基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的療養(yǎng)院應(yīng)急系統(tǒng)的設(shè)計(jì)﹡

余園林， 費(fèi) 凡， 胡志健， 路 昊， 項(xiàng) 威

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，退休老人為減輕兒女負(fù)擔(dān)選擇進(jìn)療養(yǎng)院修養(yǎng)的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，老年人醫(yī)療保障備受關(guān)注,到2020年，中國(guó)將基本建立覆蓋城鄉(xiāng)居民基本醫(yī)療衛(wèi)生制度。而據(jù)調(diào)查，全球高血壓患者占三分之一,每一秒鐘，全球有36個(gè)人死于心臟疾病,老年人發(fā)病率居高不下[1]。如何實(shí)時(shí)、迅速、可靠地跟蹤老年人的身體狀況及其變化成為迫切的需求。在此方面無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),無(wú)線通信技術(shù)可充分表現(xiàn)其優(yōu)越性[2-3]。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種大規(guī)模自組織網(wǎng)絡(luò),綜合了傳感技術(shù)、嵌入式技術(shù)、信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，被認(rèn)為是 21實(shí)際有巨大影響力的技術(shù)之一。ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗、低成本及低復(fù)雜度的無(wú)線傳感技術(shù)。其廣泛應(yīng)用于家庭、建筑、消費(fèi)電子、工業(yè)制造和應(yīng)急安全等多種領(lǐng)域[2-5]。目前國(guó)外將無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療儀器的監(jiān)護(hù)已經(jīng)比較普遍[6]，國(guó)內(nèi)近幾年也收到高校及許多商業(yè)公司的關(guān)注，但在我國(guó)醫(yī)療上普遍使用的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)還是有線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[7]。有線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)雖然也能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)但成本高，布線復(fù)雜，難于維護(hù)，而且沒(méi)法保證被監(jiān)護(hù)者的自由度。此外在我國(guó)，作為醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)重要組成部分的療養(yǎng)院，醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量低下，只有極少數(shù)應(yīng)用了有線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，發(fā)展面臨困境。亟待一種低廉、快捷、高效的醫(yī)療服務(wù)體系帶其走出當(dāng)前窘?jīng)r[8]。

本設(shè)計(jì)創(chuàng)造性的建立在老年療養(yǎng)院這一場(chǎng)景，用ZigBee技術(shù)將醫(yī)療檢測(cè)與無(wú)線通信相結(jié)合，為療養(yǎng)院提供一種集體溫、脈搏、血壓跟蹤及語(yǔ)音呼救功能于一身的完備的實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)急系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅解決了有線監(jiān)護(hù)布線復(fù)雜維護(hù)困難的問(wèn)題，而且完全結(jié)合老年人心臟病、高血壓等疾病突發(fā)頻率高的特點(diǎn)，在保證老人自由度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)還能與 Internet網(wǎng)絡(luò)或其它網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，將發(fā)生特殊情況的老人的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)給相關(guān)醫(yī)院急診中心。故可擴(kuò)展性是其另一特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本應(yīng)急系統(tǒng)由療養(yǎng)院監(jiān)控臺(tái)和 ZigBee節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。其中老人身上微型設(shè)備就是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備。終端設(shè)備集傳感和語(yǔ)音收發(fā)于一體，一方面采集所需要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，通過(guò)ZigBee無(wú)線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控臺(tái)，一方面還兼顧語(yǔ)音采集和接受的功能。當(dāng)老人身體狀況發(fā)生異常，即某項(xiàng)指標(biāo)超正常范圍時(shí)，監(jiān)控臺(tái)通過(guò)軟件控制會(huì)立即反應(yīng)，工作人員將迅速得知是哪位老人產(chǎn)生狀況，并采取語(yǔ)音呼救等其它措施。同時(shí)，控制臺(tái)還可通過(guò)TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至醫(yī)院或其他控制中心，以保證緊急情況下老人得到及時(shí)有效的救治。本應(yīng)急系統(tǒng)總括于圖1、圖2。

圖1 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的療養(yǎng)院應(yīng)急系統(tǒng)功能示意

圖2 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的療養(yǎng)院應(yīng)急系統(tǒng)模塊

2 系統(tǒng)主要功能模塊

2.1 身體參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊

身體參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)老人生理狀況數(shù)據(jù)的采集、處理、打包和發(fā)送，設(shè)計(jì)中將TI公司研發(fā)的CC2530無(wú)線收發(fā)芯片及傳感器作為實(shí)驗(yàn)工具。CC2530芯片完全支持ZigBee協(xié)議，主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建和通信[9]。傳感器部分包括檢測(cè)老人身體狀況的體溫、脈搏、血壓傳感器。其中體溫采集采用的是 DS18B20溫度傳感器，脈搏采用的是HK-2000A醫(yī)療集成脈搏傳感器，血壓采用的則是KNM無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量模塊。

