楊兆輝，姜 宇，梁麗麗

(哈爾濱職業(yè)技術(shù)學院，哈爾濱 150081)

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基于ZIGBEE的身體健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

楊兆輝，姜 宇，梁麗麗

(哈爾濱職業(yè)技術(shù)學院，哈爾濱 150081)

分析了我國老年人養(yǎng)老現(xiàn)狀和實際需求，基于ZigBee技術(shù)搭建老年人健康監(jiān)測系統(tǒng)，定位剖析系統(tǒng)的整體設(shè)計方案。闡述了硬件設(shè)備的選擇要素和作用，通過實驗驗證設(shè)計方案的可行性和可靠性，為老年人的智能化移動健康醫(yī)療發(fā)展提供理論支持和技術(shù)保障。

物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；老年人；監(jiān)測；監(jiān)護

據(jù)民政部調(diào)查顯示：2016年我國老齡人口已突破2億，2025年將突破3億，2034年將突破4億。隨著年齡的增長，人體器官功能逐漸衰減，現(xiàn)有的醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備通常采用有線傳輸，慢性非傳染性疾病的患者，如糖尿病、心腦血管疾病、腰椎間盤突出等離不開長期的生理參數(shù)監(jiān)控。醫(yī)療監(jiān)護的特點是即時性和連續(xù)性，借助醫(yī)療器械可實現(xiàn)生理特征參數(shù)的實時監(jiān)控[1]。傳統(tǒng)監(jiān)護設(shè)備體積龐大，限制了被監(jiān)護者的行動范圍，各種線纜連接在身上，造成被監(jiān)護者的情緒焦慮，導致病情延誤和康復時間延長。本文提出一種基于ZigBee技術(shù)的身體健康監(jiān)測解決方案，實現(xiàn)家庭環(huán)境中24 h對被監(jiān)護者的生理信息(脈搏、體溫)采集，實時傳遞采集信息至監(jiān)護基站，對生理參數(shù)異常的老年人進行自動預警和告警，提醒家人、社區(qū)、醫(yī)院及時救助。

1 基于ZigBee的身體健康監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 ZigBee組網(wǎng)技術(shù)

ZigBee技術(shù)得到廣泛應用得益于其強大的無線組網(wǎng)功能，它工作在2.4 GHz頻段，250 Kbps的帶寬足以滿足健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。ZigBee技術(shù)以其低功耗、低速率、近距離、低延時、低成本、短延時、高容量、高安全等特點，可滿足多跳自組織無線傳感器網(wǎng)絡要求。相對紅外、藍牙、Wi-fi、UWB等[2]具有顯著優(yōu)勢，因此，ZigBee技術(shù)常被用于短距離無線網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)，如：物流管理、智能家居、環(huán)境監(jiān)測和遠程控制領(lǐng)域。ZigBee技術(shù)的通信距離在75 m內(nèi)，通過科學設(shè)置家庭網(wǎng)關(guān)控制器位置，可使覆蓋范圍達到直徑150 m左右，滿足大部分家庭的需要。

1.2 身體健康監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

本文設(shè)計的系統(tǒng)方案以ZigBee為核心，利用通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感技術(shù)、計算機技術(shù)等，實現(xiàn)對老年人生理健康指標的動態(tài)監(jiān)測。收集和處理被監(jiān)測者的生理指標，監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)給予預警和告警功能。系統(tǒng)在概要設(shè)計和詳細設(shè)計階段充分考慮了日后技術(shù)升級的現(xiàn)實需求，采用模塊化設(shè)計方式，由生理參數(shù)采集模塊、無線收發(fā)模塊、信息控制終端模塊三部分組成，模塊間采用“高內(nèi)聚、低耦合”的方式關(guān)聯(lián)。

生理參數(shù)采集模塊負責采集老年人的體溫、脈搏等生理數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)由無線收發(fā)模塊依靠ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)送給信息控制終端模塊中的微處理器，生理數(shù)據(jù)進行分析處理后顯示在LCD上。當患者的采集數(shù)據(jù)接近病情臨界值時，會通過無線收發(fā)模塊中的GPRS功能將預警信息發(fā)送到患者及監(jiān)護人的手機上，同時發(fā)出預警音效提醒患者；當患者的采集數(shù)據(jù)超過病情臨界值時，會通過無線收發(fā)模塊中的GPRS功能將告警信息發(fā)送到患者及監(jiān)護人的手機上和社區(qū)醫(yī)師的終端設(shè)備上，同時發(fā)出告警音效。

2 基于ZigBee的身體健康監(jiān)測系統(tǒng)的硬件選擇

2.1 生理參數(shù)采集模塊

主控芯片選用Texas Instruments公司(簡稱TI，德州儀器公司)的MSP430F449單片機，這個部件可以滿足模/數(shù)端口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和多個串口的通信。同時，MSP430F449單片機擁有低功率、多IO、高存儲、體積小、可擴展、易升級等多項產(chǎn)品優(yōu)勢，可完成被監(jiān)測者包括體溫、心率在內(nèi)的多項生理參數(shù)的采集[3]。

