基于MSP430單片機實驗系統(tǒng)及傳感器技術的照護系統(tǒng)

王倩++紀金水

摘要：本文主要基于MSP430單片機實驗系統(tǒng)及Zigbee傳感器與無線局域網(wǎng)設計了一種居家照護系統(tǒng)，該系統(tǒng)以無線通信技術來測量生理指標的傳感器為核心，設計了一種可擴展的照護系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型。該系統(tǒng)可以應用于家庭以及醫(yī)院病房，構(gòu)成遠程的家庭、社區(qū)以及醫(yī)院的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。

關鍵詞：MSP430單片機；無線傳感網(wǎng)絡； 居家照護； Zigbee

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）17-0223-03

A Health Care System Based on MSP430 MCU Experiment System and Sensor Technology

WANG Qian， JI Jin-shui

（Mathematics and Computer Science College of Northwest University for Nationalities， Lanzhou 730030， China）

Abstract： A health care system based on MSP430 MCU experiment system and Zigbee sensor technology and wireless local area networks， which takes the wireless communication technology to measure physiological indexes as a core and design an extensible system architecture model for the care system. The system can be applied to family and hospital wards， which constitute a remote family， community and hospital health care system.

Key words： MSP430 MCU； Wireless sensor network； Health Care System； Zigbee

1 引言

近幾年社會老齡化問題凸顯，子女白天要外出工作，沒有多余的時間照顧家中年邁或病殘的父母，如何更好地照顧老人引起了社會各界的廣泛關注。而基于無線傳感器網(wǎng)絡的Zigbee技術的出現(xiàn)，為居家照護老人提供了一種全新的技術手段。采用802.15.4協(xié)議以及數(shù)據(jù)傳輸能力強、可靠性高的Zigbee技術，具有近距離、低成本、低功耗、低復雜度、低數(shù)據(jù)速率、高度的靈活性等特點[1]。 這些技術不僅高效的推動了對老年人的居家照護，還對居家照護技術的發(fā)展有重要意義。

文獻[2]介紹了由Zigbee傳感器，無線局域網(wǎng)構(gòu)成的一種無線傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)療監(jiān)護中的應用。文獻[3] 中提出一套無線多參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)的設計方案， 并對方案的軟硬件實現(xiàn)進行了詳細的闡述。將無線通信技術、嵌入式Internet技術與醫(yī)療服務相結(jié)合，實現(xiàn)了對用戶進行遠程醫(yī)療監(jiān)護。文獻[4] 介紹了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡技術的嵌入式遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于家庭以及醫(yī)院病房，構(gòu)成遠程的家庭、社區(qū)以及醫(yī)院的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。文獻[5]提出了一種基于Zigbee的無線傳感器技術的病患監(jiān)護系統(tǒng)解決方案，該方案將測量到的人體脈搏數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡傳輸?shù)结t(yī)院控制中心，通過控制中心的軟件，使醫(yī)生可視化監(jiān)測病人的生理數(shù)據(jù)，并以此做出診斷評估。

本文主要基于MSP430單片機實驗系統(tǒng)及Zigbee傳感器與無線局域網(wǎng)設計了一種居家照護系統(tǒng)，該系統(tǒng)以無線通信技術來測量生理指標的傳感器為核心，設計了一種可擴展的照護系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型。系統(tǒng)中，通過終端設備來偵測老人的體溫或是否跌倒，并將信號及時傳送給看護者，即減輕了看護人員的負擔又提高了照護的品質(zhì)。

2 系統(tǒng)設計方案

系統(tǒng)的設計方案為：用傳感器節(jié)點對所要看護的老人進行生理信息的采集，采集到的信息經(jīng)加工處理之后通過Zigbee無線通信的方式傳送到監(jiān)護服務器，如果把該系統(tǒng)接入到Internet網(wǎng)絡中，老人的家屬或醫(yī)護人員就可以在其它地方登錄，隨時查看老人的身體狀況，一旦發(fā)生意外，立即援救。

Zigbee無線系統(tǒng)的組成部分有Zigbee無線傳感器節(jié)點、若干路由節(jié)點和Zigbee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)節(jié)點。監(jiān)護基站設備是整個Zigbee網(wǎng)絡的核心，管理無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和設備節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡分布在老人居住的家里，老人可以攜帶傳感器自由活動，所以Zigbee無線節(jié)點的通信距離設置為30m到60m之間，節(jié)點隨機分布，覆蓋整個活動區(qū)域。體溫、是否跌倒等生理數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關傳輸?shù)奖O(jiān)護服務器，監(jiān)護服務器負責數(shù)據(jù)的存儲和采集，醫(yī)療人員和家屬可以登錄監(jiān)護服務器查看。

