基于ZigBee的養(yǎng)老院健康監(jiān)護系統(tǒng)設計

孔維康，陶　帥，汪祖民

(大連大學 信息工程學院，遼寧 大連　116622)

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基于ZigBee的養(yǎng)老院健康監(jiān)護系統(tǒng)設計

孔維康，陶帥，汪祖民

(大連大學 信息工程學院，遼寧 大連116622)

針對養(yǎng)老院中對老人的監(jiān)護需求，提出一種基于ZigBee無線通信技術的養(yǎng)老院健康監(jiān)護方案，設計一個經濟實用的低功耗ZigBee無線監(jiān)測系統(tǒng)；系統(tǒng)各個節(jié)點以CC2530為核心，通過控制Pulse Sensor脈搏傳感器、DS18B20體溫傳感器、XGZP6847血壓傳感器來采集老人的生命體征數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)通過監(jiān)護中心進行監(jiān)測與分析，如果超出健康范圍，系統(tǒng)將進行語音提示并通知護工；實驗表明該系統(tǒng)可以有效提高養(yǎng)老院的監(jiān)護水平。

ZigBee；養(yǎng)老院；CC2530；Pulse Sensor；DS18B20；XGZP6847

0　引言

最新數(shù)據(jù)顯示，中國老齡人口每年以近800萬的速度增加，我國已進入老齡化社會。這使得更多的老年人不得不選擇在養(yǎng)老院養(yǎng)老。近幾年，老人心臟病發(fā)猝死的新聞常有報道，大部分是因為沒能及時的了解自身健康指標的變化，造成暈厥死亡。傳統(tǒng)的健康監(jiān)護設備普遍體積大，使用過程繁瑣復雜，在很大程度上限制了病人的及時救助治療。在國外，已經有了一些利用無線技術的監(jiān)護設備研究的成功案例。在國內，結合了無線傳輸技術的健康監(jiān)護系統(tǒng)正日漸成為市場發(fā)展的主流。

式中：Dms、Dfw、Drh、Dgp、Dshw和Drhw分別為主蒸汽、給水、熱再熱蒸汽、高壓缸排汽、過熱器減溫水和再熱器減溫水的流量，t/h；hms、hfw、hrh、hgp、hshw和hrhw分別為主蒸汽、給水、熱再熱蒸汽、高壓缸排汽、過熱器減溫水和再熱器減溫水的焓值，kJ/kg。

然而，現(xiàn)有的系統(tǒng)終端采集完信號后，沒有對老人進行語音提示，而本系統(tǒng)不但對老年人的血壓、脈搏進行監(jiān)護，并且在超出健康范圍的時候進行語音提示和通知護工。這樣能夠使老人了解自身的健康狀況并且及時休息或者去醫(yī)院治療，從而避免耽誤救治。

PCR產物用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測判斷是否為陽性擴增。樣品和Marker的上樣量為4 μL。設定電壓為150 V，電泳時間15 min。接通電極，PCR產物由陰極向陽極移動。電泳結束后紫外成像觀察，結果見圖1。

在我國的農業(yè)發(fā)展過程中，田園綜合體還處于發(fā)展探索階段，各省(市、自治區(qū))對該發(fā)展模式的發(fā)展途徑和模式進行進一步的探索，直到2017年底，已經有18個省申報了國家級田園綜合體項目，項目總數(shù)達26個(表1)，其中已有11個田園綜合體發(fā)展項目獲得國家審批通過。雖然我國田園綜合體仍在不斷探索中，但其建設對我國農業(yè)有著不可小覷的作用。田園綜合體的發(fā)展建立在農業(yè)發(fā)展的基礎之上，良好的農業(yè)發(fā)展態(tài)勢為田園綜合體的發(fā)展提供了基石[4]。

1　系統(tǒng)總體設計

DS18B20是由美國DALLAS公司生產的高性能單線數(shù)字式溫度傳感器。該傳感器具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點[6]。另外，DS18B20是溫度—電流傳感器，可有效提高系統(tǒng)抗干擾能力。

