基于ZigBee技術(shù)的老年求助呼叫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

邙靜巍

摘 要 設(shè)計(jì)一種基于ZigBee技術(shù)的老年無線求助呼叫系統(tǒng)。利用美國TI公司的CC2530芯片完成系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器、呼叫器和應(yīng)答器的硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)采用TI的Z-stack協(xié)議棧及IAR開發(fā)工具，在ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上完成各模塊上的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 呼叫系統(tǒng)；ZigBee；CC2530

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）02-0034-03

1 前言

項(xiàng)目背景 隨著我國逐漸進(jìn)入老齡化社會，老年人數(shù)量越來越多，許多老年人患有各種老年性疾病，嚴(yán)重者會失去生活自理能力而長期臥床，而子女和家人不可能時刻伴隨著老人?；赯igBee技術(shù)的無線緊急呼叫系統(tǒng)，就是在此背景下進(jìn)行研究和開發(fā)的。當(dāng)老人需要幫助，而家人又不在身邊時，可以通過手持終端上的按鍵發(fā)送求助信息，家人看到燈閃或聽到聲音就明白老人需要幫助，可及時前往而有效地利用時間。

ZigBee技術(shù)簡介 ZigBee協(xié)議是2001年6月成立的ZigBee聯(lián)盟專門為實(shí)現(xiàn)家庭及辦公室自動化的控制系統(tǒng)、醫(yī)療保健設(shè)備及自動化檢查系統(tǒng)的通信應(yīng)用而開發(fā)的一種無線通信標(biāo)準(zhǔn)。與其他無線通訊協(xié)議相比，具有低速率、近距離、短時延、高安全、免執(zhí)照頻段等特點(diǎn)，是以低復(fù)雜度、低成本、低功耗為目標(biāo)的一種無線通訊協(xié)議。老年求助呼叫系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求很高，但每次需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號容量很小，要求呼叫端設(shè)備的重量和體積較小，這些應(yīng)用要求與ZigBee協(xié)議的特點(diǎn)很吻合[1]。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)通常由協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備三個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)需要且只需要一個協(xié)調(diào)器，用來創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并為最初加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配地址；路由器節(jié)點(diǎn)有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)功能，起到路由的作用；終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間，只能與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信，通常只周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)[2]。本系統(tǒng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)，研究表明，一般家庭面積25*25 m2內(nèi)，ZigBee在此范圍的通訊誤包率基本為零[3]，因此不設(shè)ZigBee路由節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和五個終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)形成一個星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)由病人呼叫器、協(xié)調(diào)器、應(yīng)答器構(gòu)成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，中控器在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)建立和管理網(wǎng)絡(luò)、信號的轉(zhuǎn)發(fā)。呼叫器和應(yīng)答器在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)終端設(shè)備。呼叫器用來發(fā)送呼叫請求和取消呼叫信息，應(yīng)答器用來接收信息、取消呼叫。一個完整的無線系統(tǒng)呼叫相應(yīng)過程如下：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器作為主節(jié)點(diǎn)加電后首先要建立一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并等待子節(jié)點(diǎn)的加入；呼叫器、應(yīng)答器節(jié)點(diǎn)加電啟動后，在有效范圍內(nèi)隨后會自動尋找并加入該網(wǎng)絡(luò)，然后分別等待信息的輸入、處理及輸出。如果老人需要服務(wù)，就按一次呼叫器節(jié)點(diǎn)上的按鍵，呼叫信息就會通過ZigBee模塊發(fā)送報(bào)警信息給主控器[4]；主控器接收到報(bào)警信息時，做出相應(yīng)處理后，轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)警信息給應(yīng)答器，進(jìn)行聲光報(bào)警，同時轉(zhuǎn)發(fā)給呼叫器；呼叫器根據(jù)LED燈不同的閃爍情況，得知請求的處理結(jié)果[5]。

3 系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1）中央處理器模塊。本研究選用德州儀器的CC2530 F256集成芯片，該芯片集成了增強(qiáng)型8051微控制內(nèi)核與的2.4 GHz的RF收發(fā)器，具有256 K的內(nèi)存，系統(tǒng)內(nèi)包括可編程閃存、8 KB RAM、A/D轉(zhuǎn)換器以及許多其他功能。同時具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能強(qiáng)大、喚醒與休眠工作模式多樣、材料成本低廉的特點(diǎn)，使得它更適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)[2]。本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)主要由CC2530片上系統(tǒng)接收發(fā)射模塊、電源模塊、下載接口模塊（同時兼顧仿真接口）、發(fā)光二極管顯示模塊和獨(dú)立按鍵模塊等組成[6]。同時結(jié)合該公司開發(fā)的ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack）為用戶提供了一個較好的ZigBee應(yīng)用解決方案，可在此協(xié)議?；A(chǔ)上開發(fā)特定應(yīng)用場合下的應(yīng)用程序。選用CC2530，可相對簡化并降低硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。

