閆可欣

(延安大學(xué) 物理學(xué)和電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

1 基于Zigbee的無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)的意義

1.1 社會效益

當(dāng)前我國人口的老齡化問題十分突出，社會養(yǎng)老已然成為我國社會民生領(lǐng)域的焦點(diǎn)問題。養(yǎng)老問題是關(guān)乎社會和諧穩(wěn)定以及人民生活幸福指數(shù)的頭等大事，應(yīng)用現(xiàn)代化的信息技術(shù)和無線通信技術(shù)來完善老年人養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)，對于整個(gè)社會打造高質(zhì)量養(yǎng)老模式具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。

科學(xué)、完善的養(yǎng)老無線護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)不僅僅能夠?yàn)槔夏耆颂峁┒鄬哟巍⒍嘣?、可靠性的定位管理服?wù)，也能夠提供個(gè)性化的服務(wù)需求。護(hù)理人員和老年人是養(yǎng)老機(jī)構(gòu)中的核心使用群體，基于物聯(lián)網(wǎng)Zigbee技術(shù)下的無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)，采用信息技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)低能耗、高應(yīng)用、高可靠性的呼叫管理功能，即符合當(dāng)前社會對養(yǎng)老智能化改革的整體需求，也對養(yǎng)老模式的信息化發(fā)展進(jìn)程有著極大的推動作用[1]。

1.2 經(jīng)濟(jì)效益

無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)是以Zigbee短程無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)。這是一種定位信號強(qiáng)度極強(qiáng)的新型定位系統(tǒng)，它能夠解決室內(nèi)、校區(qū)GPS無法實(shí)現(xiàn)全覆蓋的根本性問題，有效彌補(bǔ)GPS以及手機(jī)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的室內(nèi)定位精度不足的弊端。使用Zigbee技術(shù)的用戶不需要安裝任何專門軟件就能夠?qū)崿F(xiàn)終端上網(wǎng)，使得該套系統(tǒng)具有極強(qiáng)的應(yīng)用推廣優(yōu)勢，再加上通信設(shè)備和前端網(wǎng)關(guān)的高可靠性、自組網(wǎng)、低功耗的特性，使得該通信系統(tǒng)具備較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]。

此外，基于Zigbee技術(shù)的無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠幫助養(yǎng)老機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)老年人智能化定位服務(wù)和健康狀態(tài)監(jiān)測護(hù)理的精細(xì)化管理職能，其管理成本十分低廉，管理效率高，在保障養(yǎng)老機(jī)構(gòu)服務(wù)質(zhì)量和安全保障的基礎(chǔ)上縮減安裝成本和運(yùn)行成本，在我國養(yǎng)老服務(wù)的應(yīng)用中具有廣闊的前景。

1.3 研究價(jià)值

基于Zigbee技術(shù)的無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)是無線定位系統(tǒng)應(yīng)用的一種革命性突破，它將傳統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了高效的融合，能夠幫助養(yǎng)老機(jī)構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測和智能化定位服務(wù)職能?；赯igbee技術(shù)的無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)這種創(chuàng)新型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路能夠給養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)的其他應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)提供參考思路，為提升我國養(yǎng)老模式的創(chuàng)新和研發(fā)能力提供助力。此外，基于Zigbee技術(shù)的無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)在理論與技術(shù)層面的不斷完善對于歸納總結(jié)學(xué)術(shù)上的定位算法，推進(jìn)養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有十分現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義[3]。