2.2 無線收發(fā)模塊

無線數(shù)據(jù)傳輸選用TI公司的新一代SOC芯片CC2560，可以支持IEEE802.15.4協(xié)議，在單周期條件下有特殊功能寄存器(SFR)、數(shù)據(jù)(DATA)、代碼/外部數(shù)據(jù)(CORE/XDATA)三種存儲器，實現(xiàn)對MSP430F449單片機的總線訪問通信[4-5]。

在搭建實際監(jiān)控環(huán)境時，設(shè)置3個無線收發(fā)節(jié)點，采用串口通信方式實現(xiàn)級聯(lián)。在ZigBee無線星形網(wǎng)絡拓撲環(huán)境下，發(fā)送節(jié)點(路由器)負責完成對生理參數(shù)采集包的發(fā)送任務，接收節(jié)點(網(wǎng)關(guān))負責完成對生理參數(shù)采集包的接收任務。

2.3 信息控制終端模塊

信息控制處理器選用TI公司的MSP430F149單片機，該部件擁有低電壓、低功耗、高處理、抗干擾、多IO，大存儲等優(yōu)勢[6]。

GPRS模塊通過串口與信息控制終端連接，預設(shè)AT命令實現(xiàn)預警和告警內(nèi)容的短消息發(fā)送，通過預先安裝的SIM卡使GPRS模塊訪問GSM網(wǎng)絡并建立連接。GPRS模塊通常處于休眠狀態(tài)，接收信息控制終端數(shù)據(jù)接受函數(shù)后喚醒，完成接收數(shù)據(jù)的封裝和發(fā)送。

AT命令又被稱為AT指令集，是世界通用的控制解調(diào)器指令集。AT命令通常以AT字母開頭，CR或LF字母結(jié)尾，中間的字母和數(shù)字代表具體功能的字符串。

3 系統(tǒng)調(diào)試和小結(jié)

調(diào)試過程在實驗室仿真環(huán)境下進行，先對硬件設(shè)備進行連接，系統(tǒng)連接通電后的狀態(tài)如圖1所示。對節(jié)點內(nèi)的程序進行燒錄，部署在測試位置后啟動待機，測試網(wǎng)絡環(huán)境是否正常。對采集對象進行數(shù)據(jù)采集并完成系統(tǒng)的整體聯(lián)調(diào)。將測試結(jié)果與真實數(shù)據(jù)進行對比，完善系統(tǒng)功能，達到預期目標。

圖1 硬件系統(tǒng)組網(wǎng)圖Fig.1 Hardware system network diagram

通過多次系統(tǒng)連接和調(diào)試工作，系統(tǒng)實現(xiàn)了體溫和脈搏的生理數(shù)據(jù)采集任務，如圖2和圖3所示，進一步驗證了系統(tǒng)的可靠性和可行性。

圖2 監(jiān)控站接收體溫狀態(tài)圖Fig.2 State diagram of monitor station temperature reception

圖3 監(jiān)控站接收脈搏狀態(tài)圖Fig.3 State diagram of monitor station pulse reception

系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了系統(tǒng)預期設(shè)計目標，并取得了一些研究效果，但在數(shù)據(jù)采集的精度和軟件控制等方面還需要進一步驗證，在采集的功能上系統(tǒng)預留了擴展和升級的位置。隨著ZigBee技術(shù)的進一步深化發(fā)展，系統(tǒng)的實際應用范圍將更加廣闊。

[1] 肖虹.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在空巢老人健康服務中的應用監(jiān)測平臺的設(shè)計[J].設(shè)計藝術(shù)與理論， 2016，(07)：23-35.

[2] 周洪波.物聯(lián)網(wǎng)：技術(shù)、應用、標準和商業(yè)模式[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014：23-35.

[3] 張凱斐.人工智能的應用領(lǐng)域及其未來展望[J].呂梁高等?？茖W校學報，2015，26(4)：79-80.

[4] 劉天宇.基于ZigBee網(wǎng)絡的智能化養(yǎng)老系統(tǒng)設(shè)計[D].浙江：杭州電子科技大學，2014.

[5] 余佳佳.ZigBee技術(shù)的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：電子科技大學，2009.

[6] 蔡偉超.基于ZigBee技術(shù)的老年人家庭健康監(jiān)護設(shè)計[D].天津：天津大學，2009.

PhysicalhealthmonitoringsystemdesignbasedonZIGBEE

YANGZhao-hui,JIANGYu,LIANGLi-li

(HarbinVocationalandTechnicalCollege,Harbin150081,China)

This paper analyzes the current situation and actual needs of the elderly in China, and builds the overall design scheme of the elderly health monitoring system and positioning analysis system based on ZigBee technology. The factors and functions of hardware equipment are expounded. The feasibility and reliability of the design scheme are verified by experiments, which provide theoretical support and technical support for the development of intelligent mobile health care for the elderly.

Internet of things; ZigBee; Elderly; Monitoring; Custody

2017-01-20

課題項目：2016年哈爾濱市應用技術(shù)研究與開發(fā)項目，項目名稱：基本物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的銀發(fā)族看護系統(tǒng)，項目編號：2016RQQXJ222

楊兆輝(1978-)，男，碩士研究生，副教授。

TP

A

1674-8646(2017)04-0028-02