養老系統設計與環境檢測模塊分析

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摘要：針對目前人們對于現代型養老的高需求、高要求同養老機構護理的高難度、高成本、低效率的矛盾與沖突，采用模塊化設計方法，設計一種基于ZigBee無線定位和數據傳輸技術的實時監測養老系統，以實現對老人進行實時定位、對其生理參數進行實時監控，出現異常及時告警和環境監測的功能。該系統能夠滿足現代型養老的更多需求，提高護理效率，降低護理成本和難度。

關鍵詞：ZigBee；模塊化設計；定位技術

我國是當今世界老年人數最多的國家。針對人口老齡化不斷加劇的基本國情，我國把積極應對人口老齡化提升為國家戰略，力求讓每位老年人都能生活得安心、靜心、舒心[1]。隨著生活水平的提高，人們對于現代型養老的高要求同傳統的健康監護設備高難度、高成本、低效率的矛盾日益增大[2]。在國外，目前已經有了一些利用有線和無線通信技術的監護設備研究成功的案例[3]。為了提升養老機構的監護能力和服務水平，國內有越來越多的科研人員投身到結合智能化技術（如物聯網技術、智能感知技術、無線傳輸技術等）的養老機構的研究中。本論文設計一種基于ZigBee無線定位和數據傳輸技術的實時監測養老系統，該系統能夠及時有效應對老人可能出現的突發情況（摔倒、突發疾病等），監測保障患有慢性病老人的生命安全，增加他們晚年生活的幸福指數。

1系統概述

本系統主要由移動檢測終端、監控基站和PC監控中心三個部分組成，相互之間通過室內外ZigBee無線網絡與局域網進行連接。移動檢測終端即老人手上所佩戴的智能手環，由CC2538芯片作為智能手環微處理器，使其具備定位、采集信息以及語音緊急呼叫三功能為一體。監控基站作為中間連接的部分，將移動終端采集到的信息發送到PC監控中心，主要負責建立擴大化網絡、收集并發送網絡信標、控制移動終端工作等，起著至關重要的作用。PC監控中心主要執行生理參數分析和位置、環境數據的監測，同時具有在WEB界面上實時顯示、存儲、報警和實時分發信息的功能[4]。系統框圖如圖1所示。

2ZigBee無線技術

ZigBee技術是繼WiFi、藍牙之后新一代的無線通信技術，它的最大特點就是低功耗、可組網。其在成本和功耗方面優于WiFi，而從可支持的網絡節點數量角度來說ZigBee比藍牙更適合需要大量終端和節點的架構。但是傳輸速率遠不及WiFi和藍牙[5]。綜合考量之后，該系統選擇ZigBee技術運用于養老院系統內部信息的傳輸，通過建立監護基站來克服其網絡通信距離短、覆蓋范圍小（ZigBee技術的通信距離在75m內）的缺點，擴大其覆蓋范圍到直徑150m左右來滿足大部分養老院的需要。

3系統硬件設計

本系統采用由TI（德州儀器）公司生產的CC2538芯片為硬件平臺進行模塊化設計，智能手環由生理參數檢測、語音燈光、環境檢測、位置檢測和無線收發五個功能模塊組成。其中生理參數和環境數據的采集由傳感器來完成，部分需通過模-數轉換后再將數據傳輸至CC2538。此芯片作為智能手環的微處理器，負責數據的收發、運算、存儲等，最終實現定位、采集信息與語音緊急呼叫功能。

3.1核心芯片

CC2538是一款針對高性能ZigBee應用的理想片上系統（SoC）芯片。它包含基于ARMCortex-M3的強大MCU系統，具有高達32KB的片上RAM和高達512KB的片上閃存以及可靠的2.4GHzIEEE802.15.4兼容RF收發器。這使得該器件可實現最大的靈活性，能支持具有多達數百個端節點的網狀網絡，能夠處理涉及安全性、要求嚴格的應用以及無線下載的復雜網絡堆棧。32個通用輸入和輸出（GPIO）以及串行外設接口可實現到電路板其他部分的簡單連接。其具有保持功能的低功耗模式可實現從睡眠狀態中快速喚醒，并且大大降低了執行周期任務時的能耗。此外，該芯片具備精確的數字RSSI/CCA特性，可以實現定位功能，能夠很好地滿足設計需要。