2 zigbee技術(shù)及無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)概述

2.1 zigbee技術(shù)概述及特點(diǎn)介紹

Zigbee技術(shù)是一種低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度、近距離、低成本的雙向無線通信技術(shù)。Zigbee技術(shù)主要適用于遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域和自動控制領(lǐng)域。同時(shí)，Zigbee技術(shù)可以嵌入到各種設(shè)備的芯片當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)地理定位的功能。由于Zigbee的最高數(shù)據(jù)傳輸效率為250 kbit/s，極其適用于傳輸速率的應(yīng)用。Zigbee技術(shù)具有低功耗、響應(yīng)時(shí)延短、工作頻段靈活、短距傳輸及布網(wǎng)靈活、高安全性、高可靠性、抗干擾性能突出、低成本以及組網(wǎng)能力強(qiáng)大而靈活的諸多特性，與無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的結(jié)合能夠幫助養(yǎng)老行業(yè)實(shí)現(xiàn)老年人護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)的搭建，且具有十分廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景，養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的監(jiān)護(hù)人員可以利用手機(jī)或者平板等智能化設(shè)備，通過路由器或網(wǎng)關(guān)等設(shè)備以互聯(lián)網(wǎng)連接的形式實(shí)現(xiàn)對Zigbee智能設(shè)備的終端遠(yuǎn)程控制，提升養(yǎng)老護(hù)理的質(zhì)量和效率。

2.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)概述

Zigbee、WiFi、NFC、UWB等現(xiàn)代化通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用給無線傳感技術(shù)的發(fā)展提供了良好的契機(jī)，在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景下，無線傳感技術(shù)得到了質(zhì)的飛躍。無線傳感技術(shù)在獲取位置信息的監(jiān)測領(lǐng)域上具有較為突出的應(yīng)用優(yōu)勢，已然成為定位領(lǐng)域的主流技術(shù)，其部署簡易、低功耗、傳輸速率高、容錯(cuò)性強(qiáng)、支持自組網(wǎng)和高安全性的特點(diǎn)，使其相比于GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)更加適用于養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的室內(nèi)定位市場需求。無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)主要分為測距定位技術(shù)和非測距定位技術(shù)，兩者的主要區(qū)別在于：測距定位技術(shù)對節(jié)點(diǎn)的距離坐標(biāo)需要進(jìn)行直接測量；而非測距定位技術(shù)需要依靠網(wǎng)絡(luò)連通來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和距離的估算。兩種定位技術(shù)還具備不同的特點(diǎn)，前者具有高精度定位的優(yōu)勢，而后者具有功耗和成本控制上的優(yōu)勢。

3 基于Zigbee無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 基于Zigbee無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)關(guān)以及監(jiān)控中心等三個(gè)部分組成。研究設(shè)計(jì)的無線養(yǎng)老監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)中有協(xié)調(diào)器和諸多的終端設(shè)備組成。終端設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)主要有兩種形式：一種為Zigbee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)；另一種為Zigbee數(shù)據(jù)控制節(jié)點(diǎn)。由于ARM微處理器具有低功耗且較為強(qiáng)大的處理功能，因此，無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)所采用高的智能網(wǎng)關(guān)為ARM。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

(1)一個(gè)Zigbee協(xié)調(diào)器和多個(gè)Zigbee終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了基于Zigbee技術(shù)的無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)部傳感網(wǎng)絡(luò)。Zigbee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要采集老人的主要生理參數(shù)，如：血壓、血糖、溫度、脈搏等。同時(shí)，采集護(hù)理室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，如：溫度、濕度、安全情況等。Zigbee數(shù)據(jù)控制節(jié)點(diǎn)主要遵從監(jiān)控中心的控制臺，控制臺通過指令來實(shí)現(xiàn)對老人房間家電設(shè)備、燈光、護(hù)理設(shè)備的無線控制。

(2)老年護(hù)理中心內(nèi)部傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和維護(hù)是通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以收集Zigbee終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)上所出現(xiàn)的各種信息，借此實(shí)現(xiàn)Zigbee終端設(shè)備與智能網(wǎng)關(guān)之間的無線通信。

(3)老年護(hù)理中心的內(nèi)部傳感網(wǎng)絡(luò)與外部通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換是通過ARM進(jìn)行的，Ethernet模塊以及GPRS/GSM模塊是智能網(wǎng)關(guān)向外部傳輸?shù)闹饕馈?/p>

