一種通用健康監(jiān)護及醫(yī)療服務(wù)機器人系統(tǒng)設(shè)計

【作 者】張賽， 董海強，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)信息與計算機學(xué)院，安徽，合肥，230036

對于獨居老人、殘疾人等特殊人群，其低成本健康監(jiān)護與醫(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)護的設(shè)備被提出，以下列舉幾種監(jiān)護設(shè)備：

Choi, J. M. 等人[1]設(shè)計了一種通過藍牙技術(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)護系統(tǒng)監(jiān)護不在醫(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ECG等信號的采集，但沒有考慮功耗因素，系統(tǒng)不能長期有效運行。

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)能實現(xiàn)對生理參數(shù)的采集，但無法從接收信號中獲得有關(guān)受監(jiān)護者位置的信息，因此當生理參數(shù)出現(xiàn)異常時無法通過自動設(shè)備提供救助。雖然藍牙技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸方面優(yōu)于ZigBee，但是ZigBee技術(shù)較藍牙技術(shù)功耗更低[4]，因此在長時間的實時監(jiān)護設(shè)備中更有優(yōu)勢。

特殊人群身體狀況存在易變、不穩(wěn)定的特點，容易出現(xiàn)心臟病、哮喘等嚴重疾病突發(fā)的危急情況。如果不得到及時有效的醫(yī)療救助，他們的生命安全有可能受到威脅。另一方面，由于行動障礙或視力障礙，危急情況下自主報警及取藥救助異常困難，監(jiān)護系統(tǒng)有必要在上述情況發(fā)生時及時提供可靠的報警和藥物救助。為了完成這個任務(wù)，需要解決的關(guān)鍵問題是醫(yī)療報警信息的發(fā)送和對監(jiān)護目標的實時定位。目標實時定位有多種可行的方法，如航位推算(dead reckoning)， RFID，主動信標(active beacon)，路標法(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)接收信號強度（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的參考節(jié)點(Reference Node)和未知坐標的盲節(jié)點(Blind Node)組成。盲節(jié)點通過收集來自參考節(jié)點的接收信號強度，即可通過運算得到自己的坐標。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)，同時其攜帶的硬件定位引擎能夠收集網(wǎng)絡(luò)中的接受信號強度并計算坐標。CC2431良好的射頻傳輸和定位功能特性使得生理參數(shù)傳輸和實時定位能夠有效集成在一個便攜節(jié)點上[6]。

目前，多數(shù)的生理參數(shù)監(jiān)護設(shè)備基于藍牙等高功耗的技術(shù)，而基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)尚不多見，同時多數(shù)的健康監(jiān)護機器人系統(tǒng)僅著眼于參數(shù)的采集和報警，沒有考慮到利用機器人系統(tǒng)提供輔助送藥功能。因此，基于ZigBee技術(shù)的健康監(jiān)護和輔助送藥機器人系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用前景和科研價值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡介

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 標準協(xié)議，工作在2.4 GHz自由頻段。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由多個分布式無線節(jié)點相互協(xié)調(diào)共同工作，各節(jié)點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使其特別適用于家居自動化，監(jiān)護系統(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，分別負責(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)中存在的第一個節(jié)點，負責(zé)建立和初始化網(wǎng)絡(luò)。具體說來，協(xié)調(diào)器負責(zé)選定頻段、信道、網(wǎng)絡(luò)標示，并且初始化網(wǎng)絡(luò)配置。協(xié)調(diào)器也負責(zé)配置網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的安全參數(shù)和安全等級等。值得注意的是，由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的分布性特點，協(xié)調(diào)器不一定始終存在于網(wǎng)絡(luò)中，在網(wǎng)絡(luò)啟動后，協(xié)調(diào)器可以退出網(wǎng)絡(luò)，由路由器（Router）負責(zé)維護網(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)點加入網(wǎng)絡(luò)，進行多跳路由，以及協(xié)助子節(jié)點進行通信。當有信源消息到達時，路由器負責(zé)暫存消息，等待子節(jié)點醒來時再將消息傳送到子節(jié)點；同時當子節(jié)點有消息發(fā)送時，路由器接受該消息并等待網(wǎng)絡(luò)空閑時發(fā)送，以使子節(jié)點能夠立即進入休眠狀態(tài)。路由器的存在能夠有效的降低子節(jié)點的功耗。