圖1　系統(tǒng)總體結構圖

XGZP6847是蕪湖芯感智傳感器技術有限公司生產的一款廣泛用于醫(yī)療電子行業(yè)的血壓傳感器。該傳感器尺寸小，易安裝，集成了數(shù)字調理芯片，其PCB板的兩面分別安裝有壓力傳感器和處理電路芯片，對傳感器的偏移，靈敏度，溫漂和非線性進行數(shù)字補償，產生一個經過校準，溫度補償后的標準電壓信號。

2　系統(tǒng)硬件設計

2.1終端節(jié)點硬件設計

在4個組別溫度升高的第1天、第3天和第10天，每個組別的每個重復中隨機選擇1只雞，選擇使用數(shù)字體溫計測量肉雞直腸溫度。同時，在同一時間內，采集該重復的另1只雞迅速使其安樂死，在3 min內取出下丘腦組織放入速凍管中-80 ℃保存，20 d內測定下丘腦中熱休克蛋白70的濃度[2]。

圖2　終端節(jié)點結構圖

2.1.1無線采集終端節(jié)點硬件設計

CC2530是TI公司推出的工作于2.4 GHz頻段，符合IEEE802.15.4規(guī)范的真正片上系統(tǒng)。CC2530從睡眠模式轉換到主動模式的時間極短、響應速度極快，這些特性使得芯片非常適合在無線傳感器網絡中的應用[3]。為了降低功耗，CC2530控制系統(tǒng)大部分時間工在休眠狀態(tài)下，定時開啟各驅動模塊完成人體特征信息的采集和發(fā)送工作后，再次進入休眠[4]。

Pulse Sensor是一款光電反射式脈搏傳感器。將其佩戴于手指或耳垂等處，通過導線連接可將采集到的模擬信號傳輸給單片機用來轉換為數(shù)字信號，再通過單片機簡單計算后就可以得到心率數(shù)值[5]。

ZigBee無線通信技術是一種低功耗、低成本的短距離無線通信技術，組網方式靈活多樣，數(shù)據(jù)傳輸安全可靠[1]，與傳感器結合就能組建ZigBee無線傳感器網絡，實現(xiàn)一點對多點，兩點間的通信。ZigBee網絡節(jié)點按功能分為三大類：協(xié)調器節(jié)點、路由器節(jié)點、終端節(jié)點。根據(jù)實際情況和用戶的需求，一定數(shù)量的節(jié)點可以組成3種不同拓撲結構的網絡，分別是星形網絡，樹形網絡和網狀網絡[2]。本文采用組網相對簡單的星形拓撲結構。星型網絡由一個協(xié)調器和多個終端設備組成，只存在協(xié)調器與終端之間的通信。

現(xiàn)有變電站均通過調度數(shù)據(jù)專網接入調控中心D5000系統(tǒng)服務器。通過調度專用數(shù)據(jù)網(光端機)分出一個站間帶寬不小于2 Mb/s(每秒下載速度不少于300 KB/s)的局域網通道接口給網絡五防系統(tǒng)使用，使網絡五防服務器與控端五防主站、所轄各變電站五防子站組成局域網絡，網絡結構圖如圖4所示。

本健康監(jiān)護系統(tǒng)的總體框架圖如圖1所示。系統(tǒng)的功能實現(xiàn)分為以下部分。第一，ZigBee無線終端采集節(jié)點對人體的參數(shù)進行采集；第二，ZigBee采集節(jié)點通過ZigBee協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調器節(jié)點；第三，協(xié)調器節(jié)點根據(jù)采集數(shù)值和系統(tǒng)設定值進行比較，決定是否啟動燈光模塊來通知護工；第四，協(xié)調器節(jié)點根據(jù)采集數(shù)值和系統(tǒng)設定值進行比較，決定是否啟動語音模塊來提醒老人；第五，協(xié)調器節(jié)點還負責建立ZigBee網絡，發(fā)送和接收指令；第六，協(xié)調器通過RS-232串口與監(jiān)護中心進行數(shù)據(jù)通信；第七，監(jiān)護中心負責顯示老人的健康信息。另外，整個ZigBee網絡采用無線傳輸模式，ZigBee網絡和監(jiān)護中心之間采用有線傳輸模式。