(4)監(jiān)控中心服務(wù)器所需實(shí)現(xiàn)的具體功能都是通過計(jì)算機(jī)終端或者移動終端的管理軟件實(shí)現(xiàn)，具體包含：實(shí)施監(jiān)護(hù)功能、通信管理功能、數(shù)據(jù)庫管理功能以及異常報(bào)警功能等。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，其主要的工作流程為：首先，老年護(hù)理中心采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳感網(wǎng)絡(luò)、Zigbee終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)將采集到的老年人護(hù)理相關(guān)信息傳輸至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器以系統(tǒng)設(shè)計(jì)的閾值為基準(zhǔn)與采集值進(jìn)行比較，系統(tǒng)判定是否需要啟動報(bào)警裝置。然后，相關(guān)信息通過Zigbee協(xié)調(diào)器傳輸至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)在通過互聯(lián)網(wǎng)將Zigbee感知的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心臺的監(jiān)護(hù)人員再通過遠(yuǎn)程控制對老年人進(jìn)行相應(yīng)的護(hù)理工作。最后，通過控制臺發(fā)出控制信息，老年護(hù)理中心網(wǎng)關(guān)對控制信息作出及時(shí)的響應(yīng)和判斷，相應(yīng)的Zigbee控制節(jié)點(diǎn)以此信息為指令做出相應(yīng)的控制動作。

3.2 基于Zigbee無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的原理是Zigbee無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部傳感網(wǎng)絡(luò)的智能網(wǎng)關(guān)采用ARM，該系統(tǒng)主要由：STM32F107VCT6型號的ARM微處理器、Zigbee協(xié)調(diào)器、Ethernet模塊、GPRS/GSM模塊以及Zigbee的終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)(數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)控制節(jié)點(diǎn))。

3.2.1 Zigbee無線傳感器節(jié)點(diǎn)

圖2 Zigbee傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

本文采用德州儀器公司的CC2530F256 芯片作為Zigbee的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，CC2530具備的最大優(yōu)點(diǎn)就是在低成本和低功耗的同時(shí)，還能夠結(jié)合RF發(fā)射器的優(yōu)良性能，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存256kB空間，8kB RAM 和其他強(qiáng)大的功能。Zigbee的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包含數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)控制節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要通過傳感器采集老年人的體溫、脈搏、血糖、血壓等重要生理參數(shù)，還采集老年人居住的室內(nèi)濕度、溫度、危險(xiǎn)報(bào)警信息等；Zigbee的控制節(jié)點(diǎn)對智能網(wǎng)關(guān)經(jīng)協(xié)調(diào)器發(fā)出的命令是通過2.4 Ghz天線來進(jìn)行接收的，這些控制命令主要是實(shí)現(xiàn)老年人居住空間的燈光、家電、警報(bào)等模塊控制。具體的Zigbee傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

協(xié)調(diào)器通過SPI與智能網(wǎng)關(guān)相連，當(dāng)其接收到Zigbee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的采集信息后，與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)計(jì)的閾值進(jìn)行比較，判定是否啟動報(bào)警裝置，并將數(shù)據(jù)傳輸至智能網(wǎng)關(guān)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了老年護(hù)理中心老年人生理信息采集、環(huán)境信息采集的數(shù)據(jù)采集、存儲以及無線收發(fā)的全過程。此外，Zigbee協(xié)議棧和應(yīng)用控制程序是Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)的主要組成。

3.2.2 智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

圖3 智能網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與外部通信網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換是通過網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，智能網(wǎng)關(guān)主要是實(shí)現(xiàn)老年護(hù)理中心內(nèi)部傳感網(wǎng)絡(luò)與外部通信網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換。本文所設(shè)計(jì)的無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)智能網(wǎng)關(guān)采用的CPU是Sa-msung公司基于ARM920T 內(nèi)核研發(fā)的STM32微處理器芯片，與公共網(wǎng)絡(luò)能夠通過GPRS接口和以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)連接，進(jìn)而幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)Zigbee護(hù)理中心內(nèi)部感知網(wǎng)的雙向數(shù)據(jù)傳輸，護(hù)理人員通過控制中心的計(jì)算機(jī)終端或者移動終端就可以對護(hù)理中心老年人進(jìn)行健康查詢和控制。此外，該部分硬件組成還包含：GPRS模塊、以太網(wǎng)模塊、存儲模塊、LCD顯示模塊、程序調(diào)試接口以及Zigbee模塊接口等，具體智能網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2.3 Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本文的設(shè)計(jì)中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的Zigbee終端節(jié)點(diǎn)通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)的無線連接通過GPRS模塊或者以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)構(gòu)建，并最終與Internet實(shí)現(xiàn)連接，數(shù)據(jù)通過此流程傳輸至監(jiān)控中心的系統(tǒng)控制平臺。系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建和管理是通過協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)的，通過CC2530 的射頻模塊實(shí)現(xiàn)與終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的無線通信，并通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)的通信。