3 系統(tǒng)的硬件設計

無線傳感器節(jié)點主要采集人體的生理信息，通過射頻通信的方式，將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)護基站設備。根據(jù)應用需求，節(jié)點的設計包括：傳感器單元、處理器單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、無線通信單元以及電源單元。節(jié)點的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：

傳感器單元對監(jiān)護對象進行相應的測量并采集數(shù)據(jù)，供處理器分析、處理；處理器管理整個網(wǎng)絡；無線通信單元負責與其它節(jié)點通信；電源則負責給各個電源供電。傳感器節(jié)點的設計主要有以下幾個單元：MSP430系列單片機及其外圍電路、Zigbee無線通信模塊、電源模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器節(jié)點以及加速度傳感器節(jié)點。

在無線傳感器節(jié)點的設計中，處理器是核心單元之一。 處理器單元負責節(jié)點的信息處理、信息傳輸?shù)穆酚蛇x擇和無線傳感器網(wǎng)絡的形成。根據(jù)具體應用的需求，在此選擇MSP430系列單片機[6]。MSP430處于最小系統(tǒng)下的外圍電路以及復位電路分別見圖2和圖3。

Zigbee無線通信模塊選擇的是Chipcon公司推出的CC2430，該模塊具有低功耗，靈活性高的特點，是唯一結(jié)合單片機技術和射頻通信技術的基于IEEE 802.15.4/Zigbee的Soc解決方案。CC2430模塊可組成各種網(wǎng)絡，并且可以通過增加一些外設組成功能更為強大的無線傳感器網(wǎng)絡。電源模塊選擇TPS73033芯片，該芯片輸出3.3V的電壓和200mA的電流，可以滿足需求，具體的電路連接如圖4所示。為了獲得最精確的測量值，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊選用ADS1100。ADS1100是精密的連續(xù)自校準數(shù)模轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入，高達16位的分辨率，封裝為小型的SOT23-6，低電流消耗，低噪聲，單周期轉(zhuǎn)換，按比例進行，依電源電壓為基準，每秒采樣8，16，32或128次以進行轉(zhuǎn)換，有增益放大器，允許對微小的信號進行測量，設計簡單，極易配置。ADS1100的方框圖如圖5所示。用戶可以通過8位的配置寄存器來控制ADS1100的工作方式、數(shù)據(jù)的傳輸速率和可編程的增益放大器設置，表1為配置寄存器：

在體溫測試中選取Pt100溫度傳感器，Pt100溫度傳感器具有精度高，穩(wěn)定性好、抗振動、耐高壓、外形小巧以及即插即用等特點，利用電阻值隨溫度的變化而變化的原理進行測試，并選擇惠斯頓電橋，為了保證獲取信號的穩(wěn)定性，電橋輸入的電壓應經(jīng)TL431穩(wěn)壓，為了得到高強度的信號，電橋的輸出信號應經(jīng)過兩級運算放大后再輸入到A/D轉(zhuǎn)換模塊。電路圖如圖6所示。在測試老人是否跌倒時采用加速度傳感器MMA7260，它是借助于單級低通濾波器、信號調(diào)理和溫度補償技術生產(chǎn)的電容式三軸加速度傳感器。任一物體的運動可以被分解為X軸，Y軸和Z軸上的運動矢量，而MMA7260就是通過運動物體在這三軸上的加速度來判斷身體姿勢的變化。人在運動過程中，重力起到關鍵的作用，在水平運動過程中，不小心發(fā)生意外跌倒，在X軸或Y軸上加速度、速度及位移肯定發(fā)生變化，在X軸還是在Y軸上發(fā)生變化，取決于跌倒的姿勢。

網(wǎng)關主要用于兩個高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡連接。網(wǎng)關又稱網(wǎng)間連接器或協(xié)議轉(zhuǎn)換器，是一個網(wǎng)絡連接到另一個網(wǎng)絡的關口。在此，網(wǎng)關對收集到的信息進行整理，并將信息傳輸?shù)竭h程的監(jiān)護服務器。介于數(shù)據(jù)處理能力，在此選擇數(shù)據(jù)處理能力強的基于ARM9的網(wǎng)關。