2）協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是ZigBee簇狀網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)通信的核心，在網(wǎng)絡(luò)建立之初，每個網(wǎng)絡(luò)有且僅有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起、參數(shù)的設(shè)定、信息的管理及維護(hù)。根據(jù)所選擇的微處理器，硬件總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由處理器模塊、射頻模塊、電源管理模塊、復(fù)位電路、蜂鳴器、IDC10下載器插槽、串口等各外部接口等組成。因協(xié)調(diào)器要根據(jù)需要不停地查詢網(wǎng)絡(luò)中的信息，因此要外接穩(wěn)定的電源，在終端的電源模塊基礎(chǔ)上增加了外部穩(wěn)壓源接口。CC2530芯片作為射頻模塊，用于數(shù)據(jù)處理、接收和發(fā)射信號；蜂鳴器和LED指示燈分別用于聲、光報(bào)警。

3）呼叫器和應(yīng)答器設(shè)計(jì)。呼叫器和應(yīng)答器均為無線可移動設(shè)備，由電池供電。其電路框圖如圖3、圖4所示。CC2530芯片作為射頻模塊，用于數(shù)據(jù)處理、接收和發(fā)射信號；呼叫器的按鍵1、按鍵2可根據(jù)需要設(shè)置成不同需求的按鍵，如“衛(wèi)生”“服藥”等，LED指示燈用于報(bào)警提示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)由1個協(xié)調(diào)器、1個呼叫器和4個應(yīng)答器共6個節(jié)點(diǎn)組成一個星型網(wǎng)絡(luò)，由于本文使用TI公司的CC2530芯片進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，故在軟件設(shè)計(jì)時采用了與之配套的，同為TI公司的Z-Stack協(xié)議棧，開發(fā)環(huán)境選用IAR7.60，TI Z-STACK協(xié)議?？煞奖愕亟M建自己的無線通信網(wǎng)絡(luò)。在ZigBee協(xié)議棧中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)器、路由器以及呼叫器的程序，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)無線呼叫系統(tǒng)的硬件設(shè)備的實(shí)際情況，用IAR Embedded Workbench軟件開發(fā)工具編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序并進(jìn)行調(diào)試，最終下載到芯片上加以實(shí)現(xiàn)。

1）協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器的工作流程如圖5所示。協(xié)調(diào)器上電后，首先進(jìn)行設(shè)備初始化，包括硬件電路初始化、寄存器初始化、協(xié)議棧初始化、操作系統(tǒng)初始化。然后進(jìn)入執(zhí)行操作系統(tǒng)，進(jìn)入無限循環(huán)的任務(wù)執(zhí)行程序中。系統(tǒng)定義了“UARTGetchar（）”函數(shù)，負(fù)責(zé)接收呼叫終端發(fā)送過來的字符，ZigBee將接收到的字符傳給此函數(shù)。

本項(xiàng)目定義一個變量，通過if語句來判斷老人是否發(fā)送了請求。當(dāng)條件滿足后，才會執(zhí)行控制函數(shù)，從而控制協(xié)調(diào)器上LED警示燈閃爍[7]。

2）呼叫器與應(yīng)答器。作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的呼叫器、應(yīng)答器的初始化過程與協(xié)調(diào)器基本類似。如圖6所示，呼叫節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后加入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入休眠模式；當(dāng)有呼叫請求時，按鍵中斷喚醒，把請求信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器。在CC2530開發(fā)板本身設(shè)計(jì)的3個按鍵中任選一個按鍵，定義“key_get（）”函數(shù)，用來判斷按鍵是否被按下，若按下了，則通過“uart_puts（）”函數(shù)把設(shè)定好的字符通過UART串口給發(fā)送出去。與此同時，執(zhí)行“BuzzerSound（）”求助警鈴函數(shù)，通過定時器來控制聲音。在接收到控制命令數(shù)據(jù)后，發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，若發(fā)送不成功，將延遲1 s后重發(fā)。

如圖7所示，應(yīng)答器工作流程與呼叫器基本一致，不再贅述。

測試結(jié)果 通過抗干擾能力測試，ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，基本不受家庭中各種家用設(shè)備的干擾[3]，在普通的家庭環(huán)境中誤包率基本為零。

4 結(jié)束語

本文利用ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用CC2530作為射頻收發(fā)芯片，設(shè)計(jì)了老年呼叫系統(tǒng)，創(chuàng)新點(diǎn)在于呼叫器可根據(jù)老人不同需求發(fā)出不同信號。老人求助終端不僅適用于家里的老人，其他因傷、病、殘等原因造成行動不便而需要被人照顧飲食、衛(wèi)生、就醫(yī)等病人也可使用該功能。系統(tǒng)能耗低，價格便宜，有較好的市場應(yīng)用前景。

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