基于 ZigBee 技術(shù)的老年人遠程保健監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計

0 引 言

我國人口老齡化具有速度快、規(guī)模大、健康水平堪憂等基本特征 [1]。同時，醫(yī)療體系應(yīng)對的主要是治愈急性和突發(fā)疾病，而慢性病和需要中長期治療的疾病卻很難得到良好的醫(yī)療條件和足夠醫(yī)生的救治，因此老年人的醫(yī)療資源更加匱乏。面對老齡化給社會帶來的諸多壓力，高新技術(shù)，尤其遠程健康監(jiān)護服務(wù)是改善救治手段和提高救治效率的有效途徑，基于 ZigBee 技術(shù)的老年人遠程保健監(jiān)護系統(tǒng)應(yīng)運而生。

國外對于健康監(jiān)測方面的研究早于國內(nèi)，美國軍方用于監(jiān)測士兵的呼吸、心電、體溫等參數(shù)。對于處于運動中的個 體，身體參數(shù)的變化能夠及時傳輸?shù)娇偪刂行倪M行實時監(jiān)測 [2]。隨著智能設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，實時監(jiān)測開始涉及云計算、云服務(wù)等新興技術(shù)，醫(yī)療監(jiān)測不只為了疾病的治療，更為了疾病的預(yù)防。后期歐洲提出“Healthy Aims”項目，利用植入式醫(yī)療傳感器監(jiān)測生理數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)通過ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸至看護中心以便向病人展開救治工作 [3]。

國內(nèi)的遠程醫(yī)療發(fā)展初期利用衛(wèi)星進行監(jiān)測，采用電話線傳輸醫(yī)學(xué)影像。1997 年成立的遠程醫(yī)療中心傳輸方式是郵件電話等，第三軍醫(yī)大學(xué)的研究項目“863”家庭數(shù)字化醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)使遠程監(jiān)控步入家庭 [4]。

近幾年，ZigBee 被應(yīng)用于遠程醫(yī)療監(jiān)測。2012 年金林、劉小欽等人設(shè)計了基于 ZigBee 技術(shù)的老年人監(jiān)護系統(tǒng)，可防跌倒，采集心率、血壓、體溫等數(shù)據(jù)，可在 PC 端建立檔案并進行管理 [5]。

1 硬件設(shè)計

ZigBee 技術(shù)是一種短距離，低功耗，低復(fù)雜度，低成本，低數(shù)據(jù)率的雙向無線通信技術(shù)。健康監(jiān)測的生理信號數(shù)據(jù)量不大，ZigBee 能夠滿足其數(shù)據(jù)傳輸要求。ZigBee 節(jié)點組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)靈活，可隨意加入或離開，并且有低功耗和低成本的特點。

基于 ZigBee 的老年人監(jiān)護系統(tǒng)分為采集模塊、協(xié)調(diào)器模塊和顯示模塊。采集模塊分為體溫采集和心率采集 ：CC2530 作為主控芯片，溫度傳感器選用 DS18B20，心率采集采用光電式心率傳感器 Pluse Sensor。協(xié)調(diào)器模塊采用CC2530，通過 UART 轉(zhuǎn) USB 數(shù)據(jù)線和 PC 端進行串口通信。顯示模塊是 PC 端，PC 內(nèi)部設(shè)置有串口助手，醫(yī)生可隨時查看采集的參數(shù)。ZigBee 無線監(jiān)護系統(tǒng)原理框圖如圖 1 所示。

1.1 體溫采集電路

本文系統(tǒng)選取 CC2530 芯片作為生理數(shù)據(jù)采集終端的控制芯片，DS18B20 芯片使用一根杜邦線接在前端，數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂菩酒羞M行處理。P0-7 引腳旁有板載電源和地，溫度傳感器直接插下去（面對扁平端，左負右正），3.3 V 接VCC，P0-7 接 DQ，GND 接 GND。具體連接電路如圖 2 所示。

1.2 心率采集電路

心率采集的控制芯片也是 CC2530，脈搏信號輸出的 S口接芯片的 P0-6 口，CC2530 的 I/O 口全部引出，其周邊電路接法如圖 3 所示。

1.3 系統(tǒng)采集模塊

本文系統(tǒng)的采集模塊有體溫采集、獲取心率和無線發(fā)送至終端節(jié)點（RFD）三個功能。采集模塊電路如圖 4 所示。

1.4 協(xié)調(diào)器模塊

協(xié)調(diào)器作為本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收端，包含無線收發(fā)和連接電腦的 USB 模塊。協(xié)調(diào)器控制芯片為 CC2530，對比采集模塊中的芯片，硬件電路中缺少了傳感器接口，其他功能則完全相同，不再贅述。

2 軟件設(shè)計

2.1 協(xié)調(diào)器模塊

本文系統(tǒng)采用 ZigBee 星型拓撲結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)器位于結(jié)構(gòu)中心。通過 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將其命令信息發(fā)送至終端節(jié)點，將終端節(jié)點讀取的數(shù)據(jù)存儲或通過串口通信轉(zhuǎn)發(fā)至微處理器。協(xié)調(diào)器工作流程如圖 5 所示。

2.2 終端節(jié)點

終端設(shè)備是執(zhí)行整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集和控制的對象。其主要功能是接收協(xié)調(diào)節(jié)點的命令信息，收集采集端的采集信息，并通過 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸?shù)?RFID。終端節(jié)點流程如圖 6 所示。

3 系統(tǒng)測試

將相應(yīng)的程序通過仿真器下載到協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點中，打開 PC 機上的串口助手，系統(tǒng)開始工作，模塊工作狀態(tài)如圖 7 所示。

打開串口調(diào)試助手，可測試室內(nèi)溫度。室內(nèi)溫度測試結(jié)果如圖 8 所示。頁面左半部分為終端節(jié)點采集到的溫度，右半部分為終端節(jié)點實時傳輸至協(xié)調(diào)器的溫度數(shù)據(jù)。若用手握住傳感器，則持續(xù)升溫，串口助手顯示溫度不斷上升，直至達到體溫數(shù)據(jù)，體溫測試結(jié)果如圖 9 所示，心率測試結(jié)果如圖 10 所示，此時心率數(shù)據(jù)為 80 次 /min。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)我國醫(yī)療現(xiàn)狀設(shè)計了一種基于 ZigBee 技術(shù)的老年人遠程保健監(jiān)護系統(tǒng)。該系統(tǒng)由生理數(shù)據(jù)采集模塊、協(xié)調(diào)器模塊和顯示模塊三個部分組成。系統(tǒng)將獲取到的體溫和心率等生理信息傳送至控制芯片 CC2530 進行處理，同時基于ZigBee 技術(shù)傳輸至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口轉(zhuǎn) USB 數(shù)據(jù)線連接至 PC 端，監(jiān)護者可在 PC 端觀察老年人的生理信息，為老年人提供健康監(jiān)控，做到患病時及時治療，健康時防患于未然。