王中生，楊 森，陳國(guó)紹，黃動(dòng)力

（西安工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710032）

鑒于目前我國(guó)養(yǎng)老資源匱乏的現(xiàn)狀，我們提出了一個(gè)全新的、符合我國(guó)國(guó)情的、以社區(qū)居家養(yǎng)老為主體、最大限度節(jié)省社會(huì)資源為主導(dǎo)的社區(qū)居家養(yǎng)老體系。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展與成熟，傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、老人護(hù)理、食品溯源、情報(bào)搜集等多個(gè)領(lǐng)域[1]。

文中基于傳感網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建出以社區(qū)居家養(yǎng)老為主體的新型養(yǎng)老監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以監(jiān)護(hù)對(duì)象家庭終端為最初節(jié)點(diǎn)，以社區(qū)監(jiān)護(hù)中心為二級(jí)節(jié)點(diǎn)，以區(qū)（縣）或市級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)為三級(jí)或四級(jí)節(jié)點(diǎn)，最上層為服務(wù)器控制中心。家庭節(jié)點(diǎn)以ZigBee平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)監(jiān)護(hù)對(duì)象生命體征數(shù)據(jù)的采集，以STC89C52為控制器，以CC1101和CC2530為數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。該系統(tǒng)中，可根據(jù)不同的需求增加不同的傳感器，完成監(jiān)護(hù)對(duì)象溫度、血壓、脈搏、血流量等數(shù)據(jù)的采集與傳送；實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)護(hù)對(duì)象的遠(yuǎn)程監(jiān)視。

1 一級(jí)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)概述

家庭節(jié)點(diǎn)包括用戶節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集路由、社區(qū)路由等模塊。使用STC89C52為核心控制器，射頻芯片CC1101與CC2530作為數(shù)據(jù)收發(fā)器，采用ZigBee技術(shù)完成數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee具有低功耗、低成本、低速率、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn),將ZigBee技術(shù)與傳感器相結(jié)合[2]，可以滿足系統(tǒng)的需求。

1）硬件設(shè)計(jì)分析

根據(jù)前期分析，硬件部分主要有以下模塊組成：用戶節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集路由、社區(qū)路由、協(xié)調(diào)器，各模塊功能如下。

用戶節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)護(hù)對(duì)象生命體征信息及求助信息的采集，并通過(guò)CC1101（433MHz）發(fā)送至社區(qū)路由器。

數(shù)據(jù)采集路由負(fù)責(zé)環(huán)境信息的采集，采集的信息由ZigBee（2.4GHz）發(fā)送；ZigBee具有中繼的功能，可以完成信息的遠(yuǎn)距離傳輸。本文僅以溫濕度傳感器AM2311作為測(cè)試示例。

社區(qū)路由負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的中繼，對(duì)接收的信息進(jìn)行分類處理，然后按照協(xié)議發(fā)送至PC協(xié)調(diào)器。

協(xié)調(diào)器為內(nèi)信息接收終端，核心為ZigBee，通過(guò)底板與PC串口通信，將收到的信息傳至PC，由PC進(jìn)行處理。

2）通信協(xié)議設(shè)計(jì)分析

傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò),脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點(diǎn)沒(méi)有任何意義。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)編號(hào)標(biāo)識(shí),節(jié)點(diǎn)編號(hào)是否需要全網(wǎng)唯一取決于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)[3]。居家養(yǎng)老系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)眾多，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有唯一地址，實(shí)現(xiàn)區(qū)分。用戶節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)的，要對(duì)其進(jìn)行定位，故信息之中需要包含定位所需要的RSSI值。系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒎N類多，要對(duì)信息進(jìn)行分類標(biāo)識(shí)?？紤]信息傳輸過(guò)程中可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，需要添加引導(dǎo)碼及校驗(yàn)和。綜合考慮，確定通信協(xié)議的基本格式為：

引導(dǎo)碼+信息分類碼+用戶節(jié)點(diǎn)地址+路由地址+信號(hào)強(qiáng)度+求救+數(shù)據(jù)信息+校驗(yàn)和

2 各部分設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1）通信協(xié)議設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒅饕幸韵聨最悾汗?jié)點(diǎn)環(huán)境信息、用戶健康信息、緊急求助信息，據(jù)此，規(guī)范化的數(shù)據(jù)傳輸格式如表1所示。

下面就通信協(xié)議進(jìn)行說(shuō)明：

前導(dǎo)碼為FF，恒定不變；分類碼根據(jù)所發(fā)送信息種類不同，分為3類：FE（節(jié)點(diǎn)環(huán)境信息）、FD（用戶健康信息）、FB（緊急求助信息） ；人員地址用于區(qū)分系統(tǒng)之中的每一個(gè)用戶，具有唯一性；路由分為數(shù)據(jù)采集路由、社區(qū)路由兩類，也具有唯一性；信號(hào)強(qiáng)度用于協(xié)助定位，由第一個(gè)接收到求助信息的社區(qū)路由給出；求救位即緊急求助標(biāo)志位，有求助為11，無(wú)求助為00；校驗(yàn)和用來(lái)檢測(cè)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。

注意：

所有數(shù)據(jù)均以16進(jìn)制形式發(fā)送，表中凡是為“**”代表需要添加的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)位實(shí)際為32字節(jié)，但是在設(shè)計(jì)時(shí)候僅用其18位，剩余以00補(bǔ)充，預(yù)留給以后增加的其他類型的傳感器。

2）硬件部分設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

表1 通信協(xié)議規(guī)范Tab.1 Communication protocol

硬件部分主要用到兩種模塊：威步科技的JASK51-1101、鼎泰克電子的DRF1605 。

JASK51-1101無(wú)線模塊提供源程序，任何應(yīng)用只需在源程序上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)；DRF1605為2.4 GHz的ZigBee透明傳輸模塊，DRF1605 可連接至RS232底板，用戶無(wú)需任何更改。

