基于ZigBee和PLC技術(shù)的社區(qū)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

隨著社會(huì)老齡化的日益加劇，對(duì)老年人健康的關(guān)心已經(jīng)成為重要的社會(huì)問題。另外，一些突發(fā)性疾病和家庭保健，如心血管疾病、孕婦、胎兒、嬰兒、幼兒的保健也需要長期的家庭監(jiān)護(hù)。所以，研究基于公用網(wǎng)絡(luò)的家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)，建立小區(qū)醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)，從而組成一個(gè)醫(yī)院護(hù)理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，不僅可以增加病人的安全性和改善人們的生活質(zhì)量，還能使醫(yī)院更有效地提高管理人員、醫(yī)生和護(hù)士的工作效率，協(xié)調(diào)相關(guān)部門有序工作。

在某些情況下，使用有線方式的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實(shí)施成本將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過購買監(jiān)護(hù)設(shè)備所花費(fèi)的費(fèi)用。例如，在一個(gè)多社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)中，把實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)病人的生理參數(shù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心及所有數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程備份，都是一筆龐大的開支，維護(hù)成本更是驚人。雖然引入無線監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)，可以解決一些問題，但基于藍(lán)牙、GPRS 等技術(shù)的社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)存在相應(yīng)的不足之處，如無線輻射的安全性、無線終端的快速移動(dòng)、無縫漫游和無線網(wǎng)絡(luò)成本等等。

ZigBee 技術(shù)的出現(xiàn)為傳感器信號(hào)的無線傳輸提供了新的解決方案。ZigBee節(jié)點(diǎn)有幾十米的覆蓋范圍，且可以增加路由節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展覆蓋范圍，另外它還具無線輻射小、傳輸數(shù)據(jù)安全和成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此適用于家庭住宅。同時(shí)由于生理監(jiān)護(hù)信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸流量不大，傳輸速率為250kbit/s的ZigBee能夠滿足生理數(shù)據(jù)傳輸要求。ZigBee傳感節(jié)點(diǎn)可自由靈活地加入和離開網(wǎng)絡(luò)，具有低功耗和低成本的特點(diǎn)。此外，電力線具有高速(骨干網(wǎng)速度已經(jīng)達(dá)到了上百Gbit/s)、以電力輸電線路作為傳輸載體(目前我國擁有全世界長度排名第二的電力輸電線路)等優(yōu)點(diǎn)，并且電力線載波通信被國外傳媒喻為“未被挖掘的金山”。我們可以看到，如果把ZigBee和PLC技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，它不僅彌補(bǔ)現(xiàn)有社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的一些弊端，緩解了居民對(duì)醫(yī)療監(jiān)護(hù)的需求，還很符合并不富裕的中國。

社區(qū)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的總體構(gòu)架

該社區(qū)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要分為三部分，如圖1所示。第一部分由若干個(gè)基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的家庭監(jiān)護(hù)單元組成，其中，無線通訊節(jié)點(diǎn)根據(jù)功能不同分為：無線傳感器節(jié)點(diǎn)和PAN協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有用戶隨身攜帶和可移動(dòng)性的特征，主要負(fù)責(zé)采集人體的重要生理參數(shù);而PAN協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)收集重要生理參數(shù)，并通過第二部分，也就是電力線網(wǎng)絡(luò)部分將這些參數(shù)發(fā)送到監(jiān)護(hù)中心(即第三部分)，這樣，由專業(yè)的醫(yī)護(hù)人員來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和觀察，提供相關(guān)醫(yī)療咨詢和服務(wù)，達(dá)到遠(yuǎn)程醫(yī)療的目的。

社區(qū)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分為：無線傳感器節(jié)點(diǎn)、PAN協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)(包括射頻通信模塊和電力線傳輸模塊)和監(jiān)護(hù)中心。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

社區(qū)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

ZigBee傳感節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的家庭監(jiān)護(hù)單元由于應(yīng)用環(huán)境主要是家庭，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍小，因此可直接采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即網(wǎng)絡(luò)主要由 3~5 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，即 RFD 節(jié)點(diǎn)(Reduce Function Device，簡稱 RFD)和一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，即FFD 節(jié)點(diǎn)(Full Function Device)組成。雖然 RFD 節(jié)點(diǎn)和 FFD 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)具體功能的不同，但為了增加通用性和方便維護(hù)，傳感器節(jié)點(diǎn)的基本電路相同。本文采用Freescale公司推出符合ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的MC13192射頻芯片。由于MC13192的射頻信號(hào)采用差分方式，而倒F型天線為單端天線，所以在芯片和天線之間使用巴倫電路，以達(dá)到最佳收發(fā)效果。本方案使用了巴倫電路專用芯片LDB212G4020C。UPG2012TK是射頻開關(guān)，工作頻率為0.5~2.5GHz，具有非常低的介入損耗和很高的隔離性能;封裝形式為6引腳的短引腳小型貼片封裝，可減小電路板占用面積。

