社區居家養老健康與環境傳感監測系統設計

萬珊

(西安航空職業技術學院 航空管理工程學院, 陜西 西安 710089)

0 引言

我國社會老齡化現象逐漸嚴重，由于獨生子女家庭比例不斷增加，對傳統的家庭養老模式帶來沖擊，受到傳統家庭倫理觀念的影響，現階段養老機構的普及率較低，且存在數量較少、費用較高等問題和不足，難以滿足未來市場巨大的養老需求，迫使社區居家養老模式得到快速地發展和完善，同家庭養老模式形成優勢互補，居住在家的老人仍然由子女完成主要的照料工作，同時由社區提供包括送飯上門、醫療和安全防護等必要的日常居家服務。

1 需求分析

實現安全舒適的居家養老是應對老齡化社會的重要手段， 快速發展完善的網絡計算機、信息、物聯網等技術為智能居家養老提供了強大的技術支撐，促使居家養老系統得到快速發展，通過無線通信、傳感器、嵌入式技術手段的綜合應用已使遠程訪問和控制功能得到有效實現(通過監控中心和手機終端即可完成)，據此可實現居家環境及老人生理參數的實時獲取與監測功能，在此基礎上為社區內老人提供一些實用有針對性的包括健康監測、環境安全監控和醫療等在內的服務，從而確保老人能夠安心舒適地居家養老。近幾年，以生物醫學傳感器技術為代表的傳感器的應用范圍不斷擴大，在居家養老中通過使用基于傳感器設計的穿戴式采集器實現了對老人各項生理參數與生活環境的實時采集和遠程在線監控功能，性價比較高的ZigBee 無線通信技術的網絡拓撲結構簡單靈活，在遠程自動控制領域中應用廣泛，具有可嵌入各種終端、可靠性高、復雜度低、容量大等優勢，將其應用到構建智能居家養老系統中可有效滿足系統運行需求。本文使用ZigBee 技術設計了一種智能社區居家養老系統，實現了基于家庭內部傳感網絡的遠程監測系統的構建，主要為社區內的老年人提供相應的養老服務，由于老年人行動不便，比較容易出現人身安全問題，本文系統以遠程監測、健康醫療、智能安防功能作為設計實現的重點，實時監控居家環境信息及老人生理參數，更加貼近老年人的生活實際情況，以便更好地為社區居家養老提供高質量服務[1]。

2 智能居家養老系統總體架構設計

本文所設計的居家養老系統的總體架構，如圖1所示。

圖1 系統總體架構

采用星形拓撲結構的ZigBee 無線傳感網絡可有效降低系統網絡的復雜程度，主要由協調器和終端設備節點構成，為了在降低功耗的同時提升系統的處理能力，設計采用了 ARM 智能網關。(1) 在ZigBee 技術背景下，完成基于多個終端設備節點的家庭傳感網絡構建，包括溫濕度、安防信息等在內的室內環境數據和包括血糖、血壓、脈搏等在內的老年人主要生理參數，由ZigBee 數據采集節點負責完成采集過程，家中的燈光及家電設備等由ZigBee 控制節點根據相關控制指令(由監控中心發布)完成控制過程。(2) 通過家庭傳感網絡完成終端設備節點的采集，實現節點與智能網關的通信。(3) 監控中心服務器主要負責實現實時監護、通信管理、異常報警功能。該系統的工作流程為：結合家庭需求對家庭傳感網絡進行構建，在ZigBee接收到節點信息后會與預先設置閾值間的差異進行比較和判斷(發現異常立即啟動警報裝置)，然后向網關傳送信息并由其借助網絡向系統監控中心傳送ZigBee 感知網絡信息，從而實現對居家環境及老人健康情況的遠程監控，家庭網關判斷接收到的控制信息(來自監控中心)并據此控制各控制節點執行相應操作[2]。

3 智能居家養老傳感系統的實現

3.1 硬件設計

(1) ZigBee 無線傳感器節點，設計時選用了具有RF 收發器的優良性能的CC2530F256 芯片，包含8kB RAM和256kB可編程閃存空間，通過控制節點和數據采集節點構成終端設備節點。傳感器節點結構，如圖2所示。

圖2 傳感器節點結構示意圖

不同功能的實現需要將外圍傳感器或者繼電器開關與協調器節點相連接，主要由協議棧和應用控制程序構成的ZigBee協調器節點將接收到的信息(來自數據采集節點)同預設閾值進行比較(針對異常及時啟動警報器)，協調器通過 SPI同智能網關相連并向其傳輸采集到的居家環境和老人生理參數信息[3]。

