基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的老年智能健康系統(tǒng)研究

南楠

摘要：針對中國老齡人口快速增長和空巢老人難于照顧的現(xiàn)狀，設(shè)計一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的老年人健康監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將ZigBee技術(shù)、城市網(wǎng)格化管理、虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合到一起，建立一個實時、精確、精細的老年人健康監(jiān)測系統(tǒng)，從而全面提高社區(qū)老年健康管理的效率、質(zhì)量和水平。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò) ZigBee技術(shù) 實時監(jiān)控 老年人健康

中圖分類號：TP277 文獻標(biāo)識法：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

Abstract：According to the present situation of the aging population and the rapid growth of Chinese Empty Nester difficult to take care of the design of a health monitoring system based on ZigBee wireless sensor network technology of the elderly. The system combines ZigBee technology， urban grid management， virtual reality technology to build a real-time， accurate and fine elderly health monitoring system， so as to improve the efficiency， quality and level of the elderly health management in the community.

Keywords：Wireless sensor network；ZigBee；Real-time monitoring；Old people's health

隨著中國經(jīng)濟和科技的高速發(fā)展，退休制度的改革，空巢老人增多、失能和半失能老年人比例加大等現(xiàn)象的出現(xiàn)使人口老齡化問題日益凸顯，養(yǎng)老資源嚴重不足。老齡社會的標(biāo)準是60歲以上老人占總?cè)丝诘?0%，65歲以上人口達到7%，而我國早在1999年已進入老齡社會[1]。同時根據(jù)最新的研究報告指出，到2020年中國將迎來“養(yǎng)老年”的一個小高峰，到2050年，中國老齡化人口將達到總?cè)丝诘娜种唬?5歲以上的高齡老人現(xiàn)以100萬/每年的速度再增長。

雖然現(xiàn)已提出的有養(yǎng)老院養(yǎng)老、社區(qū)養(yǎng)老、以老養(yǎng)老等，但高昂的費用、短缺的人手、無制度化的監(jiān)管問題都使老人的生活、護理、醫(yī)療保健等無法有效實現(xiàn)。因此，研究設(shè)計新型高效的老年智能健康監(jiān)控系統(tǒng)迫在眉睫。本文提出一種基于ZigBee技術(shù)的主動監(jiān)測老人生命體征和運動安全狀況的系統(tǒng)，提高老年健康服務(wù)質(zhì)量。

1 Zigbee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種適用于短距離范圍、結(jié)構(gòu)簡單、傳輸速率較低、成本低廉的連接各種電子設(shè)備的無線通訊技術(shù)。ZigBee的基礎(chǔ)協(xié)議是基于IEEE802.15.4進行工作，把整個協(xié)議架構(gòu)劃分為四層：物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，支持星型、網(wǎng)狀和樹形三種基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。良好的擴展性和安全性使其應(yīng)用范圍廣泛，常被用于工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、健康醫(yī)療、家庭、電玩業(yè)等許多領(lǐng)域[2]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含的傳感器節(jié)點由數(shù)個到數(shù)千萬個，高密度的分布方式使網(wǎng)絡(luò)具有高可靠和高穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸能力，ZigBee技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合將雙方的應(yīng)用領(lǐng)域無限擴寬。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點設(shè)備分為兩類：全功能設(shè)備和半功能設(shè)備。全功能設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)中所有類型設(shè)備的功能，可隨意轉(zhuǎn)換，一般在使用時作為路由器、協(xié)調(diào)器或終端設(shè)備。Zigbee協(xié)調(diào)器作用是建立無線網(wǎng)絡(luò)，選擇空閑信道以及一個PANID構(gòu)建基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，等待周邊傳感器節(jié)點的請求加入，同時在 網(wǎng)絡(luò)層中建立安全管理應(yīng)對應(yīng)層的各種綁定請求。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成后，協(xié)調(diào)器的功能轉(zhuǎn)變?yōu)槁酚善鳎占?jié)點采集到數(shù)據(jù)并通過路由算法計算后轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)節(jié)點，上傳到管理系統(tǒng)中。路由器擴大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，允許多個節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，工作過程中可不間斷擴展信號的傳輸范圍。終端設(shè)備在不工作時處于休眠狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)檢測目標(biāo)后被激活，相對于電力的消耗極小一般可持續(xù)工作半年到二年。