Pulse Sensor傳感器、DS18B20傳感器、XGZP6847傳感器與CC2530接口電路如圖3所示。

圖3Pulse Sensor、DS18B20、XGZP6847與CC2530連接圖

2.1.2無線控制終端節(jié)點硬件設計

本系統(tǒng)設計的無線控制終端節(jié)點控制語音模塊和燈光模塊。

伴隨著越來越多的西方學者開始重視企業(yè)財務風險的管控研究，對于風險管理的研究也越來越扎實和系統(tǒng)，并逐漸發(fā)展成為一門獨立的體系。這一時期的代表論著為《風險管理與保險》，書中將企業(yè)的風險管理歸納為五個方面，包括風險因素搜集、風險衡量、風險管理的對策、風險損失的彌補以及企業(yè)信息溝通。企業(yè)風險研究的不斷成熟，帶來了保險行業(yè)的茁壯成長，美國保險管理協(xié)會在1983年首次通過了“101條風險管理準則”，標志著風險管理逐步走向標準化和科學化。到21世紀初期，西方學者逐步從原有的理論分析階段跨越到實證分析模型，通過資產定價模型、套利模型等，逐步完善了對于金融資產風險的研究。

ISD1700語音模塊是華邦ISD公司2007年推出的優(yōu)質語音錄放電路。該模塊的優(yōu)勢在于音質好，電壓范圍寬，應用靈活，造價低[7]。在本系統(tǒng)中，ZigBee采集節(jié)點通過ZigBee協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調器節(jié)點之后，協(xié)調器節(jié)點根據(jù)采集數(shù)值和系統(tǒng)設定閾值進行比較，決定是否啟動語音模塊來提醒老人。另外，本系統(tǒng)協(xié)調器節(jié)點還會根據(jù)采集數(shù)值和系統(tǒng)設定值進行比較，決定是否啟動燈光模塊來通知護工。燈光模塊設計有兩盞燈：LED1和LED2，兩盞燈都需要CC2530進行控制，當一方出現(xiàn)超出設定值的情況后，相應的燈就會亮起，通知護工。

語音模塊、燈光模塊與CC2530接口電路如圖4所示。

圖4Sound、LED與CC2530連接圖

2.2協(xié)調器節(jié)點硬件設計

On Error Resume Next '得到存在串口的函數(shù)

協(xié)調器節(jié)點的作用是負責建立網絡；接收并處理無線終端節(jié)點采集的老年人脈搏心率數(shù)據(jù)、體溫數(shù)據(jù)；操作無線終端控制節(jié)點，對LED1、LED2、放音模塊進行控制；以及通過串口RS—232數(shù)據(jù)線完成與監(jiān)控中心的電腦進行通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦上顯示。協(xié)調器節(jié)點結構如圖5所示。

模型中黑色部分為諧振桿與耦合筋;黃色部分為調諧螺桿與耦合螺桿;棕色部分為實現(xiàn)容性耦合的飛桿;綠色部分為低通模塊。同樣通過HFSS與Designer的協(xié)同仿真,協(xié)同方法參照文獻[10],最終確定全腔尺寸大小,相應的雙路濾波器實物如圖7所示,其中左圖為腔體內部結構圖,右圖為組裝并調試好的成品圖。

