僅完成監(jiān)護(hù)，不能在健康狀況發(fā)生異常時(shí)提供有效幫助是不夠的。有效的輔助送藥功能可以在危急情況下提供及時(shí)的救助，因而有重要的研究?jī)r(jià)值。我們將兩個(gè)功能結(jié)合在低功耗的ZigBee局域網(wǎng)中，能夠及時(shí)捕捉健康狀況的變化，并且能夠準(zhǔn)確完成輔助送藥功能。我們建立實(shí)驗(yàn)原型，進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性和實(shí)用性。

未來的工作主要著眼于完善設(shè)計(jì)，使得機(jī)器人對(duì)危急情況的處理更加迅速和魯棒。我們計(jì)劃測(cè)量更多的生理參數(shù)，并且設(shè)計(jì)一個(gè)藥物選擇裝置，使得機(jī)器人能夠根據(jù)不同的健康狀況提供不同的藥物。同時(shí)我們還將實(shí)驗(yàn)不同的場(chǎng)地環(huán)境對(duì)定位精度的影響，以提高定位的準(zhǔn)確性。

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