導(dǎo)語(yǔ)：養(yǎng)老系統(tǒng)設(shè)計(jì)與環(huán)境檢測(cè)模塊分析一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：針對(duì)目前人們對(duì)于現(xiàn)代型養(yǎng)老的高需求、高要求同養(yǎng)老機(jī)構(gòu)護(hù)理的高難度、高成本、低效率的矛盾與沖突，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee無(wú)線定位和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)養(yǎng)老系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)老人進(jìn)行實(shí)時(shí)定位、對(duì)其生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)異常及時(shí)告警和環(huán)境監(jiān)測(cè)的功能。該系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)代型養(yǎng)老的更多需求，提高護(hù)理效率，降低護(hù)理成本和難度。

關(guān)鍵詞：ZigBee；模塊化設(shè)計(jì)；定位技術(shù)

我國(guó)是當(dāng)今世界老年人數(shù)最多的國(guó)家。針對(duì)人口老齡化不斷加劇的基本國(guó)情，我國(guó)把積極應(yīng)對(duì)人口老齡化提升為國(guó)家戰(zhàn)略，力求讓每位老年人都能生活得安心、靜心、舒心[1]。隨著生活水平的提高，人們對(duì)于現(xiàn)代型養(yǎng)老的高要求同傳統(tǒng)的健康監(jiān)護(hù)設(shè)備高難度、高成本、低效率的矛盾日益增大[2]。在國(guó)外，目前已經(jīng)有了一些利用有線和無(wú)線通信技術(shù)的監(jiān)護(hù)設(shè)備研究成功的案例[3]。為了提升養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的監(jiān)護(hù)能力和服務(wù)水平，國(guó)內(nèi)有越來(lái)越多的科研人員投身到結(jié)合智能化技術(shù)（如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能感知技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)等）的養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的研究中。本論文設(shè)計(jì)一種基于ZigBee無(wú)線定位和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)養(yǎng)老系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠及時(shí)有效應(yīng)對(duì)老人可能出現(xiàn)的突發(fā)情況（摔倒、突發(fā)疾病等），監(jiān)測(cè)保障患有慢性病老人的生命安全，增加他們晚年生活的幸福指數(shù)。

1系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要由移動(dòng)檢測(cè)終端、監(jiān)控基站和PC監(jiān)控中心三個(gè)部分組成，相互之間通過(guò)室內(nèi)外ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與局域網(wǎng)進(jìn)行連接。移動(dòng)檢測(cè)終端即老人手上所佩戴的智能手環(huán)，由CC2538芯片作為智能手環(huán)微處理器，使其具備定位、采集信息以及語(yǔ)音緊急呼叫三功能為一體。監(jiān)控基站作為中間連接的部分，將移動(dòng)終端采集到的信息發(fā)送到PC監(jiān)控中心，主要負(fù)責(zé)建立擴(kuò)大化網(wǎng)絡(luò)、收集并發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、控制移動(dòng)終端工作等，起著至關(guān)重要的作用。PC監(jiān)控中心主要執(zhí)行生理參數(shù)分析和位置、環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，同時(shí)具有在WEB界面上實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警和實(shí)時(shí)分發(fā)信息的功能[4]。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2ZigBee無(wú)線技術(shù)

