基于ZigBee的空巢老人健康管理系統(tǒng)研究

謝 聰，姜曉紅

（1.廣西大學行健文理學院，南寧 530005；2.廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院，南寧530021）

一個社會的文明程度很大一部分取決于這個社會對老人和嬰童的關愛程度。養(yǎng)老資源的供給主體主要有老年人自身、家庭、國家、社區(qū)（集體）和社會。年輕人雖常年在外工作，但很多人經(jīng)濟基礎薄弱，再加上來自家庭、工作的各種壓力，讓很多老年人健康問題無法得到保障，特別是農村的老人，很多是未富先衰，沒有良好的健康管理概念，而且我國的物質財富還尚不能為那么多的老年人提供足夠的物質和社會保障，因此一款能夠便于老年人和患者在家里日常自行進行檢測的人體健康檢測系統(tǒng)非常具有現(xiàn)實意義，在醫(yī)療資源不充分的情況下能夠有效對醫(yī)療資源的合理分配改善，節(jié)省一定醫(yī)療費用的同時，還能預防疾病。利用現(xiàn)代科學技術構建一個監(jiān)護系統(tǒng)，于人于己，都大有裨益。古人云：老者近于父，長者近于兄；謹庠序之教，申之以孝悌之義，頒白者不負戴于道路矣！

1 現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)分析

隨著互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，國內健康養(yǎng)老平臺如雨后春筍般相繼出現(xiàn)，但是“銀發(fā)產(chǎn)業(yè)”的市場潛力并沒有被充分挖掘起來，中國目前健康服務業(yè)產(chǎn)值只占國內生產(chǎn)總值的5%左右，而美國早在2009年就已經(jīng)達到17.6%，目前存在的問題是產(chǎn)品通用性不強，功能過于單一，也沒有一個集預防、咨詢、診斷為一體的綜合健康管理平臺，社區(qū)家庭醫(yī)生的作用也沒有得到充分利用。目前存在問題為：不同設備采集的數(shù)據(jù)很難進行統(tǒng)一的存儲和關聯(lián)；難以統(tǒng)一傳送到遠端專業(yè)服務器；居家養(yǎng)老不能與社區(qū)養(yǎng)老進行很好的結合。因此，一款綜合管理系統(tǒng)顯得尤為重要。

目前，監(jiān)控系統(tǒng)GUI的開發(fā)軟件眾多，有QT、MFC、WinForm、WPF、enWin、Guix、LVGL、Java、Labview等。每款軟件都有自己的優(yōu)勢，有的占用資源少廉價但是可移植性不好，比如Labview，適合單片機類的小型開發(fā)，因此嵌入式Linux跨平臺系統(tǒng)開發(fā)，首選QT，監(jiān)控界面多線程并發(fā)通信，還支持TCP、UDP雙通訊模式，而且它自己提供了OpenGL模塊，不需要配置環(huán)境可以直接使用，編程功能非常強大。而且對于初學者而言代碼結構比較清晰，信號槽機制使得編程更加容易。自從2005年Google推出了基于Linux的Android的操作系統(tǒng)，因其平臺開放、硬件選擇豐富且等又方便接入移動互聯(lián)網(wǎng)，因此是醫(yī)療監(jiān)控智能穿戴設備軟件開發(fā)平臺的首選。因此本文開發(fā)平臺選擇QT5，利用不同的交叉編譯工具，可以同時發(fā)布在不同平臺上。

2 生理數(shù)據(jù)采集

從醫(yī)院了解到，目前住院病人日常監(jiān)護主要包括這4個方面：遙測心電監(jiān)護、遙測指脈氧監(jiān)測、遙測呼吸監(jiān)測、遙測血壓監(jiān)測、遙測溫度監(jiān)控等。居家健康監(jiān)護可以根據(jù)患者的經(jīng)濟水平和健康監(jiān)護需要進行自由選擇，畢竟不是任何人都能有條件把種類齊全的監(jiān)護設備全都安裝到家里，而且非重癥病人也不需要那么全方位的監(jiān)控，對于這一部分的人群更多關注的是某一指標的數(shù)據(jù)收集以及更好地預防，那么健康管理系統(tǒng)就要在這一方面給予更多的建議，這個管理平臺輔助患者進行健康的管理。因此設計一款集采集、處理、分析為一體的綜合管理系統(tǒng)在智能手機終端，在這個平臺上，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)對用戶進行關心和建議，并給出一些健康小貼士，還能有選擇性的跟附近用戶進行溝通健康相關問題。不僅可以身體上給予照料，還能從情感上予以慰藉，給予空巢老人全方位的呵護。