(2) 智能網關設計，主要負責將內部傳感網絡轉換為外部通信網協議，用于管理網絡數據通信及傳感器網絡，先啟動 ZigBee 協調器完成無線網絡的創建，基于所形成的星型無線網絡實現無線通信，ZigBee協調器節點將接收采集到的信息通過網關向遠程監控中心發送，監控中心將相應的控制指令經網關和ZigBee 控制節點傳輸給各終端設備節點。選用工作頻率高達72 MHz的STM32微處理器作為智能網關的主處理器，針對ZigBee 家庭內部感知網使用接口(以太網和 GPRS)連接公共網絡實現雙向數據傳輸功能，用戶在PC端或手機中安裝該系統即可遠程實時查看居家老人具體情況。智能網關結構[4]，如圖3所示。

圖3 智能網關結構圖

(3) ZigBee 網絡結構設計，負責創建和管理網絡的ZigBee 協調器節點將由終端節點獲取的數據向已建立起無線連接(通過 GPRS、以太網模塊)的網關傳送，實現同Internet間的連接，以確保監控中心準確高效地接收到數據信息，協調器與終端設備節點間借助CC2530 射頻模塊來實現無線通信過程。

3.2 軟件設計與實現

(1) 在MyE-clipse平臺通過 Java 語言的使用完成監控中心應用軟件設計開發，根據居家老人主要生理指標(包括血壓、心跳、體溫等)以及居家環境(包括溫濕度、安防、煙霧等)的實時監測信息實現更有針對性的實時監護功能，對監測信息進行動態顯示，為監護人處理危險情況提供依據；針對數據庫的管理可以通過相應的管理系統對數據信息進行統計，手機客戶端對監控中心進行訪問便可以實現雙向通信；在檢測到室內環境有異常或老人某項生理指標超過閾值時發出語音報警提示，提醒監護人員及時應對異常情況[5]。

(2) 無線傳感網絡軟件設計流程，如圖4所示。

圖4 無線傳感網絡軟件設計流程

基于ZigBee 無線傳輸協議的終端節點通過傳感模塊實現同協調器間的采集信息和指令的收發功能[6]。

(3) 基于STM32微處理器的智能網關軟件設計，將TCP/IP(采用Z-Stack-CC2530協議棧)和ZigBee協議棧嵌入到STM32中以確保網絡協議轉換過程的有效實現，協調器節點向STM32微控制器發送傳感器數據，再通過Z-Stack-CC2530協議棧向監控中心傳送ZigBee傳感網絡的信息，監控中心返回相應的控制指令[7]。通過嵌入式Linux平臺設計網關來提高集成度，同時降低了系統能耗，開機后自動執行負責創建各子系統命名管，通過submit命令將其向CGI文件傳送，主程序會快速找到對應程序(通過switch語句完成)[8]。

社區監測中心通過Internet連接嵌入式Web服務器，據此執行主要功能處理操作(無需安裝專用軟件)，降低智能終端資源消耗且提高了維護升級的便利性。

3.3 系統測試

以某一具體的家庭環境作為本文系統的實驗測試場所，為測試本文系統采集數據的準確性，采用重復和對比的測試方式，在室內安裝監控中心，并且構建無線傳感網絡，對室內老人的主要生理參數進行采集，以四位居家老人為例，對其體溫、血壓等進行監測，與傳統的測試結果進行比較。實驗數據結果，如表1、表2所示。

表1 生理參數測量值與傳統測量結果

表2 室內環境測量值與傳統測量結果

該系統的測量結果與傳統單一測量模式的結果基本吻合，說明該系統具有良好的監測功能和無線傳輸功能，傳感器節點和監控中心在室內出現生理參數異常及煤氣泄漏等異常環境時均能夠及時發出警報提示，具有一定的實際應用價值[9]。

4 總結

為實現對居家老人健康的全面監測，本文通過使用ZigBee 感知網絡設計了一種居家養老系統，通過安裝布置的終端設備節點完成對相關信息及設備(包括室內環境、老人各項生理參數、家電設備等)的采集和控制功能，傳感器節點的數量及功能可根據實際需要進行拓展，系統監控中心負責處理實時接收到的采集信息，一旦發現異常能夠及時發出報警提示，通過無線傳感網絡實現對居家老人健康與安全的遠程高效監測過程。測試結果表明本文系統的監測和報警功能均得到有效實現，具有較高的可擴展性、安全性和穩定性，功耗較少且響應及時。