監(jiān)護服務器的設計主要實現(xiàn)對傳輸來的信息進行收集、保存以及顯示，以便醫(yī)療人員和被監(jiān)護者家人登陸到該系統(tǒng)查看信息。監(jiān)護服務器主要包括：存儲器、人機交互部分、通信部分和數(shù)據(jù)庫等。人機交互部分包括用戶可以輸入指令的鍵盤以及顯示結(jié)果和操作過程的顯示器。為了兼容性和適用性，在通信部分設置多種通信接口，如R232接口、射頻接口和modem接口。在使用當中，監(jiān)護服務器可以通過命令的形式來啟動傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點接收到命令開始執(zhí)行相應的采集動作，采集到相應的生理信息經(jīng)一定的處理之后，再傳輸?shù)奖O(jiān)護服務器，監(jiān)護服務器對接收到的信息存儲并在適當時顯示。

4 系統(tǒng)的軟件設計

在硬件設計完成之后，開始進入軟件設計的環(huán)節(jié)，軟件是整個系統(tǒng)的核心，靈活性強，根據(jù)具體的應用和功能應運而生。在此根據(jù)居家照護系統(tǒng)所要達到的目的和特定的環(huán)境，描述它的重要模塊的設計與實現(xiàn)。

當一個無線傳感器網(wǎng)絡建立成功之后，傳感器節(jié)點需要加入到這個網(wǎng)絡中，節(jié)點申請加入網(wǎng)絡成功之后，就處于接受測量相應的生理信息命令狀態(tài)之中，由監(jiān)護服務器發(fā)出采集生理信息的命令，傳感器節(jié)點的無線通信模塊接受到指令，啟動傳感器模塊，傳感器模塊采集信息，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換模塊處理之后進入處理器模塊，處理器模塊對采集到的信息進行分析，最后由無線通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)護基站設備。節(jié)點加入網(wǎng)絡流程圖及信息采集流程圖分別見圖7和圖8。

一個網(wǎng)絡建立成功后，路由節(jié)點申請加入，監(jiān)護基站設備一旦同意其加入，路由節(jié)點就處于無線監(jiān)控狀態(tài)下，路由節(jié)點負責數(shù)據(jù)的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)經(jīng)過若干個路由節(jié)點最終到達監(jiān)護基站設備或者直接達到監(jiān)護基站設備。路由節(jié)點加入及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程圖見圖9。

在此監(jiān)護基站設備相當于協(xié)調(diào)器，監(jiān)護基站設備負責網(wǎng)絡的建立，可以決定節(jié)點能否加入無線傳感器網(wǎng)絡并管理節(jié)點及數(shù)據(jù)傳輸信道的選取。如果網(wǎng)絡建立成功，監(jiān)護基站設備就處于監(jiān)聽狀態(tài)，接受來自遠程監(jiān)護服務器的生理信息采集的命令，并傳遞給相應的傳感器節(jié)點，同時接受傳感器節(jié)點和路由節(jié)點的申請，它是整個無線傳感器網(wǎng)絡的核心。監(jiān)護基站流程圖見圖10。

網(wǎng)關是一種連接器，可以連接兩種不同的網(wǎng)絡以達到無縫傳送的效果。在此，網(wǎng)關連通監(jiān)護服務器和Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡中的監(jiān)護基站設備，監(jiān)護服務器可以通過網(wǎng)關向傳感器節(jié)點下達命令，而被采集到的保存在監(jiān)護基站設備緩沖區(qū)的信息則可以通過網(wǎng)關傳輸?shù)奖O(jiān)護服務器，在兩通信者之間起到橋梁的作用，并可以對收集來的信息進行融合。網(wǎng)關工作流程圖見圖11。

監(jiān)護服務器負責啟動無線傳感器節(jié)點采集信息，并對傳輸來的信息保存及顯示，可以同時對多個老人進行監(jiān)護。老人的信息放在數(shù)據(jù)庫，家屬或醫(yī)療人員通過查看數(shù)據(jù)庫，獲取老人的信息，若發(fā)生意外可采取及時的援救。監(jiān)護服務器工作流程圖如圖12所示。

5 結(jié)束語

本設計的目的是提高老人生活質(zhì)量，節(jié)省子女照顧老人的時間，并且加進了醫(yī)療人員，能夠針對老人身體狀況提出專業(yè)指導。老人可以在家中自由活動，減少了局限性，提高了靈活性，對構(gòu)建健康和諧社會有重要的現(xiàn)實意義和社會意義。

參考文獻：

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