圖1 生理數(shù)據(jù)采集框圖

溫度與人體的免疫力、新陳代謝、自律神經(jīng)等都息息相關，無論是治療疾病還是遠離亞健康、瘦身美容，調整好自己的溫度，都是我們要做的第一步。在臨床實踐中，通常采用直腸溫度、口腔溫度或者腋窩溫度作為衡量機體深部的平均溫度。人體溫度目前家庭用的是普遍還是水銀溫度計、電子體溫計、耳溫槍、額溫槍（非接觸紅外體溫計）等。這幾種溫度測量方式各有自己的優(yōu)勢，對于人體溫度監(jiān)測都非常方便，然而對于需要實時監(jiān)測溫度的場合，這幾種溫度計都滿足不了人們的特殊需求。比如說嬰兒發(fā)高燒，我們做父母的都要熬夜幫其降溫、反復測體溫，懸著的心驅使我們睡不著吃不香。那么針對這種情況體溫自動監(jiān)測系統(tǒng)就顯得非常重要，經(jīng)調查，非接觸測溫有基于ARM的紅外測溫傳感器MLX90615ESGDAA，接觸式可穿戴的體溫監(jiān)測器，有基于藍牙的智能手臂環(huán)或可黏貼在腋窩的體溫計，比如有icooling、Smart、isee、raiing、iFever等等，主要利用熱敏電阻或者新型柔性溫度傳感器使得接觸測溫變得很便利。這些都可以在手機終端提供溫度變化曲線、發(fā)燒預警、用藥提醒等，為家長提供建議。其信號采集原理如圖2所示。

圖2 傳感器信息采集

心血管疾病已經(jīng)成為人類健康的頭號殺手，據(jù)調查大概有2.9億人心血管疾病患者，心電監(jiān)測傳感器，協(xié)助“家庭醫(yī)生”政策的實施，突破家庭健康監(jiān)測的一道關口，心電監(jiān)測領域，借助物聯(lián)網(wǎng)及生物醫(yī)學技術，已形成完善的心電監(jiān)護服務體系，為用戶、家庭、醫(yī)療機構、政府等提供心電監(jiān)護綜合解決方案，助您打開終端消費、醫(yī)療機構、政府等多方市場?；ヂ?lián)網(wǎng)遠程報告問診+智能穿戴心電監(jiān)測設備或是當下最合適的解決方案！通過智能心電記錄儀獲取心臟病患者的生理數(shù)據(jù)上傳至云平臺，人工智能自動預警，專職心內科醫(yī)生遠程判讀、實時主動監(jiān)護，發(fā)現(xiàn)異常及時通知患者或者緊急聯(lián)系人，提前預防心臟風險，形成一套便攜易用、高效管理的遠程心電監(jiān)測服務！心電傳感器可以采用arduino心電傳感器開發(fā)，利用單片機結合Zigbee，進行信號短距離的傳輸，再結合GPRS進行遠距離傳輸。

指脈氧傳感器是監(jiān)測人體血氧的一個重要傳感器，可以判斷病人是否有缺氧癥狀。而血氧飽和度直接反映人體呼吸功能及氧含量是否正常的重要生理參數(shù)，嚴重缺氧會導致窒息、休克、死亡等悲劇。心臟病、高血壓、糖尿病人，特別是老人都會有呼吸方面的問題，監(jiān)測血氧指標可以很好地了解自己的呼吸、免疫系統(tǒng)是否正常，因此血氧指標已成為普通家庭日常監(jiān)測的重要生理指標，一般認為血氧飽和度低于94%以下為供氧不足。

呼吸監(jiān)測傳感器，許多健身追蹤器和類似的裝置可以測量活動量，例如距離、速度和步數(shù)，但用來測量身體反應的能力通常僅限于心率。呼吸率以及呼吸方式是更有用的性能指標，但正如我們看到的那樣，其測量裝置也更加復雜。

血壓監(jiān)測傳感器主要有電容式的和壓阻式的，感應的是脈搏的震動。長期的高血壓使得血管壁變窄，會引起不同部位的血管爆裂，影響心臟、腎臟、大腦、眼睛瞪眾多部位，直接危及生命安全，因此對血壓的監(jiān)控就顯得尤唯重要，但是，日常監(jiān)護中，量了血壓之后沒有一個自動管理平臺，都是短時間的人手動記錄變化趨勢，對于長時間的健康預測是非常不利的。因此信息如何共享到智能手機管理系統(tǒng)，就是人們迫在眉睫需要解決的方案。