ZigBee技術(shù)是繼WiFi、藍(lán)牙之后新一代的無(wú)線通信技術(shù)，它的最大特點(diǎn)就是低功耗、可組網(wǎng)。其在成本和功耗方面優(yōu)于WiFi，而從可支持的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量角度來(lái)說(shuō)ZigBee比藍(lán)牙更適合需要大量終端和節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)。但是傳輸速率遠(yuǎn)不及WiFi和藍(lán)牙[5]。綜合考量之后，該系統(tǒng)選擇ZigBee技術(shù)運(yùn)用于養(yǎng)老院系統(tǒng)內(nèi)部信息的傳輸，通過(guò)建立監(jiān)護(hù)基站來(lái)克服其網(wǎng)絡(luò)通信距離短、覆蓋范圍?。╖igBee技術(shù)的通信距離在75m內(nèi)）的缺點(diǎn)，擴(kuò)大其覆蓋范圍到直徑150m左右來(lái)滿足大部分養(yǎng)老院的需要。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用由TI（德州儀器）公司生產(chǎn)的CC2538芯片為硬件平臺(tái)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，智能手環(huán)由生理參數(shù)檢測(cè)、語(yǔ)音燈光、環(huán)境檢測(cè)、位置檢測(cè)和無(wú)線收發(fā)五個(gè)功能模塊組成。其中生理參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)的采集由傳感器來(lái)完成，部分需通過(guò)模-數(shù)轉(zhuǎn)換后再將數(shù)據(jù)傳輸至CC2538。此芯片作為智能手環(huán)的微處理器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)、運(yùn)算、存儲(chǔ)等，最終實(shí)現(xiàn)定位、采集信息與語(yǔ)音緊急呼叫功能。

3.1核心芯片

CC2538是一款針對(duì)高性能ZigBee應(yīng)用的理想片上系統(tǒng)（SoC）芯片。它包含基于ARMCortex-M3的強(qiáng)大MCU系統(tǒng)，具有高達(dá)32KB的片上RAM和高達(dá)512KB的片上閃存以及可靠的2.4GHzIEEE802.15.4兼容RF收發(fā)器。這使得該器件可實(shí)現(xiàn)最大的靈活性，能支持具有多達(dá)數(shù)百個(gè)端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，能夠處理涉及安全性、要求嚴(yán)格的應(yīng)用以及無(wú)線下載的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)堆棧。32個(gè)通用輸入和輸出（GPIO）以及串行外設(shè)接口可實(shí)現(xiàn)到電路板其他部分的簡(jiǎn)單連接。其具有保持功能的低功耗模式可實(shí)現(xiàn)從睡眠狀態(tài)中快速喚醒，并且大大降低了執(zhí)行周期任務(wù)時(shí)的能耗。此外，該芯片具備精確的數(shù)字RSSI/CCA特性，可以實(shí)現(xiàn)定位功能，能夠很好地滿足設(shè)計(jì)需要。

3.2環(huán)境檢測(cè)模塊

環(huán)境檢測(cè)模塊包含溫度測(cè)量、煙霧濃度測(cè)量和空氣質(zhì)量檢測(cè)三個(gè)部分。（1）溫度測(cè)量采用溫濕度傳感器芯片HTU21D，其可以直接與微控器接口連接輸出經(jīng)過(guò)校正的線性的I²C數(shù)字信號(hào)，電路簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)精度高。此外，HTU21D專為低功耗小體積應(yīng)用設(shè)計(jì)，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)。（2）煙霧濃度測(cè)量采用MQ-2型傳感器。此傳感器成本低且靈敏度高，可檢測(cè)到多種可燃性氣體，具有良好的抗干擾性和穩(wěn)定性，檢測(cè)可燃?xì)怏w與煙霧的范圍是100～10000ppm。（3）空氣質(zhì)量檢測(cè)采用TGS2600半導(dǎo)體空氣傳感器。它能夠靈敏地感知空氣中低濃度污染物的異味，監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量的變化。與其他空氣傳感器相比，具有成本低、壽命長(zhǎng)、體積小、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量和通風(fēng)換氣設(shè)備等提供了方便可靠的方法。