圖5　協(xié)調器節(jié)點結構圖

協(xié)調器節(jié)點主要由CC2530ZigBee模塊、RS-232串口電路、電腦以及電源模塊組成，其中CC2530模塊是協(xié)調器節(jié)點的核心部分，它的任務是，接收無線采集終端節(jié)點發(fā)送來的脈搏心率數(shù)據(jù)和體溫數(shù)據(jù)，根據(jù)需求存儲，并且對數(shù)據(jù)能夠進行簡單的處理分析，如果超出指定范圍，觸發(fā)無線終端控制節(jié)點，控制燈光模塊和語音模塊。從圖1所示系統(tǒng)總體結構圖中可以看出，ZigBee協(xié)調器和監(jiān)護中心電腦之間采用有線傳輸模式。在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來進行通訊。RS-232接口是目前最常用的一種串行通訊接口。本系統(tǒng)協(xié)調器和電腦之間采用RS-232通訊接口，將采集的數(shù)據(jù)通過協(xié)調器整理后傳給監(jiān)護中心。

3　系統(tǒng)軟件設計

3.1脈搏采集節(jié)點軟件設計

深部綜掘巷道超前支護機組是由一系列的超前支架組成，如圖1所示。機組在工作時沿巷道掘進方向排開，掘進機在機組下方工作，機組提供一段超前支護區(qū)域，同時兩幫可以在超前支護時安裝錨桿。

MSComm1.PortOpen = True

找工作碰壁回來，在一家小油漆廠工作的葉靄玲安慰我。她總是說，不要急，慢慢來。我苦笑笑，為了擺脫尷尬，我跟她講了一個笑話。我說，我們學校搞了一座雕塑，一位少女左手抱著一本書，右手高高地托舉起一只和平鴿。校領導向全校師生征集雕塑名，答案自然是五花八門。結果你猜，大家評出的最佳雕塑名是什么？不知道吧？我告訴你，讀書頂個鳥用！

圖6脈搏采集節(jié)點程序流程圖

3.2無線控制終端節(jié)點軟件設計

(5)結合時區(qū)圖及突變詞檢測結果，發(fā)現(xiàn)研究桂醫(yī)研究新趨勢主要為：預后、綜述、氧化應激、同型半胱氨酸、生活質量、阿爾茨海默病、帕金森病、支氣管哮喘、老年人、meta分析、小鼠、抗菌藥物、bcl2、進展、感染等。

無線控制終端節(jié)點軟件設計流程如圖7所示。上電后首先進行硬件和協(xié)議棧初始化，成功加入?yún)f(xié)調器網絡后，進入休眠模式。當收到協(xié)調器命令信息后，節(jié)點立即由休眠模式進入工作模式，調用燈光模塊通知護工，調用語音模塊提示老人。

圖7無線控制終端節(jié)點結構圖

3.3用戶界面的實現(xiàn)

本監(jiān)護系統(tǒng)的設計是在基于ZigBee的養(yǎng)老院健康監(jiān)護系統(tǒng)的研究基礎上的進一步探索。系統(tǒng)在進行設計時考慮了以下幾方面因素：1)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全性和可靠性；2)系統(tǒng)的實時操作能力；3)用戶界面的友好性。

本監(jiān)護系統(tǒng)的界面安裝在監(jiān)護中心的電腦上，并由養(yǎng)老院的相關管理人員控制。根據(jù)養(yǎng)老院老人的身體情況，分為以下兩種等級的監(jiān)控方式：1)對于有危重病情的老人的監(jiān)護采用24小時實時監(jiān)控的方式。由采集系統(tǒng)全天自動采集老人的身體參數(shù)，并上傳至監(jiān)護中心，由管理人員判斷。2)對于普通老人，采用定時采集的方式，即由監(jiān)護中心的管理人員每天從監(jiān)護中心操作本界面，控制系統(tǒng)終端定時采集老人的身體參數(shù)。