3 無線數(shù)據(jù)發(fā)送

隨著無線通信技術的快速發(fā)展，無線通信技術逐漸應用在遠程醫(yī)療當中，家庭監(jiān)護數(shù)據(jù)得以傳輸?shù)结t(yī)院監(jiān)護中心。國外遠程醫(yī)療發(fā)展較早，大部分是通過 WIFI、藍牙、UWB、NFC、Zigbee 等無線通信技術。ZigBee是國際通行的無線通信技術，工作在2，4GHz頻段，網(wǎng)絡可以容納的工作節(jié)點理論多達6.5萬多個，而目前廣泛使用的藍牙可以組網(wǎng)連接到一個無線局域網(wǎng)，但它在一個局域網(wǎng)內同一時刻只能尋址8個設備，其中1個為主設備，其它7個為從設備，wifi又難以滿足便攜式的場合，難以集成到網(wǎng)狀結構中，因此本設計研究采用ZigBee技術作為室內的無線傳輸技術。ZigBee目前廣泛應用在智能抄表、智能家居、遠程醫(yī)療等場合，因為它符合可移動、低功耗、節(jié)點靈活等優(yōu)點。ZigBee傳感節(jié)點設備分成3個部分：協(xié)調器、路由器、終端節(jié)點，目前也支持3種網(wǎng)絡拓撲結構：星型、樹型、網(wǎng)狀，根據(jù)不同的應用領域選擇不同的拓撲結構。

圖3 ZigBee無線傳感器拓撲圖

監(jiān)測的生理數(shù)據(jù)能夠通過ZigBee與GPRS移動通信網(wǎng)絡結合，直接把數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程醫(yī)療診斷中心。ZigBee節(jié)點之間選擇mesh網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸、點播、組播通信。協(xié)調器發(fā)送指令使終端設備休眠或喚醒，設計開發(fā)節(jié)點監(jiān)控管理系統(tǒng)，能夠監(jiān)視生理數(shù)據(jù)、電池電量等。設計采用CC2530芯片對老人的生理信息進行采集與傳輸，整個系統(tǒng)包括健康監(jiān)護終端、ZigBee局域網(wǎng)、智能終端、遠程監(jiān)護中心幾部分組成。利用ZigBee通信，首先要進行組網(wǎng)，在同一個局域網(wǎng)內，要保證3種設備的IEEE物理地址是一致的，其次要分配好網(wǎng)絡地址。ZigBee協(xié)調器是整個網(wǎng)絡的主控節(jié)點，負責發(fā)起網(wǎng)絡，設定網(wǎng)絡參數(shù)，管理網(wǎng)絡中的節(jié)點以及存儲網(wǎng)絡中的節(jié)點信息等，在網(wǎng)絡形成后可充當路由器，實現(xiàn)人體生理信息無線監(jiān)控終端和監(jiān)控中心的相互通訊。一旦實現(xiàn)通訊接口的統(tǒng)一，終端節(jié)點可以根據(jù)需要進行選擇，還可以擴展到智能家居領域。

圖4 ZigBee系統(tǒng)節(jié)點框圖

4 監(jiān)控系統(tǒng)設計

管理平臺可以包括呼叫中心，用于監(jiān)測老人生理狀態(tài)的智能監(jiān)測終端以及安裝在老人身上智能移動終端的第一客戶端，第一客戶端通過互聯(lián)網(wǎng)連接呼叫中心，第一客戶端將其本身獲取的位置信息以及接收來自智能監(jiān)測終端的生理信息及救助信息通過互聯(lián)網(wǎng)一并發(fā)送至呼叫中心：還包括安裝于親屬智能移動終端上的第二客戶端，第二客戶端通過互聯(lián)網(wǎng)與呼叫中心連接，向呼叫中心發(fā)送身份信息并獲取智能監(jiān)測終端所檢測到的生理信息、位置信息以及救助信息。

軟件監(jiān)控平臺搭建和傳感器的通訊采用QT5編程工具實現(xiàn)，相關的數(shù)據(jù)存儲在內嵌的SQLite數(shù)據(jù)庫，通過跨平臺編譯可移植在手機終端APP上，管理平臺模塊化如圖5所示。

圖5 監(jiān)控平臺模塊化設計

5 結束語

本文首先從空巢老人養(yǎng)老健康監(jiān)控的關鍵問題著手，即生理數(shù)據(jù)的采集和信息的傳輸，查詢大量資料對傳感器的選擇進行了簡單的分析，并進行實際調研，根據(jù)醫(yī)院老人在醫(yī)院的的實際監(jiān)控數(shù)據(jù)進行考慮監(jiān)控方案，并選擇目前比較熱門的居家監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)技術ZigBee進行信息的傳遞，當代社會老齡化很嚴重空巢老人人數(shù)居多，開發(fā)出一個實用的監(jiān)控系統(tǒng)，有著重大的意義，再結合智能家居，可以聯(lián)動社會上一切有利的力量，讓我們的生活變得越來便利。技術是保障，再加上社區(qū)、社會以及整個國家的努力，一定會為空巢老人或者受監(jiān)護者提供一個溫馨而又健康的環(huán)境，希望老人們“年垂九十身猶健，竹屋荊扉不厭低”。