3.3生理參數(shù)測(cè)量模塊

3.3.1體溫測(cè)量采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20單線數(shù)字集成溫度傳感器實(shí)現(xiàn)體溫測(cè)量。此傳感器僅用一條I/O口線就可實(shí)現(xiàn)CC2538與DS18B12的雙向通訊。可以省去濾波、A/D轉(zhuǎn)換等模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的同時(shí)節(jié)約了硬件成本，且測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)。在掉電時(shí)，它仍可保存分辨率及報(bào)警溫度的設(shè)定值，是一款可靠性很高的傳感器。3.3.2心電、血氧、血壓、心率測(cè)量采用深圳加一健康科技有限公司研發(fā)設(shè)計(jì)的PLUS101模組實(shí)現(xiàn)對(duì)心電、血氧、血壓、心率四個(gè)參量的測(cè)量。該P(yáng)LUS101模組所具備的特點(diǎn)有：（1）內(nèi)置專業(yè)的醫(yī)療級(jí)算法，滿足YY0885-2013、IEC60601-2-47醫(yī)療專標(biāo)要求；（2）輸入阻抗≥500MΩ，在人體皮膚干燥情況下也能測(cè)出心電圖；（3）共模抑制比≥100dB，能夠?yàn)V除人體上攜帶的50/60Hz工頻信號(hào)，使波形更干凈平穩(wěn)；（4）支持心率失常分析，具有偽差識(shí)別功能；（5）低功耗；（6）可同時(shí)采集PPG光電傳感器+ECG心電芯片發(fā)出的生物信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)心率和血壓更精確的測(cè)量。PPG光電測(cè)量心率用于全天自動(dòng)記錄，系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)剔除誤差，得出平均水平。ECG心電測(cè)量用于單次精準(zhǔn)測(cè)試，全面評(píng)估心臟的工作狀況。此芯片模組支持SPI/I²C接口，可直接與CC2538芯片對(duì)應(yīng)接口相連接。

3.4語(yǔ)音燈光模塊

語(yǔ)音緊急呼叫功能借助深圳清月電子有限公司生產(chǎn)的KT404A語(yǔ)音芯片實(shí)現(xiàn)。此芯片集成了MP3、WAV的硬解碼，同時(shí)軟件支持工業(yè)級(jí)別的串口通信協(xié)議，以SPIFLASH（超小型封裝）或者TF卡、U盤作為存儲(chǔ)介質(zhì)，通過(guò)簡(jiǎn)單的串口指令即可完成播放指定的語(yǔ)音，以及如何播放語(yǔ)音等功能，具備包括串口模式在內(nèi)的多種控制模式，使用方便，穩(wěn)定可靠。在更新語(yǔ)音文件時(shí)通過(guò)Miniusb接口即可，無(wú)需安裝任何軟件，支持XP和WIN7系統(tǒng)。本系統(tǒng)中，PC監(jiān)控中心根據(jù)監(jiān)控基站傳遞過(guò)來(lái)的生理參數(shù)與系統(tǒng)設(shè)定的正常參考值相比較，若超出正常范圍，則啟動(dòng)語(yǔ)音模塊來(lái)提醒老人和護(hù)工。與此同時(shí)，燈光模塊中對(duì)應(yīng)床位燈應(yīng)閃爍，所需燈盞數(shù)依據(jù)實(shí)際床位數(shù)來(lái)定。

3.5位置檢測(cè)模塊

基于CC2538芯片具備精確的數(shù)字RSSI/CCA特性的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用RSSI定位技術(shù)來(lái)對(duì)老人的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行檢測(cè)。位置信息的采集通過(guò)讀取CC2538芯片內(nèi)置的接收信號(hào)強(qiáng)度指示器得到RSSI值，再根據(jù)定位算法，借助被測(cè)終端與固定的監(jiān)控基站、其他檢測(cè)終端之間的相互通信計(jì)算出所處位置對(duì)應(yīng)的具體化坐標(biāo)并存儲(chǔ)。