3.3 基于Zigbee無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 控制中心軟件設(shè)計(jì)

圖4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)流程 圖5 網(wǎng)關(guān)工作流程

控制中心的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)采用在MyE-clipse平臺開發(fā)的Java語言，護(hù)理中心老年人的數(shù)據(jù)信息存儲采用MySQL 數(shù)據(jù)庫，具體的控制軟件服務(wù)功能包含：

(1)實(shí)施監(jiān)護(hù)：對護(hù)理中心老年人的重要生理指標(biāo)和居住室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)測，并進(jìn)行及時(shí)地動態(tài)反應(yīng)，以便監(jiān)護(hù)人員能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)并采取有效處理措施。

(2)數(shù)據(jù)庫管理：將護(hù)理中心老年人的一切生理信息和居住環(huán)境信息進(jìn)行采集、存儲、查詢和修改管理。

(3)通信管理：控制中心服務(wù)臺能夠通過服務(wù)器和串口通信實(shí)現(xiàn)與Zigbee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的雙向數(shù)據(jù)傳輸通信，并實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)終端和移動終端的訪問、控制功能。

(4)異常報(bào)警：當(dāng)護(hù)理中心老年人的一切生理指標(biāo)或環(huán)境指標(biāo)與系統(tǒng)設(shè)置的閾值異常時(shí)，自動驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出警報(bào)，提醒控制中心護(hù)理人員異常出現(xiàn)。

3.3.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

本文無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Zigbee無線傳輸協(xié)議作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，基于Zigbee的無線傳輸協(xié)議具有自組織、近距離、低功耗、低復(fù)雜度、低成本以及低數(shù)據(jù)速率的優(yōu)勢。此外，終端節(jié)點(diǎn)還設(shè)有傳感模塊、終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，具體軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

3.3.3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

護(hù)理中心的內(nèi)部傳感網(wǎng)絡(luò)與外

部通信網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換是通過網(wǎng)關(guān)啟動協(xié)調(diào)器，建立無線傳感網(wǎng)絡(luò)而實(shí)現(xiàn)的。因此，網(wǎng)關(guān)的處理能力就成了設(shè)計(jì)的重中之重。本文設(shè)計(jì)的無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)采用STM32 微處理器，將Zigbee協(xié)議棧以及TCP/IP鑲嵌其中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)與TCP / IP 協(xié)議的轉(zhuǎn)換，本文采用德州儀器公司Z-Stack-CC2530型號協(xié)議棧作為TCP / IP 協(xié)議棧，網(wǎng)關(guān)的具體工作流程為：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以STM32 微處理器為核心將終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并發(fā)送至STM32 微處理器之中，并將Z-Stack-CC2530 協(xié)議棧鑲嵌至STM32 中，這樣，Zigbee傳感網(wǎng)絡(luò)就能夠?qū)崿F(xiàn)與控制中心數(shù)據(jù)的雙向傳輸，實(shí)現(xiàn)采集信息與控制指令的傳遞，具體工作流程如圖5所示。

4 結(jié)語

總之，隨著我國人口老齡化問題的日益嚴(yán)重，養(yǎng)老問題成為我國民生領(lǐng)域面臨的主要問題，現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展為我國養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的養(yǎng)老模式改革提供了全新的發(fā)展契機(jī)，信息化發(fā)展成了養(yǎng)老機(jī)構(gòu)發(fā)展的主旋律?；赯igbee技術(shù)的無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)具有大容量、高性能、低功耗、低速率、高穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點(diǎn)，基于Zigbee技術(shù)對無線養(yǎng)老護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義、應(yīng)用意義、經(jīng)濟(jì)意義和學(xué)術(shù)意義，對提升我國養(yǎng)老服務(wù)水平、提高我國養(yǎng)老服務(wù)質(zhì)量具有極大的推動作用。