2 老年智能健康系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計結(jié)合先進的計算機技術(shù)與科學(xué)的管理手段，注入人文關(guān)懷因素調(diào)動周邊的人力物力所有資源。將一定范圍內(nèi)老年人建立起自查網(wǎng)絡(luò)，對每位老年人建立單獨管理模式，監(jiān)測其日常行為、醫(yī)療護理、健康基本參數(shù)（如血壓、體溫、脈搏等），與系統(tǒng)設(shè)定基礎(chǔ)值對比，分析、預(yù)測、警示潛藏的危險因素，全面提高老年人群的生活質(zhì)量，更好保障老年人群身體、心理的健康發(fā)展 [3]。

老年智能健康系統(tǒng)是老人生活醫(yī)療保障的重要組成部分，主要以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)，融合嵌入式、通信、計算機等技術(shù)，全面監(jiān)控老年人的日常行為、健康指標(biāo)、心理素質(zhì)、病情發(fā)展等參數(shù)，分析對比生成數(shù)據(jù)結(jié)果提出預(yù)警報告，實現(xiàn)提高老年人生活質(zhì)量、保障身體健康長壽的目的。研究重點在于監(jiān)測老年人生命體征與運動狀況，并根據(jù)個體情況提出相應(yīng)的健康生活方式預(yù)案或出現(xiàn)異常情況時及時發(fā)出報警信號。

整個系統(tǒng)主要包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)格化管理平臺、智能健康監(jiān)護系統(tǒng)、可視化服務(wù)界面。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包括采集節(jié)點和傳感器節(jié)點，協(xié)調(diào)器控制處理各個節(jié)點采集數(shù)據(jù)建立綁定，其他路由器或者傳感器設(shè)備節(jié)點自動發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)，并加入該網(wǎng)絡(luò)；傳感器設(shè)備節(jié)點采集來的老人生命體征數(shù)據(jù)通過GPRS模塊或外網(wǎng)傳輸至PC端，由上位機軟件進行解析；經(jīng)過解析后的數(shù)據(jù)，以圖形的方式在PC機上顯示，供監(jiān)控中心的管理人員查看老人的身體健康狀況，提出針對性的預(yù)警方案，具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括ZigBee無線傳感器節(jié)點、PC機、GPRS模塊、網(wǎng)卡、嵌入式服務(wù)器。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的建立主要包括采集節(jié)點和傳感器節(jié)點兩種類型。采集節(jié)點的主要功能有兩種：一是作為協(xié)調(diào)器，選擇信道建立新的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)；一是作為路由器，與PC機建立連接，接受上位機軟件的指令，發(fā)給節(jié)點同時接受節(jié)點信息反饋給上位機分析處理。傳感器節(jié)點作為終端設(shè)備，設(shè)計為可佩帶式便于老年人攜帶，網(wǎng)絡(luò)檢測到終端設(shè)備會自動綁定該節(jié)點，實時采集老年人脈搏、血壓、體溫等數(shù)據(jù)，通過GPRS模塊或網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，顯示在PC機上位機軟件上，供專業(yè)人士分析、處理[4]。

網(wǎng)絡(luò)的形成主要通過Zigbee協(xié)調(diào)器，在物理層和控制層編寫硬件驅(qū)動程序完成兩層的控制操作，在編寫網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層編碼。通過鍵盤接收命令，當(dāng)用戶按下XM1傳感器節(jié)點被設(shè)定為協(xié)調(diào)器，初始化網(wǎng)絡(luò)并使用通用接口與網(wǎng)關(guān)交換數(shù)據(jù)，當(dāng)不設(shè)置時節(jié)點作為路由設(shè)備完成路由功能。鍵盤按下XM2時，首先對網(wǎng)絡(luò)初始化，將每個采集節(jié)點綁定到協(xié)調(diào)器自建網(wǎng)絡(luò)中，采集數(shù)據(jù)時作為終端設(shè)備使用，當(dāng)數(shù)據(jù)需要跳轉(zhuǎn)節(jié)點配置為路由器，實現(xiàn)尋址和轉(zhuǎn)發(fā)消息功能。Zigbee硬件設(shè)備配置流程如圖2。

每個硬件節(jié)點設(shè)備具有獨立參數(shù)，相同協(xié)調(diào)器自建網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的配置參數(shù)值相同，組網(wǎng)時終端設(shè)備發(fā)出請求等待回應(yīng)，允許加入系統(tǒng)會自動分配地址給終端節(jié)點（16位短地址或64位長地址），當(dāng)所有終端節(jié)點都加入網(wǎng)絡(luò)后，上位機即可發(fā)出指令采集數(shù)據(jù)信息 [5]。