①用戶節(jié)點(diǎn)

用戶節(jié)點(diǎn)由JASK51-1101、血壓傳感器、兩個(gè)按鍵組成。血壓傳感器自帶電源，通過(guò)串口與JASK-1101模塊相連；JASK-1101模塊供5 V電源，在P2.0與GND、P3.7與GND之間分別有一個(gè)按鍵。血壓傳感器采集到數(shù)據(jù)后會(huì)自動(dòng)通過(guò)串口發(fā)至JASK-1101，按鍵按下后JASK-1101會(huì)發(fā)送求助信息。

②協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器由ZigBee模塊以及其配用的底板組成，通過(guò)串口與PC機(jī)相連。底板由廠商提供。注意該部分的ZigBee模塊要設(shè)置為Coordinator。

③數(shù)據(jù)采集路由

數(shù)據(jù)采集路由JASK-1101、DRF1605、AM2311組成。

JASK-1101與ZigBee通過(guò)串口連接，AM2311與P1^6和P1^7連接，用普通I/O口模擬I2C總線。注意AM2311的SCL與SDA需要接5K的上拉電阻，DRF1605供3.3 V電。I2C總線的通信線路簡(jiǎn)單，程序編寫(xiě)方便，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件模塊的標(biāo)準(zhǔn)化與通用化，便于系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)展[4]。

④社區(qū)路由

社區(qū)路由由JASK-1101與DRF1605組成，通過(guò)串口相連接。JASK-1101中的的單片機(jī)負(fù)責(zé)信息的處理，CC1101負(fù)責(zé)接收由用戶節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的信息，DRF1605（CC2530）負(fù)責(zé)信息的中繼傳輸。

3）各模塊編程流程圖

用戶節(jié)點(diǎn)編程流程如圖1所示。用戶節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)有兩個(gè)：發(fā)送緊急求助信息、接收處理并且轉(zhuǎn)發(fā)用戶健康數(shù)據(jù)。JASK-1101的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收方式由軟件制造商提供，只需要編寫(xiě)程序，不斷掃描按鍵與串口，當(dāng)符合發(fā)送條件時(shí)候，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去即可。

圖1 用戶端編程流程圖Fig. 1 End user programming flow chart

圖2 傳感器路由編程流程圖Fig. 2 Sensor routing programming flow chart

傳感器路由編程流程如圖2所示。傳感器路由的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸給DRF1605模塊進(jìn)行發(fā)送。由于AM2311數(shù)據(jù)傳輸I2C總線，需要用普通I/O口模擬I2C總線，占用空間多，導(dǎo)致CC1101無(wú)法編程使用，因此該模塊只數(shù)據(jù)采集與串口發(fā)送的功能。

圖3 社區(qū)路由編程流程圖Fig. 3 Community route programming flow chart

社區(qū)路由編程流程如圖3所示。社區(qū)路由程序運(yùn)行后，單片機(jī)不斷檢測(cè)是否有信息接收到。如果沒(méi)有，繼續(xù)檢測(cè)；如果有，識(shí)別分類碼。讀取分類碼，如果不是求助類信息，直接由DRF1605發(fā)送；如果是求助類信息則加上本機(jī)地址與信號(hào)強(qiáng)度，再由DRF1605發(fā)送。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)各部分電路完成后，燒寫(xiě)相對(duì)應(yīng)的代碼。給各個(gè)模塊上電，依次測(cè)試各部分功能，打開(kāi)PC機(jī)的串口助手，進(jìn)行信息的接收，結(jié)果如圖4所示。

測(cè)試結(jié)果如圖4所示。第一部分為前導(dǎo)碼，為FF；第二部分為信息分類碼，第一條信息為緊急求助信息，第二條為人員健康信息，第三條為環(huán)境信息；第三部分為用戶地址，求救信息與健康信息來(lái)自用戶節(jié)點(diǎn)，故為用戶地址，健康信息來(lái)自環(huán)境監(jiān)測(cè)路由，故該部分為空；第四部分為路由地址，前兩條信息發(fā)出后由地址為ED B1的路由接收到后中繼傳輸，第三條環(huán)境信息直接由地址為EE A0的路由發(fā)送；第五部分為信號(hào)強(qiáng)度，用于用戶節(jié)點(diǎn)定位；第六部分表示是否為緊急求助信息；第六部分為人員健康信息，依次為血壓高、血壓低、心率；第七部分為環(huán)境信息，一次為溫度高、溫度低、濕度高、濕度低；其余為空閑數(shù)據(jù)位，留作用戶使用分配。

圖4 測(cè)試結(jié)果Fig. 4 Test result

4 結(jié)束語(yǔ)

文中就居家養(yǎng)老系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)可較好的完成數(shù)據(jù)的采集與傳輸。系統(tǒng)使用單片機(jī)作為控制器，具有低功耗、小體積、高智能、價(jià)格低的特點(diǎn)[5]，使系統(tǒng)的使用成本降低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)在STC89C52編程空間足夠的情況下，可以添加不同種類的傳感器完成不同的系統(tǒng)要求；系統(tǒng)提供RSSI值，利用RSSI值可以完成監(jiān)護(hù)對(duì)象節(jié)點(diǎn)定位[6]。該系統(tǒng)不僅可以用于居家養(yǎng)老系統(tǒng)，而且可以對(duì)其進(jìn)行改造，用于智能交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)爆炸物監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，具有較強(qiáng)的通用性。在理論上，系統(tǒng)可換用先進(jìn)的微處理器，完成其他更加復(fù)雜的任務(wù)，具有較強(qiáng)的升級(jí)空間。

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