基于ZigBee技術的老年人遠程保健監護系統設計

劉丹 何南 劉茂 王羽徵 于秋玉 畢海 程遠

摘 要：我國醫療資源緊缺，老年人面臨著看病難、治病難、監控難的局面。文中設計基于ZigBee技術的老年人遠程保健監護系統。該系統基于ZigBee無線通信技術，將終端采集到的體溫與心率數據經過主控芯片處理后發送至協調器，在PC端通過串口助手實現數據的實時監測。若身體生理參數正常，則將采集到的數據存檔管理;若老年人突發疾病，則醫生可發現異常數據，進行有效治療，從而達到健康監測的目的。

關鍵詞：人體健康監測;無線傳輸;ZigBee;CC2530;協調器;串口助手

中圖分類號：TP277文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）11-00-03

0 引 言

我國人口老齡化具有速度快、規模大、健康水平堪憂等基本特征[1]。同時，醫療體系應對的主要是治愈急性和突發疾病，而慢性病和需要中長期治療的疾病卻很難得到良好的醫療條件和足夠醫生的救治，因此老年人的醫療資源更加匱乏。面對老齡化給社會帶來的諸多壓力，高新技術，尤其遠程健康監護服務是改善救治手段和提高救治效率的有效途徑，基于ZigBee技術的老年人遠程保健監護系統應運而生。

國外對于健康監測方面的研究早于國內，美國軍方用于監測士兵的呼吸、心電、體溫等參數。對于處于運動中的個體，身體參數的變化能夠及時傳輸到總控中心進行實時監測[2]。隨著智能設備和物聯網技術的發展，實時監測開始涉及云計算、云服務等新興技術，醫療監測不只為了疾病的治療，更為了疾病的預防。后期歐洲提出“Healthy Aims”項目，利用植入式醫療傳感器監測生理數據，經過處理的數據通過ZigBee無線傳感器網絡傳輸至看護中心以便向病人展開救治工作[3]。

國內的遠程醫療發展初期利用衛星進行監測，采用電話線傳輸醫學影像。1997年成立的遠程醫療中心傳輸方式是郵件電話等，第三軍醫大學的研究項目“863”家庭數字化醫療監護系統使遠程監控步入家庭[4]。

近幾年，ZigBee被應用于遠程醫療監測。2012年金林、劉小欽等人設計了基于ZigBee技術的老年人監護系統，可防跌倒，采集心率、血壓、體溫等數據，可在PC端建立檔案并進行管理[5]。

1 硬件設計

ZigBee技術是一種短距離，低功耗，低復雜度，低成本，低數據率的雙向無線通信技術。健康監測的生理信號數據量不大，ZigBee能夠滿足其數據傳輸要求。ZigBee節點組網拓撲結構靈活，可隨意加入或離開，并且有低功耗和低成本的特點。

基于ZigBee的老年人監護系統分為采集模塊、協調器模塊和顯示模塊。采集模塊分為體溫采集和心率采集：CC2530作為主控芯片，溫度傳感器選用DS18B20，心率采集采用光電式心率傳感器Pluse Sensor。協調器模塊采用CC2530，通過UART轉USB數據線和PC端進行串口通信。顯示模塊是PC端，PC內部設置有串口助手，醫生可隨時查看采集的參數。ZigBee無線監護系統原理框圖如圖1所示。

1.1 體溫采集電路

本文系統選取CC2530芯片作為生理數據采集終端的控制芯片，DS18B20芯片使用一根杜邦線接在前端，數據傳輸到控制芯片中進行處理。P0-7引腳旁有板載電源和地，溫度傳感器直接插下去（面對扁平端，左負右正），3.3 V接VCC，P0-7接DQ，GND接GND。具體連接電路如圖2所示。

1.2 心率采集電路

心率采集的控制芯片也是CC2530，脈搏信號輸出的S口接芯片的P0-6口，CC2530的I/O口全部引出，其周邊電路接法如圖3所示。

1.3 系統采集模塊

本文系統的采集模塊有體溫采集、獲取心率和無線發送至終端節點（RFD）三個功能。采集模塊電路如圖4所示。

1.4 協調器模塊

協調器作為本文系統的數據接收端，包含無線收發和連接電腦的USB模塊。協調器控制芯片為CC2530，對比采集模塊中的芯片，硬件電路中缺少了傳感器接口，其他功能則完全相同，不再贅述。

2 軟件設計

2.1 協調器模塊

本文系統采用ZigBee星型拓撲結構，協調器位于結構中心。通過ZigBee網絡將其命令信息發送至終端節點，將終端節點讀取的數據存儲或通過串口通信轉發至微處理器。協調器工作流程如圖5所示。

2.2 終端節點

終端設備是執行整個系統數據收集和控制的對象。其主要功能是接收協調節點的命令信息，收集采集端的采集信息，并通過ZigBee網絡將信息傳輸到RFID。終端節點流程如圖6所示。

3 系統測試

將相應的程序通過仿真器下載到協調器和終端節點中，打開PC機上的串口助手，系統開始工作，模塊工作狀態如圖7所示。

打開串口調試助手，可測試室內溫度。室內溫度測試結果如圖8所示。頁面左半部分為終端節點采集到的溫度，右半部分為終端節點實時傳輸至協調器的溫度數據。若用手握住傳感器，則持續升溫，串口助手顯示溫度不斷上升，直至達到體溫數據，體溫測試結果如圖9所示，心率測試結果如圖10所示，此時心率數據為80次/min。

4 結 語

本文根據我國醫療現狀設計了一種基于ZigBee技術的老年人遠程保健監護系統。該系統由生理數據采集模塊、協調器模塊和顯示模塊三個部分組成。系統將獲取到的體溫和心率等生理信息傳送至控制芯片CC2530進行處理，同時基于ZigBee技術傳輸至協調器，協調器通過串口轉USB數據線連接至PC端，監護者可在PC端觀察老年人的生理信息，為老年人提供健康監控，做到患病時及時治療，健康時防患于未然。

參 考 文 獻

[1]我國人口老齡化對制度建設的挑戰及對策：從政府的角度[EB/OL].[2017-08-15]. http： //www.sohu.com/a/164923259_99921889.

[2]李凱.基于無線傳感網的弱勢群體身體信息監測系統的設計[D].廈門：華僑大學，2015.

[3]謝旭光.一種基于ZigBee技術的老年人家庭醫療監護系統[J].內蒙古科技與經濟，2016（23）：74-75.

[4]曹麗娜.模塊化遠程醫療系統平臺接口設計與實現[D].西安：西安電子科技大學，2009.

[5]劉小欽.基于ZigBee的老年健康監護系統的研究[D].淮南：安徽理工大學，2012.

[6]馬國強，田云臣，馬吉飛，等.基于ZigBee網絡的動物養殖環境溫濕度遠程監測系統[J].物聯網技術，2016，6（6）：30-33.

[7]張楓沛，肖世德，陶濤，等.穿戴式老年人心率遠程監測系統[J].傳感器與微系統，2018，37（10）：75-78.

[8]馬程，魏怡卓，曹瑜.老人意外跌倒遠程智能監控系統的設計與實現[J].軟件，2018（3）：209-217.

[9]張佳偉.面向中老年人的穿戴式遠程健康監護系統的研究與設計[D].保定：河北大學，2018.

[10]丁臘春.基于遠程語音體征監測機器人的居家健康管理系統研究與設計[J].中國數字醫學，2018（10）：44-45.