基于Zigbee的無線養(yǎng)老護理監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

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)老護理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研發(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)老護理監(jiān)控系統(tǒng)，對于整個社會打造高質(zhì)量養(yǎng)老模式具有十分重大的現(xiàn)實意義。

科學(xué)、完善的養(yǎng)老無線護理監(jiān)控系統(tǒng)不僅僅能夠為老年人提供多層次、多元化、可靠性的定位管理服務(wù)，也能夠提供個性化的服務(wù)需求。護理人員和老年人是養(yǎng)老機構(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)老護理監(jiān)控系統(tǒng)，采用信息技術(shù)手段來實現(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)展進程有著極大的推動作用[1]。

1.2 經(jīng)濟效益

無線養(yǎng)老護理監(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度極強的新型定位系統(tǒng)，它能夠解決室內(nèi)、校區(qū)GPS無法實現(xiàn)全覆蓋的根本性問題，有效彌補GPS以及手機網(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)濟價值[2]。

此外，基于Zigbee技術(shù)的無線養(yǎng)老護理監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠幫助養(yǎng)老機構(gòu)實現(xiàn)老年人智能化定位服務(wù)和健康狀態(tài)監(jiān)測護理的精細化管理職能，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 研究價值

基于Zigbee技術(shù)的無線養(yǎng)老護理監(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)進行了高效的融合，能夠幫助養(yǎng)老機構(gòu)同時實現(xiàn)健康監(jiān)測和智能化定位服務(wù)職能。基于Zigbee技術(shù)的無線養(yǎng)老護理監(jiān)控系統(tǒng)這種創(chuàng)新型的系統(tǒng)設(shè)計思路能夠給養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)的其他應(yīng)用開發(fā)設(shè)計提供參考思路，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，推進養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有十分現(xiàn)實的指導(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)主要適用于遠程控制領(lǐng)域和自動控制領(lǐng)域。同時，Zigbee技術(shù)可以嵌入到各種設(shè)備的芯片當(dāng)中，實現(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)實現(xiàn)老年人護理監(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)老機構(gòu)的監(jiān)護人員可以利用手機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)連接的形式實現(xiàn)對Zigbee智能設(shè)備的終端遠程控制，提升養(yǎng)老護理的質(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，在物聯(lián)網(wǎng)時代背景下，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、容錯性強、支持自組網(wǎng)和高安全性的特點，使其相比于GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)更加適用于養(yǎng)老機構(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)點的距離坐標(biāo)需要進行直接測量；而非測距定位技術(shù)需要依靠網(wǎng)絡(luò)連通來實現(xiàn)節(jié)點坐標(biāo)和距離的估算。兩種定位技術(shù)還具備不同的特點，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)老護理監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

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

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)控中心等三個部分組成。研究設(shè)計的無線養(yǎng)老監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計采用星型拓撲結(jié)構(gòu)作為Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(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)計節(jié)點主要有兩種形式：一種為Zigbee數(shù)據(jù)采集節(jié)點；另一種為Zigbee數(shù)據(jù)控制節(jié)點。由于ARM微處理器具有低功耗且較為強大的處理功能，因此，無線養(yǎng)老護理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計所采用高的智能網(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Zigbee協(xié)調(diào)器和多個Zigbee終端設(shè)備節(jié)點構(gòu)成了基于Zigbee技術(shù)的無線養(yǎng)老護理監(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，采集護理室內(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)點主要遵從監(jiān)控中心的控制臺，控制臺通過指令來實現(xiàn)對老人房間家電設(shè)備、燈光、護理設(shè)備的無線控制。

(2)老年護理中心內(nèi)部傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和維護是通過協(xié)調(diào)器節(jié)點進行的，協(xié)調(diào)器節(jié)點可以收集Zigbee終端設(shè)備節(jié)點上所出現(xiàn)的各種信息，借此實現(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)器所需實現(xiàn)的具體功能都是通過計算機終端或者移動終端的管理軟件實現(xiàn)，具體包含：實施監(jiān)護功能、通信管理功能、數(shù)據(jù)庫管理功能以及異常報警功能等。