另外，由于TI MSP430 系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，其中包括一系列器件，針對(duì)不同的應(yīng)用而由不同的模塊組成。這些微控制器可用電池供電，而且使用時(shí)間長。具有 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)，CPU 中的16個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使 MSP430 微控制器能達(dá)到最高的代碼效率;靈活的時(shí)鐘源可以使器件達(dá)到最低的功耗;數(shù)字控制的振蕩器(DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于6s的時(shí)間內(nèi)激活到活躍的工作方式。是一種低功耗類型的單片機(jī)，特別適合于電池應(yīng)用的場(chǎng)合或手持設(shè)備。其中，MSP430F449單片機(jī)內(nèi)部集成了60kB FLASH 存儲(chǔ)模塊，2kB RAM，6個(gè)I/O端口以及12位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC12等。較小的封裝和極低的功耗使其可以理想地與MC13192 結(jié)合，作為基于ZigBee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

MSP430F449和MC13192 通過SPI 總線連接。MSP430F449的SPI 接口工作在主機(jī)模式，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品?MSP430F449設(shè)為從機(jī)模式。MSP430F449通過4 線SPI接口對(duì)MC13192 的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，從而完成對(duì)MC13192 的控制以及數(shù)據(jù)通信。

電力線調(diào)制解調(diào)器

力合微電子具有電力線通信與控制基于多載波快速跳頻的專利技術(shù)，專門針對(duì)國內(nèi)電網(wǎng)環(huán)境而設(shè)計(jì)，具有較好的抗干擾性能，實(shí)現(xiàn)電力線可靠數(shù)據(jù)傳輸與控制。其專用芯片LME2200使用靈活、方便，為各種電力線通信與控制應(yīng)用提供了一款優(yōu)化的芯片方案。因此本文采用了LME2200芯片，調(diào)制解調(diào)器的硬件框圖如圖3所示。

該電路由信號(hào)發(fā)送電路、信號(hào)接收電路和過零檢測(cè)電路等組成，基本電路如圖4所示。

從圖4可以看出，發(fā)送電路由一個(gè)低通濾波器和一個(gè)功放構(gòu)成。低通濾波器的作用是濾除高頻信號(hào)成分并平滑DAC輸出信號(hào)的波形，功率放大器 (PA)的輸出通過一個(gè)耦合變壓器連接到電力線上，濾波器的帶寬由使用的載波頻率所決定。對(duì)功率放大器的要求是經(jīng)過變壓器后在2～100歐姆的阻抗下獲得 1-2Vrms的信號(hào)電平。另外，LME2200C支持半雙工工作模式。當(dāng)發(fā)送時(shí)(TX_BUSY低電平)用于打開功放，而在接收時(shí)(TX_BUSY為高電平)關(guān)閉功放以提高接收阻抗。而在接收通路中，經(jīng)耦合變壓器獲得的信號(hào)送片內(nèi)放大器放大，然后經(jīng)片外帶通濾波器后送芯片RXIN輸入端，由片內(nèi)接收機(jī)完成數(shù)據(jù)包的接收。過零檢測(cè)電路輸出一個(gè)方波信號(hào),它的上升沿在工頻信號(hào)的過零處，此信號(hào)被用作LME2200C的SYNC同步輸入，并作為收發(fā)同步的基準(zhǔn)。

軟件設(shè)計(jì)

① ZigBee傳感節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

ZigBee傳感節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集被監(jiān)護(hù)人的生理數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器，同時(shí)，接收來自協(xié)調(diào)器的相關(guān)指令，并根據(jù)這些指令進(jìn)行相關(guān)操作(包括自動(dòng)發(fā)送生理參數(shù)命令以及提示按時(shí)服藥等命令)。當(dāng)沒有執(zhí)行相關(guān)指令時(shí)，轉(zhuǎn)入休眠模式，節(jié)點(diǎn)功耗降到最低。ZigBee傳感節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖5所示。

②PAN協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

PAN協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中唯一的協(xié)調(diào)器，按功能可分為兩個(gè)部分，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)功能和數(shù)據(jù)傳輸功能。網(wǎng)絡(luò)維護(hù)方面主要是負(fù)責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)地址及維護(hù)綁定表。

數(shù)據(jù)傳輸方面主要轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)護(hù)中心對(duì)ZigBee傳感節(jié)點(diǎn)的命令，以及定時(shí)要求地ZigBee傳感節(jié)點(diǎn)將生理數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)給它，并轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)護(hù)中心。PAN協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)基本流程，如圖6所示。

③監(jiān)護(hù)中心軟件設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)還處于實(shí)驗(yàn)階段，所示只是把監(jiān)護(hù)中心軟件作為性能測(cè)試的演示系統(tǒng)。只是采用VC++6.0對(duì)該系統(tǒng)用戶界面和數(shù)據(jù)庫部分進(jìn)行編程，它采用循環(huán)輪詢的方式顯示各個(gè)監(jiān)護(hù)終端設(shè)備發(fā)來的生理參數(shù)，主界面如圖7所示。

結(jié)語

社區(qū)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在小規(guī)模實(shí)驗(yàn)中的調(diào)試結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)功能，通信質(zhì)量可靠穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，功耗小，成本低，個(gè)人監(jiān)護(hù)終端設(shè)備體積小巧。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)設(shè)備和個(gè)人監(jiān)護(hù)終端設(shè)備之間的距離可達(dá)70m，并且滿足數(shù)據(jù)傳輸的實(shí)時(shí)性、高效性的要求。本文社區(qū)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，為社區(qū)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究和發(fā)展提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也為其發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。

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作者：和思銘 程繼航 裘昌利 朱孟忠 空軍航空大學(xué)   時(shí)間：2009-12-11

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