3.2環境檢測模塊

環境檢測模塊包含溫度測量、煙霧濃度測量和空氣質量檢測三個部分。（1）溫度測量采用溫濕度傳感器芯片HTU21D，其可以直接與微控器接口連接輸出經過校正的線性的I²C數字信號，電路簡單，數據精度高。此外，HTU21D專為低功耗小體積應用設計，響應速度快，抗干擾能力強。（2）煙霧濃度測量采用MQ-2型傳感器。此傳感器成本低且靈敏度高，可檢測到多種可燃性氣體，具有良好的抗干擾性和穩定性，檢測可燃氣體與煙霧的范圍是100～10000ppm。（3）空氣質量檢測采用TGS2600半導體空氣傳感器。它能夠靈敏地感知空氣中低濃度污染物的異味，監測空氣質量的變化。與其他空氣傳感器相比，具有成本低、壽命長、體積小、穩定性好等特點，為實時監測空氣質量和通風換氣設備等提供了方便可靠的方法。

3.3生理參數測量模塊

3.3.1體溫測量采用美國DALLAS公司生產的DS18B20單線數字集成溫度傳感器實現體溫測量。此傳感器僅用一條I/O口線就可實現CC2538與DS18B12的雙向通訊。可以省去濾波、A/D轉換等模塊，系統結構簡單的同時節約了硬件成本，且測量精度高，抗干擾能力強。在掉電時，它仍可保存分辨率及報警溫度的設定值，是一款可靠性很高的傳感器。3.3.2心電、血氧、血壓、心率測量采用深圳加一健康科技有限公司研發設計的PLUS101模組實現對心電、血氧、血壓、心率四個參量的測量。該PLUS101模組所具備的特點有：（1）內置專業的醫療級算法，滿足YY0885-2013、IEC60601-2-47醫療專標要求；（2）輸入阻抗≥500MΩ，在人體皮膚干燥情況下也能測出心電圖；（3）共模抑制比≥100dB，能夠濾除人體上攜帶的50/60Hz工頻信號，使波形更干凈平穩；（4）支持心率失常分析，具有偽差識別功能；（5）低功耗；（6）可同時采集PPG光電傳感器+ECG心電芯片發出的生物信號，實現對心率和血壓更精確的測量。PPG光電測量心率用于全天自動記錄，系統統計剔除誤差，得出平均水平。ECG心電測量用于單次精準測試，全面評估心臟的工作狀況。此芯片模組支持SPI/I²C接口，可直接與CC2538芯片對應接口相連接。

3.4語音燈光模塊

語音緊急呼叫功能借助深圳清月電子有限公司生產的KT404A語音芯片實現。此芯片集成了MP3、WAV的硬解碼，同時軟件支持工業級別的串口通信協議，以SPIFLASH（超小型封裝）或者TF卡、U盤作為存儲介質，通過簡單的串口指令即可完成播放指定的語音，以及如何播放語音等功能，具備包括串口模式在內的多種控制模式，使用方便，穩定可靠。在更新語音文件時通過Miniusb接口即可，無需安裝任何軟件，支持XP和WIN7系統。本系統中，PC監控中心根據監控基站傳遞過來的生理參數與系統設定的正常參考值相比較，若超出正常范圍，則啟動語音模塊來提醒老人和護工。與此同時，燈光模塊中對應床位燈應閃爍，所需燈盞數依據實際床位數來定。

3.5位置檢測模塊

基于CC2538芯片具備精確的數字RSSI/CCA特性的優點，本系統采用RSSI定位技術來對老人的實時位置進行檢測。位置信息的采集通過讀取CC2538芯片內置的接收信號強度指示器得到RSSI值，再根據定位算法，借助被測終端與固定的監控基站、其他檢測終端之間的相互通信計算出所處位置對應的具體化坐標并存儲。