老人隨身攜帶的終端設(shè)備的設(shè)備 ID號(hào)是不一樣的，故每個(gè)老人都有自己唯一的 deviceID，并以此來(lái)區(qū)分老人身份。在終端設(shè)備的軟件程序中我們用 void SampleApp_SendNwkMEMessage(void)子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)體溫、脈搏、血壓的采集。子程序中建立長(zhǎng)度為7的無(wú)符號(hào)整形數(shù)組，每個(gè)數(shù)組元素長(zhǎng)度為8 bit。數(shù)組的前三個(gè)元素用來(lái)保存和識(shí)別老人身份，其余分配如下：

SampleApp_ReadPersonData(&devDescData[3],&devDescData[4]);devDescData[5] = readVoltage() ;

devDescData[6] = pulseNum();

其 中 SampleApp_ReadPersonData， read Voltage()，pulseNum()，分別是讀取溫度，血壓，脈搏函數(shù)。通過(guò)串口連接將數(shù)據(jù)傳輸給總控臺(tái)。圖 3為讀取溫度，血壓數(shù)據(jù)的流程圖。

圖3 溫度讀取函數(shù)流程和血壓數(shù)據(jù)讀取流程

由于KNM無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量模塊與DS18B20溫度傳感器類(lèi)似，輸入進(jìn)CPU的也是二進(jìn)制的血壓數(shù)據(jù)，所以 readVoltage()函數(shù)算法與溫度類(lèi)似故在此不再說(shuō)明。

2.2 語(yǔ)音傳輸模塊

ZigBee技術(shù)大多數(shù)應(yīng)用于小數(shù)據(jù)量的通信之中，但近幾年 ZigBee語(yǔ)音通信也受到高度關(guān)注。ZigBee傳輸速率在250 kb/s[10],只要將語(yǔ)音信息進(jìn)行必要處理，ZigBee網(wǎng)絡(luò)仍然能應(yīng)用于語(yǔ)音領(lǐng)域。總體構(gòu)架于圖4。ZigBee語(yǔ)音通信分為三大模塊，即數(shù)據(jù)采集/接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無(wú)線傳輸模塊[10-11]。

圖4 ZigBee語(yǔ)音傳輸總體構(gòu)架

2.2.1 數(shù)據(jù)采集/接收模塊

語(yǔ)音發(fā)出端的數(shù)據(jù)采集模塊包括模擬信號(hào)的采集、放大和A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)字信號(hào)傳輸抗干擾能力強(qiáng)、可靠性強(qiáng)、安全性好，所以要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。但ZigBee網(wǎng)絡(luò)的理論傳輸速率是250 b/s，直接傳輸語(yǔ)音數(shù)據(jù)流比較困難。故在語(yǔ)音發(fā)出端要對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，防止網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過(guò)重，不穩(wěn)定。常見(jiàn)的壓縮算法有u-law、a-law、ADPCM。我們選擇的語(yǔ)音采集芯片為WM8510，用微處理器驅(qū)動(dòng)WM8510，再結(jié)合軟件實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音采集的功能。

語(yǔ)音接受端的數(shù)據(jù)接收模塊包括語(yǔ)音解碼、D/A轉(zhuǎn)換、功率放大電路及耳機(jī)傳輸?shù)饺硕囊幌盗羞^(guò)程，相比較語(yǔ)音發(fā)出端而言少了語(yǔ)音數(shù)據(jù)壓縮這一過(guò)程。理想情況下最終傳輸?shù)饺硕氖歉咔逦日Z(yǔ)音模擬信號(hào)。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

微處理器在語(yǔ)音發(fā)出端要對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行壓縮，還要控制協(xié)調(diào)其他模塊工作，所以系統(tǒng)對(duì)微處理器的要求較高。故設(shè)計(jì)中采用JN-5139開(kāi)發(fā)模塊作為實(shí)驗(yàn)工具。JN-5139是ZigBee低成本低功耗的微控制器，集成了32位RISC處理器、完全兼容的2.4 GHz IEEE802.15.4收發(fā)器。192KbROM、96KBRAM 以及豐富的模擬和數(shù)字外設(shè)，適合于ZigBee語(yǔ)音開(kāi)發(fā)，也完全滿(mǎn)足系統(tǒng)中所需的語(yǔ)音功能[12]。

語(yǔ)音數(shù)據(jù)是通過(guò)自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理。其中有數(shù)字音頻存儲(chǔ)數(shù)組，目的地址，下一音頻數(shù)字存儲(chǔ)數(shù)據(jù)首地址，音頻采樣率設(shè)置，音量大小，當(dāng)前音頻應(yīng)用狀態(tài)，當(dāng)前使用的指針等。存放音頻數(shù)據(jù)的指針大小設(shè)置成128[13]。A_Data數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具體如下所示：

typedef struct

{ MAC_Addr_s DstAddr;

int16 *p16NxtDaEn1;

int16 *p16NxtDaEn2;

int16 *p16NxtAdEn1;

int16 *p16NxtAdEn2;

int16 a16DaBfer1[MAX_SAMPLE_BFER_SIZE];

int16 a16DaBfer2[MAX_SAMPLE_BFER_SIZE];

int16 a16AdBfer1[MAX_SAMPLE_BFER_SIZE];

int16 a16AdBfer2[MAX_SAMPLE_BFER_SIZE];

uint16 u16SmpFreq;

uint16 u16Vol;

uint8 u8CutDaBfer;

uint8 u8CutAdcBfer;

bool_t bAdBfer1Redy;

bool_t bAdBfer2Redy;