1.1.3 終端設(shè)備（End Device）

終端設(shè)備沒有管理和維護網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)，只負責(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。

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)計采用了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以方便定位廣播通信，機器人搭載的無線節(jié)點作為協(xié)調(diào)器，用于定位的無線節(jié)點配置為路由器，受監(jiān)護者攜帶的節(jié)點由電池供電，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

整個機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)由位于機器人系統(tǒng)RoboDoc上的節(jié)點（D節(jié)點），位于受監(jiān)護者腕部的節(jié)點（P節(jié)點），和若干個已知坐標的參考節(jié)點構(gòu)成。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，D節(jié)點作為協(xié)調(diào)器負責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、擴展和維護。參考節(jié)點負責(zé)與D節(jié)點和P節(jié)點通信，向兩者提供用于定位的接收信號，因此配置為路由器。P節(jié)點負責(zé)收集和傳輸生理參數(shù)信號，因而配置為終端設(shè)備。

正常情況下，P節(jié)點定時采集生理參數(shù)信號并傳輸給D節(jié)點，D節(jié)點分析并存儲采集結(jié)果以供分析使用。一旦檢測到健康狀況出現(xiàn)異常，D節(jié)點立即通過GSM短消息向家人或醫(yī)生發(fā)送求助短消息。而后，D節(jié)點首先要求P節(jié)點收集其周圍的接收信號強度并定位，在接收到來自P節(jié)點的坐標信息后，D節(jié)點用相同的方法自行定位。D節(jié)點除了需要得到絕對坐標外，還要通過電子羅盤得到自己的偏向角(在圖中由θ標出)，根據(jù)兩組坐標和偏向角，RoboDoc會選擇最快的路徑為受監(jiān)護者提供藥物遞送服務(wù)，整個工作過程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)概述Fig.2 Schematic system

2 算法和軟件設(shè)計

2.1 定位算法

本設(shè)計利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的接收信號強度實現(xiàn)室內(nèi)實時定位，其基本原理如下：在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，接收信號強度RSS隨節(jié)點之間距離的增大而減小，RSS和距離d滿足關(guān)系：

式(1)中n表示信號傳播常數(shù)，和具體的環(huán)境如墻體的厚度，反射強度等相關(guān)，應(yīng)該實地測量，經(jīng)驗表明，n=3.2-5.5時可以得到比較好的結(jié)果。

A表示信源和信宿距離1 m時測定得到的接收信號強度，一般取45-49較為準確[7]。

為了實現(xiàn)定位，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中要存在兩種類型的節(jié)點，一種為已知自己坐標固定不動的節(jié)點，即參考節(jié)點，一種為未知位置且位置不斷變化的節(jié)點，即盲節(jié)點。定位算法的基本思想是盲節(jié)點收集來自多個參考節(jié)點的RSS值，通過式(1)即可得到離的估計值，如圖3所示。本設(shè)計采用的CC2431帶有硬件定位引擎，式(1)中的非線性運算全部通過硬件實現(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)點發(fā)送一系列的廣播幀給參考節(jié)點，所有接收到廣播幀的參考節(jié)點依次記錄廣播幀的RSS值；

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

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

為提高實時性，滑動平均窗口取2；

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

每個坐標用2字節(jié)表示，最低兩比特表示小數(shù)點后，故X、Y維坐標的表示范圍為0.00 - 16383.75 m；

4）選擇8個信號強度最大的節(jié)點，作為計算用節(jié)點，如果收到廣播幀的參考節(jié)點數(shù)目小于8，則所有RSS值均參與運算；

5） 將節(jié)點坐標輸入定位引擎，得到估計的盲節(jié)點坐標。

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)主要由參考節(jié)點、P節(jié)點和D節(jié)點組成，軟件的開發(fā)也要分成三個部分進行。軟件設(shè)計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)中的各個節(jié)點按照正確的時序啟動和工作。同時因為機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