本健康監(jiān)護系統(tǒng)設計的終端節(jié)點分為無線采集終端節(jié)點和無線控制終端節(jié)點兩類。無線采集終端節(jié)點主要任務是驅動DB18B20傳感器采集體溫數(shù)據(jù)；驅動Pulse Sensor傳感器采集脈搏心率數(shù)據(jù)；驅動MPS-2107傳感器采集血壓數(shù)據(jù)。無線控制終端節(jié)點主要任務是通過2.4 GHz天線接收協(xié)調器節(jié)點發(fā)送的命令，驅動語音模塊和燈光模塊。其結構如圖2所示。

3.4上位機軟件程序設計

人機界面和傳感器的通信采用Visual Basic編程，數(shù)據(jù)的采集與處理及實時顯示的核心代碼如下：

Private Sub Form_Load() '啟動默認加載

現(xiàn)階段，建筑行業(yè)在市場經濟體制下已經取得了較為顯著的成就。然而，在諸多因素的影響下，部分地區(qū)政府投資項目工程造價結算設計工作仍存在一些不足之處。針對此現(xiàn)象，本文在研究中通過對工程造價結算工作中問題的分析，從規(guī)范結算審計、提高監(jiān)督水平、加強對結算審計人員的綜合培養(yǎng)、規(guī)范項目立項報批程序和審核流程等方面，重點研究解決工程造價結算設計工作問題的措施。在日后政府投資項目工程造價結算工作中，工作人員要始終從國家法定和規(guī)范程序，以嚴格的態(tài)度對待政府投資項目工程造價結算審計問題。希望本文的研究可以為提升政府投資項目工程造價結算水平提供寶貴的建議。

For a = 1 To 20

MSComm1.CommPort = a '獲取串口端口號控件

脈搏采集節(jié)點采集老人的心跳脈搏，并發(fā)送給協(xié)調器，接收協(xié)調器發(fā)送的指令。其軟件設計流程如圖6所示。采集節(jié)點上電后首先進行硬件和協(xié)議棧的初始化，搜索鄰近的網絡，并且發(fā)送申請加入信息，等待網絡協(xié)調器確認，信息確認通過后，節(jié)點即入網成功，然后進入休眠模式。接收到指令后從休眠模式退出，檢測到脈搏信號后啟動定時器，截取一段時間內的脈搏數(shù)值，整理之后發(fā)送給協(xié)調器。數(shù)據(jù)發(fā)送成功后又進入休眠模式，再次受到協(xié)調器讀取數(shù)值的指令時，退出休眠模式。

If MSComm1.PortOpen = True Then

Combo1.AddItem "COM" & a '顯示端口號

'On Error Resume Next '讀取數(shù)據(jù)

Select Case MSComm1.CommEvent '有數(shù)據(jù)上傳

Case comEvReceive '數(shù)據(jù)接收

buffer = MSComm1.Input '讀取數(shù)據(jù)

MSComm1.InBufferCount = 0 '清緩沖

Private Sub start_Click()

“關系在這呢，所以我們根本不怕他們檢查那些，前兩天就打了招呼哪里要來檢查，所以我這兒從來沒有說抓導游啊?！薄?4羅經理，四川某土特產店。

On Error Resume Next '打開串口

MSComm1.InBufferSize = 50 '設置緩沖區(qū)大小

MSComm1.InputMode = comInputModeText '字符讀取

4　實驗與結果分析

根據(jù)設計的基于ZigBee的養(yǎng)老院健康監(jiān)護系統(tǒng)，本文對系統(tǒng)進行初步測試，即對老人的體溫、脈搏和血壓進行采集。同時，為了測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準確性，將系統(tǒng)測量的結果與傳統(tǒng)方式的測量結果進行比較。另外，舒張壓、收縮壓采集的單位為kPa(千帕)，需要換算成常用單位mmHg(毫米汞柱)，換算公式為：kPa*7.5=mmgh。生理參數(shù)測量情況對比如表1，表2所示。本實驗數(shù)據(jù)是采用定時采集的方式，即由監(jiān)護中心的管理人員在一天的不同時段，從監(jiān)護中心操作本界面“啟動”按鈕，利用ZigBee無線網絡控制系統(tǒng)終端定時采集老人的身體參數(shù)。