系統(tǒng)設(shè)計完成后，其主要的工作流程為：首先，老年護理中心采用星型拓撲結(jié)構(gòu)的傳感網(wǎng)絡(luò)、Zigbee終端設(shè)備節(jié)點將采集到的老年人護理相關(guān)信息傳輸至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器以系統(tǒng)設(shè)計的閾值為基準(zhǔn)與采集值進行比較，系統(tǒng)判定是否需要啟動報警裝置。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)護人員再通過遠程控制對老年人進行相應(yīng)的護理工作。最后，通過控制臺發(fā)出控制信息，老年護理中心網(wǎng)關(guān)對控制信息作出及時的響應(yīng)和判斷，相應(yīng)的Zigbee控制節(jié)點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)老護理監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該設(shè)計的原理是Zigbee無線養(yǎng)老護理監(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(數(shù)據(jù)采集節(jié)點和數(shù)據(jù)控制節(jié)點)。

3.2.1 Zigbee無線傳感器節(jié)點

圖2 Zigbee傳感器節(jié)點結(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，CC2530具備的最大優(yōu)點就是在低成本和低功耗的同時，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 和其他強大的功能。Zigbee的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點包含數(shù)據(jù)采集節(jié)點和數(shù)據(jù)控制節(jié)點，數(shù)據(jù)采集節(jié)點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、危險報警信息等；Zigbee的控制節(jié)點對智能網(wǎng)關(guān)經(jīng)協(xié)調(diào)器發(fā)出的命令是通過2.4 Ghz天線來進行接收的，這些控制命令主要是實現(xiàn)老年人居住空間的燈光、家電、警報等模塊控制。具體的Zigbee傳感器節(jié)點結(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)點發(fā)送來的采集信息后，與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)計的閾值進行比較，判定是否啟動報警裝置，并將數(shù)據(jù)傳輸至智能網(wǎng)關(guān)，進而實現(xiàn)了老年護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)點軟件設(shè)計的主要組成。

3.2.2 智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計

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)來實現(xiàn)的。在本系統(tǒng)設(shè)計中，智能網(wǎng)關(guān)主要是實現(xiàn)老年護理中心內(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)計的無線養(yǎng)老護理監(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)接口實現(xiàn)連接，進而幫助系統(tǒng)實現(xiàn)Zigbee護理中心內(nèi)部感知網(wǎng)的雙向數(shù)據(jù)傳輸，護理人員通過控制中心的計算機終端或者移動終端就可以對護理中心老年人進行健康查詢和控制。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

在本文的設(shè)計中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的Zigbee終端節(jié)點通過協(xié)調(diào)器節(jié)點將采集到的數(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)模塊實現(xiàn)構(gòu)建，并最終與Internet實現(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)器實現(xiàn)的，通過CC2530 的射頻模塊實現(xiàn)與終端設(shè)備節(jié)點的無線通信，并通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)的通信。

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

3.3.1 控制中心軟件設(shè)計

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

控制中心的應(yīng)用軟件設(shè)計采用在MyE-clipse平臺開發(fā)的Java語言，護理中心老年人的數(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)實施監(jiān)護：對護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)進行實時地監(jiān)測，并進行及時地動態(tài)反應(yīng)，以便監(jiān)護人員能夠及時地發(fā)現(xiàn)危險并采取有效處理措施。

(2)數(shù)據(jù)庫管理：將護理中心老年人的一切生理信息和居住環(huán)境信息進行采集、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)器和串口通信實現(xiàn)與Zigbee網(wǎng)關(guān)節(jié)點的雙向數(shù)據(jù)傳輸通信，并實現(xiàn)計算機終端和移動終端的訪問、控制功能。

(4)異常報警：當(dāng)護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，自動驅(qū)動揚聲器發(fā)出警報，提醒控制中心護理人員異常出現(xiàn)。

3.3.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

本文無線養(yǎng)老護理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計采用Zigbee無線傳輸協(xié)議作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點，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)點還設(shè)有傳感模塊、終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器之間可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，具體軟件設(shè)計流程如圖4所示。

3.3.3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

護理中心的內(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)而實現(xiàn)的。因此，網(wǎng)關(guān)的處理能力就成了設(shè)計的重中之重。本文設(shè)計的無線養(yǎng)老護理監(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，進而實現(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)點以STM32 微處理器為核心將終端節(jié)點發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)進行接收，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)老機構(gòu)的養(yǎng)老模式改革提供了全新的發(fā)展契機，信息化發(fā)展成了養(yǎng)老機構(gòu)發(fā)展的主旋律。基于Zigbee技術(shù)的無線養(yǎng)老護理監(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，基于Zigbee技術(shù)對無線養(yǎng)老護理監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計和開發(fā)具有十分重要的現(xiàn)實意義、應(yīng)用意義、經(jīng)濟意義和學(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。