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

參考節(jié)點和P節(jié)點的軟件設(shè)計都是建立在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制，使得多個無線通信應(yīng)用程序能夠在一個節(jié)點中共存，其基本結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。整個協(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)用層建立一個應(yīng)用對象，即定位對象。參考節(jié)點開機后搜索信道，嘗試加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，等待來自D節(jié)點和P節(jié)點的定位請求。定位請求到達時，參考節(jié)點將包含RSS值的消息返回給發(fā)送方，而后進入新的等待循環(huán)。

2.2.2 P節(jié)點

如上所述，P節(jié)點的軟件設(shè)計也是基于Z-STACK的應(yīng)用層。不同之處在于P節(jié)點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，我們設(shè)計了兩個應(yīng)用對象分別處理兩個部分，以使軟件結(jié)構(gòu)清晰，易于維護，如圖4(b)所示。發(fā)送到不同應(yīng)用對象的消息由應(yīng)用程序框架進行路由選擇：

監(jiān)護對象 監(jiān)護應(yīng)用對象負責(zé)收集和發(fā)送生理參數(shù)。在P節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，它等待來自RoboDoc的開始測量命令。一旦收到命令，P節(jié)點開始周期性的控制各個傳感器測量心率、體溫和皮膚電阻，并發(fā)送到D節(jié)點。如果進入異常狀態(tài)，P節(jié)點會收到來自RoboDoc的暫停測量命令，進而切換到另一個對象進行定位，完成定位后恢復(fù)測量。

定位對象 定位對象只在異常模式下啟用。一旦D節(jié)點的診斷程序確認參數(shù)異常，會發(fā)送一幀暫停測量的消息給P節(jié)點。P節(jié)點接收消息后暫停測量，開始向參考節(jié)點發(fā)送一系列的廣播幀，以使得參考節(jié)點測定RSS值，隨后P節(jié)點會收到來自參考節(jié)點的RSS值，在收到多于三組RSS值的情況下，P節(jié)點啟動定位引擎計算得到坐標，并發(fā)送給D節(jié)點。

2.3.3 D節(jié)點

D節(jié)點上的軟件設(shè)計基于小型嵌入式實時操作系統(tǒng)uCOS-II。我們采用了模塊化的程序設(shè)計思想，使得程序易于升級和修改。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。為了實時的處理用戶的命令，在系統(tǒng)中用戶接口任務(wù)處于最高優(yōu)先級。

監(jiān)護模塊 監(jiān)護模塊對應(yīng)于P節(jié)點應(yīng)用程序的監(jiān)護對象，負責(zé)處理兩者之間的通信。當收到來自P節(jié)點的消息時，該模塊還負責(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 定位模塊對應(yīng)于P節(jié)點和參考節(jié)點應(yīng)用程序中的定位對象，負責(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)點定位，得到P節(jié)點的坐標后啟動自身定位程序進行定位。

診斷模塊 該模塊判斷受監(jiān)護者的健康狀況是否正常。新的消息到達后，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進行藥物遞送。該模塊首先計算兩組坐標的差得到東西方向和南北方向移動的絕對距離，而后根據(jù)偏向角修正機器人的朝向以進行移動，并在移動過程中實時修正坐標。遇到障礙物時，轉(zhuǎn)向并進行重新規(guī)劃。在機器人將藥物遞送到距受監(jiān)護者一定范圍內(nèi)時，藥箱會被送出。

3 硬件設(shè)計

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

3.1 參考節(jié)點

參考節(jié)點是系統(tǒng)中最簡單的模塊，因為它只負責(zé)將包含RSS的消息幀傳送到請求定位的節(jié)點。參考節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖5(a) 所示。因為只需一個接收信號強度探測器就可以測定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)機但沒有定位引擎的CC2430來構(gòu)建參考節(jié)點。同時，考慮到對于參考節(jié)點來說射頻特性應(yīng)盡量達到最佳，我們采用了具有全輻射圖的鞭狀天線[8]。這樣以來，當盲節(jié)點在以參考節(jié)點為中心的同心圓上時，參考節(jié)點收集的RSS值是基本相同的。