紹圣元年山谷所作詩文亦多禪語，張耒《贈無咎以“即見君子，云胡不喜”為韻》為證：“黃子少年時，風流勝春柳。中年一缽飯，萬事寒木朽。室有僧對談，房無妾侍帚?！保ㄞD引自龍延《黃庭堅早期禪學源流論考》，《重慶郵電學院學報·社會科學版》，2003年第5期）

從表1、表2測量數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)能采集老人生理參數(shù)并無線傳輸，驗證了系統(tǒng)無線傳輸功能的有效性；同時，系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測量的結果基本上一致，說明系統(tǒng)對相關參數(shù)的測量有較高的準確性，溫度平均誤差0.41%，心率平均誤差1.17%，收縮壓平均誤差0.4%，舒張壓平均誤差0.9%，這些誤差范圍不會影響醫(yī)護人員的正確決策，符合實

表1　體溫與脈搏測量數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測量值的對比

表2　血壓測量數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測量值的對比

際要求。

5　結論

本系統(tǒng)通過設計基于ZigBee的養(yǎng)老院健康監(jiān)護系統(tǒng)，可有效地對老人的身體指標進行監(jiān)護，避免老人出現(xiàn)健康狀況時無人知曉。本文以CC2530為硬件核心構建一個ZigBee無線傳感網絡，詳細闡述了協(xié)調器節(jié)點、終端節(jié)點的硬件設計方法和軟件設計流程。經實驗表明，系統(tǒng)可靠性高、功耗低，能夠滿足實際應用的要求，使老人能夠了解自身的身體情況并且及時休息或者去醫(yī)院治療，從而避免耽誤救治，為養(yǎng)老院老人健康監(jiān)護提出了一種新的方法。

[1]趙錦萌,吳效明,張莉莉. 面向家庭的ZigBee醫(yī)療監(jiān)護網絡研究[J].計算機測量與控制,2012,20(3) :780-783.

[2] 朱亮,王緒國,庾嘉平,等. 基于ZigBee的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的設計與研究[J].微型機與應用,2013,32(19) :66-68.

[3] 衣翠平,柏逢明.基于ZigBee技術的CC2530糧庫溫濕度檢測系統(tǒng)研究[J]. 長春光學精密機械學院學報,2011,34(4):53-57.

[4] 吳響,張立,趙強,等.基于體域網的遠程健康監(jiān)護系統(tǒng)設計[J]. 電子技術應用,2014(3):19-21.

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[7] 劉恩華,徐科明.基于ISD1700 SPI協(xié)議模式的語音報警系統(tǒng)[J].電子測試, 2009,(10):69-72.

Design of Health Monitoring System Based on ZigBee in Nursing Homes

Kong Weikang，Tao Shuai，Wang Zumin

(College of Information Engineering, Dalian University, Dalian116622, China)

Due to the demand for nursing care of elderly, a health care scheme in nursing homes is proposed based on ZigBee wireless communication technology，design a cost-effective, low-power-consumption ZigBee wireless monitoring system. Each node of the system is based on CC2530, collects the vital signs of elderly by controlling the pulse sensor, temperature sensor of DS18B20, blood pressure sensor of XGZP6847. Data is monitored and analysed in custody center。If the data exceeds the range, the system will give a voice prompt, and announce nursing workers. The experimental results show that the system can effectively improve the level of nursing home care.

ZigBee; nursing home ;CC2530; pulse sensor；DS18B20；XGZP6847

2015-06-03；

2015-09-11。

國家自然科學基金青年科學基金項目(61501076)。

孔維康(1986-)，女，天津市人，碩士研究生，主要從事物聯(lián)網技術應用、無線傳感器網絡方向的研究。

汪祖民(1975-)，男，河南信陽人，教授，碩士研究生導師，主要從事物聯(lián)網技術、嵌入式開發(fā)方向的研究。

1671-4598(2016)01-0095-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.026

P315.69

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