3.6無線收發模塊

無線收發模塊負責與其他檢測終端、監控基站進行通信、交換控制信息和收發生理和環境信息等。主要由CC2538芯片、射頻部分、監控基站及天線等構成，該模塊把采集到的信號傳輸至PC監控中心進行進一步的處理和操作。其中射頻部分由功率放大器和低噪聲放大器構成。采用兩節干電池和DC-DC升壓變換器構成了傳感器節點的供電單元，穩定輸出3.3V，滿足系統供電要求[6]。系統通信網絡主要由ZigBee無線網絡和Wi-Fi局域網兩部分組成。ZigBee無線網絡由檢測終端（CC2538芯片RF模塊）、監控基站、網關協調器構成，采用樹狀網絡和網狀網絡結合的網絡拓撲結構。網關協調器作為兩個無線網絡的連接點，實現ZigBee和Wi-Fi兩種協議之間數據轉換和傳輸。PC監控中心與網關協調器之間采用5GHz的Wi-Fi通信。

4系統軟件設計

4.1下位機軟件設計

下位機軟件的設計主要包括基于CC2538的傳感器數據的采集和處理、體征信號參數的計算和移動檢測終端位置信號的提取。在ZigBee網絡覆蓋下，本系統采用基于RSSI的實時定位算法DMBS來實現對老人實時位置的定位。RSSI定位技術指通過接收到的信號強弱測定信號點與接收點的距離，進而根據相應數據進行定位計算。而DMBS算法的主要思想如：將一個監控基站作為一個位置已知的靜態節點，用于收集各個基站之間相互傳輸的信息，主要包括各基站的坐標和發送、接收消息的RSSI值，在基站上利用最小二乘法建立相對應的信號衰減模型；接著基站利用多跳傳輸路徑將信號衰減模型發送給各個未知節點（檢測終端），而各個未知節點根據信號衰減模型和其自身到鄰近基站的信號衰減值，估算到鄰近基站之間的距離，在得到距三個或者三個以上基站的距離后，在未知節點上進行坐標定位的計算。這樣便可解決在用RSSI進行定位時，信號衰減模型隨環境的動態變化而導致的節點定位精度較低的問題，而且運用RSSI進行定位不需要增加額外的硬件，相對于其他算法具備較高的定位精度。未知節點的位置信息被算出后便打包成數據包通過基站發送給監控中心、其他基站和終端。PC監控中心從3個或3個以上的基站處接收數據包信號，獲得老人（檢測終端）的實時位置并將其存儲更新。

4.2上位機軟件設計

PC監控中心作為系統的上位機，負責對整個系統進行協調與控制，主要執行生理參數分析和位置、環境數據的管理，同時具有在WEB界面上實時顯示、存儲、報警和實時分發信息的功能。設計內容主要包括系統管理、數據分配、定位顯示、參數分析與報警和告警5個模塊，上位機軟件基于LabVIEW實現。

5結語

本文設計的系統，在ZigBee網絡和局域網的覆蓋下，可以實現對老人生理參數、周圍環境以及所處位置的實時監測，為應對無人看護時可能出現的突發情況提供了一個有效的解決辦法。本系統具有較高的靈活性和擴展性，適用于養老機構、社區甚至家庭養老。同時，該系統能夠為護理人員后續分析老年人的移動特點、改進機構設施或者病情診斷提供較為精確的數據支持，具有一定的社會意義。

參考文獻

[1]胡春艷.“一老一小”的服務供給亟待升級[N].中國青年報,2021-03-08(01).

[2]楊兆輝,姜宇,梁麗麗.基于ZIGBEE的身體健康監測系統設計[J].黑龍江科學,2017(4):28-29.

[3]呂志剛,李芍,黃義國,等.養老院智慧監護系統[J].工業控制計算機,2018(8):60-61+64.

[4]任鵬玲,李立峰,陳龍圖,等.養老機構老年人移動體征監測系統設計[J].中國醫療器械雜志,2014(2):110-113.

[5]盧俊文.ZigBee技術的原理及特點[J].通訊世界,2019(3):35-36.

[6]薛儉雷,田春華.基于ZigBee無線傳感網絡的醫療監測系統硬件平臺的構建[J].雞西大學學報,2014(5):59-60.

作者：劉藝葦 崔欣 錢晨 李馨怡 單位：江蘇師范大學江蘇圣理工學院