3.6無(wú)線收發(fā)模塊

無(wú)線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)與其他檢測(cè)終端、監(jiān)控基站進(jìn)行通信、交換控制信息和收發(fā)生理和環(huán)境信息等。主要由CC2538芯片、射頻部分、監(jiān)控基站及天線等構(gòu)成，該模塊把采集到的信號(hào)傳輸至PC監(jiān)控中心進(jìn)行進(jìn)一步的處理和操作。其中射頻部分由功率放大器和低噪聲放大器構(gòu)成。采用兩節(jié)干電池和DC-DC升壓變換器構(gòu)成了傳感器節(jié)點(diǎn)的供電單元，穩(wěn)定輸出3.3V，滿足系統(tǒng)供電要求[6]。系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi局域網(wǎng)兩部分組成。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由檢測(cè)終端（CC2538芯片RF模塊）、監(jiān)控基站、網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器構(gòu)成，采用樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器作為兩個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的連接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)ZigBee和Wi-Fi兩種協(xié)議之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸。PC監(jiān)控中心與網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器之間采用5GHz的Wi-Fi通信。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)主要包括基于CC2538的傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理、體征信號(hào)參數(shù)的計(jì)算和移動(dòng)檢測(cè)終端位置信號(hào)的提取。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋下，本系統(tǒng)采用基于RSSI的實(shí)時(shí)定位算法DMBS來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)老人實(shí)時(shí)位置的定位。RSSI定位技術(shù)指通過(guò)接收到的信號(hào)強(qiáng)弱測(cè)定信號(hào)點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位計(jì)算。而DMBS算法的主要思想如：將一個(gè)監(jiān)控基站作為一個(gè)位置已知的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，用于收集各個(gè)基站之間相互傳輸?shù)男畔?，主要包括各基站的坐?biāo)和發(fā)送、接收消息的RSSI值，在基站上利用最小二乘法建立相對(duì)應(yīng)的信號(hào)衰減模型；接著基站利用多跳傳輸路徑將信號(hào)衰減模型發(fā)送給各個(gè)未知節(jié)點(diǎn)（檢測(cè)終端），而各個(gè)未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)信號(hào)衰減模型和其自身到鄰近基站的信號(hào)衰減值，估算到鄰近基站之間的距離，在得到距三個(gè)或者三個(gè)以上基站的距離后，在未知節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行坐標(biāo)定位的計(jì)算。這樣便可解決在用RSSI進(jìn)行定位時(shí)，信號(hào)衰減模型隨環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化而導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)定位精度較低的問(wèn)題，而且運(yùn)用RSSI進(jìn)行定位不需要增加額外的硬件，相對(duì)于其他算法具備較高的定位精度。未知節(jié)點(diǎn)的位置信息被算出后便打包成數(shù)據(jù)包通過(guò)基站發(fā)送給監(jiān)控中心、其他基站和終端。PC監(jiān)控中心從3個(gè)或3個(gè)以上的基站處接收數(shù)據(jù)包信號(hào)，獲得老人（檢測(cè)終端）的實(shí)時(shí)位置并將其存儲(chǔ)更新。

4.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

PC監(jiān)控中心作為系統(tǒng)的上位機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)與控制，主要執(zhí)行生理參數(shù)分析和位置、環(huán)境數(shù)據(jù)的管理，同時(shí)具有在WEB界面上實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警和實(shí)時(shí)分發(fā)信息的功能。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)分配、定位顯示、參數(shù)分析與報(bào)警和告警5個(gè)模塊，上位機(jī)軟件基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)。

5結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)的覆蓋下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)老人生理參數(shù)、周圍環(huán)境以及所處位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為應(yīng)對(duì)無(wú)人看護(hù)時(shí)可能出現(xiàn)的突發(fā)情況提供了一個(gè)有效的解決辦法。本系統(tǒng)具有較高的靈活性和擴(kuò)展性，適用于養(yǎng)老機(jī)構(gòu)、社區(qū)甚至家庭養(yǎng)老。同時(shí)，該系統(tǒng)能夠?yàn)樽o(hù)理人員后續(xù)分析老年人的移動(dòng)特點(diǎn)、改進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)施或者病情診斷提供較為精確的數(shù)據(jù)支持，具有一定的社會(huì)意義。

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作者：劉藝葦 崔欣 錢晨 李馨怡 單位：江蘇師范大學(xué)江蘇圣理工學(xué)院