3.2 P節(jié)點

P節(jié)點負責(zé)收集、計算和傳輸生理參數(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)點包括電源管理模塊，CC2431芯片，測定生理參數(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。CC2431自帶的增強型8051內(nèi)核可以通過單總線方式和心率體溫傳感器交互，同時可以通過內(nèi)置的14位A/D轉(zhuǎn)換器測定皮膚電阻。

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

3.3 D節(jié)點

D節(jié)點即為機器人RoboDoc，它負責(zé)處理生理參數(shù)信號并進行危急情況處理。同時RoboDoc的設(shè)計也充分考慮了運行穩(wěn)定性和方便的人機交互功能。圖6顯示了D節(jié)點的結(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)，進行實時的診斷，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接口和微處理器進行通信。

藥物遞送 RoboDoc攜帶一個便攜的藥箱，存放受監(jiān)護者的常用藥物。當機器人抵達受監(jiān)護者的范圍內(nèi)時，便攜藥箱會被推出以方便老年人取藥。

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

4 實驗和結(jié)果

為了驗證設(shè)計的功能，我們在室內(nèi)環(huán)境下進行了多次實驗。

用于實驗的機器人平臺如圖7所示。為了驗證健康監(jiān)護的功能，我們要求P節(jié)點周期性的收集生理參數(shù)并傳遞給RoboDoc，后者實時地顯示測定的參數(shù)。實驗表明當測量周期為4 - 6秒時，傳輸?shù)臅r序能夠順利完成，并且系統(tǒng)能夠?qū)崟r測量到生理參數(shù)的變化。實驗結(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)。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)護健康狀況的小范圍變化。

在另一組實驗中，異常參數(shù)被人工送往RoboDoc來測試其異常處理能力。結(jié)果表明，D節(jié)點接到異常數(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)護者和機器人并開始移動。在軟件配置中生理參數(shù)測量周期被定為4 ～ 6 s，故系統(tǒng)能夠檢測到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。

圖8顯示了室內(nèi)的測試環(huán)境，為了測試RoboDoc的輔助送藥能力，我們在一個7 m*7 m的空間令P節(jié)點人工送出異常信號給機器人，并讓機器人追蹤信號源顯示在LCD屏幕上。在送出GSM短消息后，機器人開始追蹤P節(jié)點，P節(jié)點的移動情況如圖8中直線所示。每次要求P節(jié)點定位后得到的坐標如圖8中圓點表示，實驗結(jié)果說明，實時定位的準確性能夠引導(dǎo)機器人正確的進行藥物遞送。以上實驗結(jié)果表明，該設(shè)計能夠?qū)崟r提供健康監(jiān)護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)定運行。

圖7 實驗平臺 RoboDocFig.7 Experiment platform of RoboDoc

圖8 追蹤實驗結(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)的通用機器人系統(tǒng)。實時監(jiān)護健康狀況對確保老年人安全十分重要，但僅僅完成監(jiān)護，不能在健康狀況發(fā)生異常時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的救助，因而有重要的研究價值。我們將兩個功能結(jié)合在低功耗的ZigBee局域網(wǎng)中，能夠及時捕捉健康狀況的變化，并且能夠準確完成輔助送藥功能。我們建立實驗原型，進行了多組實驗，驗證了設(shè)計的有效性和實用性。

未來的工作主要著眼于完善設(shè)計，使得機器人對危急情況的處理更加迅速和魯棒。我們計劃測量更多的生理參數(shù)，并且設(shè)計一個藥物選擇裝置，使得機器人能夠根據(jù)不同的健康狀況提供不同的藥物。同時我們還將實驗不同的場地環(huán)境對定位精度的影響，以提高定位的準確性。

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