硬件整體上分為兩大塊：感知生命體征的硬件設(shè)備和組網(wǎng)硬件設(shè)備。感知生命體征硬件設(shè)備包括血壓測量設(shè)備、體溫監(jiān)測設(shè)備、脈搏監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測老年人日常行為的三軸加速傳感器。嵌入式血壓儀采用華科的HKB-08測壓模塊，可直接使用USB接口與PC機連接，更方便用戶按需二次開發(fā)。體溫和脈搏傳感器采用HKT-09A和HK2000G集成脈搏傳感器，二者都具有良好的復(fù)用性和穩(wěn)定性。三軸加速傳感器對監(jiān)測物體未知方向下運動軌跡有顯著作用，可測量老年人行動空間速度，監(jiān)測到跌倒?fàn)顟B(tài)，這里采用BMA220傳感器，體積小、功耗低，可嵌入到隨身佩戴設(shè)備中。組網(wǎng)硬件設(shè)備包括MCU、PC機、網(wǎng)卡、GPRS傳輸模塊，本系統(tǒng)中無線MCU使用的是TI公司的CC2630，是一款經(jīng)濟高效型超低功耗2.4GHz 的微控產(chǎn)品，適用于在系統(tǒng)處于休眠模式時連接外部傳感器或自主采集模擬和數(shù)字數(shù)據(jù)。PC機要求至少為安裝window7.0以上版本的操作系統(tǒng)，500G以上硬盤空間，具有無線接收模塊，具有USB接口和RS232串口，主頻為1.7GHz以上。嵌入式服務(wù)器構(gòu)建在嵌入式處理器上，采用的是TI公司的MSP430FR2433混合信號微控制器，是一款低功耗高性能的微處理器。GPRS模塊采用華為GTM900-C型號，具有高靈敏度、低功耗、傳輸速率好等特點。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)中信息化管理平臺設(shè)計以網(wǎng)格化技術(shù)為基礎(chǔ)，將空間信息、時間信息和管理信息劃分成標(biāo)準的單元格，建立相對獨立的監(jiān)管、預(yù)警、協(xié)助模式，積極主動的利用生命體征測試器和傳感器跟蹤檢測老年人生命體征和行為狀況。平臺的建立充分運用仿真技術(shù)，構(gòu)架一個模擬真實環(huán)境的集成單元網(wǎng)格數(shù)據(jù)、立體空間環(huán)境數(shù)據(jù)、部件管理數(shù)據(jù)、位置編碼數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)資源，同時結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)、GPS、遠程預(yù)警、虛擬現(xiàn)實等多種技術(shù)，建立科學(xué)高效、界面友好的綜合化信息管理平臺[6]。

在科技社區(qū)的網(wǎng)格化管理和老年健康監(jiān)護中，系統(tǒng)的可視化管理也越來越受關(guān)注。本系統(tǒng)主要采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)集成計算機圖形、計算機仿真、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，設(shè)計開發(fā)一款老年健康監(jiān)測可視化管理系統(tǒng)，運行在管理端的PC機上。

系統(tǒng)軟件整體架構(gòu)在此設(shè)計為4層結(jié)構(gòu)：基礎(chǔ)設(shè)施層、信息層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)中所有CC2630節(jié)點的軟件開發(fā)都是基于TI公司Z-Sack協(xié)議棧設(shè)計的。Z-Stack軟件允許用戶自定義功能程序代碼、ZigBee協(xié)議標(biāo)準等。程序設(shè)計的功能是實現(xiàn)協(xié)調(diào)器自建網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)終端設(shè)備需提交信息時自動加入到網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)在隨機分配一個16位IP地址供發(fā)送信息，這一部分我們歸納為基礎(chǔ)設(shè)施層。采用嵌入式處理器和PC機搭建嵌入式WEB服務(wù)器，及可以傳輸信息給上位機軟件，同時作為下位機接受信息并可以保存，實現(xiàn)功能歸為信息層。網(wǎng)絡(luò)層主要是GPRS模塊和網(wǎng)卡實現(xiàn)的實時通訊功能，信息轉(zhuǎn)接發(fā)功能和定位信息監(jiān)測功能。應(yīng)用層主要包括專業(yè)人員管理系統(tǒng)、老年健康檔案管理系統(tǒng)、老年健康實時監(jiān)測系統(tǒng)和預(yù)警子系統(tǒng)組成，完成后期具體工作。最終形成的健康監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)流程如圖3所示。

5結(jié)語

本文通過構(gòu)建老年智能健康系統(tǒng)，保證社區(qū)內(nèi)老人在日常生活和運動中遇突發(fā)情況時能得到及時救助，并通過統(tǒng)計分析老年人的日常健康體征數(shù)據(jù)，發(fā)出疾病預(yù)警信號，結(jié)合有效的生活方式干預(yù)方案保障老年人身體健康發(fā)展，提高社區(qū)老年醫(yī)療健康服務(wù)水平，對基層社區(qū)醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展有著長遠的意義。

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