A_STATES eState;

}A_Data

2.2.3 無(wú)線傳輸模塊

由于語(yǔ)音傳輸也是借助于ZigBee網(wǎng)絡(luò)，ZigBee協(xié)議已經(jīng)提供完備的傳輸協(xié)議，故在此不贅述。在該療養(yǎng)院應(yīng)急系統(tǒng)中當(dāng)需要語(yǔ)音呼救時(shí)，語(yǔ)音信息經(jīng)打包以多跳的方式在 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)侥康牡?，被其他人員接受。至此語(yǔ)音信息傳輸完成。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

本應(yīng)急系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在綜合測(cè)試過(guò)程中取得了初步的結(jié)果。傳感器采集數(shù)據(jù)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線信道傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過(guò) DT-5002USB轉(zhuǎn)串口線將數(shù)據(jù)傳輸給控制臺(tái)軟件，通過(guò)控制臺(tái)軟件分析出老人身體是否正常，如若超過(guò)該老人身體參數(shù)的正常范圍，則以紅色警示，工作人員能夠快速、直觀、簡(jiǎn)單的得知哪位老人發(fā)生緊急情況，然后采取語(yǔ)音呼救或其它應(yīng)急措施。圖5為總控臺(tái)控制界面。

圖5 療養(yǎng)院總控界面

4 結(jié)語(yǔ)

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的療養(yǎng)院應(yīng)急系統(tǒng)集人體生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音呼救功能一體。系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的監(jiān)測(cè)，并且其功能具有完備性和可擴(kuò)展性。該應(yīng)急系統(tǒng)能快速反應(yīng)緊急情況，使老年人在療養(yǎng)院享受自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的實(shí)時(shí)、完備、高效的醫(yī)療監(jiān)測(cè)服務(wù)。有望改變當(dāng)下我國(guó)療養(yǎng)院醫(yī)療服務(wù)能力低下發(fā)展艱辛的局面，對(duì)解決人口老齡化、空巢老人等社會(huì)問(wèn)題產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用。在未來(lái)，將進(jìn)一步開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)的軟件和硬件，進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性，讓該系統(tǒng)惠及更多的老人，將時(shí)時(shí)刻刻的關(guān)心和呵護(hù)送達(dá)每位老人身邊。

本療養(yǎng)院應(yīng)急系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得到國(guó)家級(jí)創(chuàng)新項(xiàng)目“基于移動(dòng)自組網(wǎng)的療養(yǎng)院應(yīng)急系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)”支持。在研究中得到李德敏老師的巨大幫助和大力支持，在此特別感謝。

[1] 劉洋.心臟病的中國(guó)速度[EB/OL].(2010-10-01)[2013-05-15].http://paper.people.com.cn/gjjrb/h tml/2010-10/01/content_637366.htm.

[2] 崔曉臣,張串絨,張強(qiáng).無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方案評(píng)估研究[J].信息安全與通信保密,2011(03):64-65.

[3] 朱祥賢,孫秀英,盧素鋒.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全技術(shù)研究[J].信息安全與通信保密,2009(12):88-88.

[4] 雷陽(yáng),尚鳳軍,任宇森.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議現(xiàn)狀研究[J].通信技術(shù),2009,42(03):117-118.

[5] 俞仁來(lái),譚明浩.基于 ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由分析[J].通信技術(shù),2011,44(01):129-130.

[6] 卜羽.無(wú)線通信在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2009,24(10):54-54.

[7] 劉建.基于ZigBee技術(shù)在遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與研究[D].西安:西安科技大學(xué),2011.

[8] 魏素麗,楊建宇,汪培莉.關(guān)于我國(guó)療養(yǎng)院發(fā)展現(xiàn)狀的調(diào)研[J].中國(guó)中醫(yī)藥現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育，2011,9(19):122-123.

[9] 周林,馮婷婷.基于ZigBee的無(wú)線醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2013,9(03):641-642.

[10] 侯振新.ZigBee技術(shù)在語(yǔ)音通信中的路由協(xié)議研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京:南京郵電大學(xué),2011.

[11] 汪影.基于ZigBee技術(shù)的語(yǔ)音通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2011.

[12] Jennic公司.Jennic JN5139 ZigBee解決方案[J].世界電子元器件,2008,14(09):1-2.

[13] 鄒健.基于ZigBee技術(shù)的語(yǔ)音導(dǎo)游系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].上海:東華大學(xué),2012.