基于ZigBee網絡的療養院應急系統的設計﹡

余園林， 費 凡， 胡志健， 路 昊， 項 威

0 引言

隨著社會的發展，退休老人為減輕兒女負擔選擇進療養院修養的趨勢越來越明顯，老年人醫療保障備受關注,到2020年，中國將基本建立覆蓋城鄉居民基本醫療衛生制度。而據調查，全球高血壓患者占三分之一,每一秒鐘，全球有36個人死于心臟疾病,老年人發病率居高不下[1]。如何實時、迅速、可靠地跟蹤老年人的身體狀況及其變化成為迫切的需求。在此方面無線傳感網絡,無線通信技術可充分表現其優越性[2-3]。

無線傳感網絡是一種大規模自組織網絡,綜合了傳感技術、嵌入式技術、信息處理技術和網絡通信技術，被認為是 21實際有巨大影響力的技術之一。ZigBee技術是一種短距離、低功耗、低成本及低復雜度的無線傳感技術。其廣泛應用于家庭、建筑、消費電子、工業制造和應急安全等多種領域[2-5]。目前國外將無線通信技術應用于醫療儀器的監護已經比較普遍[6]，國內近幾年也收到高校及許多商業公司的關注，但在我國醫療上普遍使用的監護系統還是有線監護系統[7]。有線監護系統雖然也能實現監測但成本高，布線復雜，難于維護，而且沒法保證被監護者的自由度。此外在我國，作為醫療衛生機構重要組成部分的療養院，醫療服務質量低下，只有極少數應用了有線監護系統，發展面臨困境。亟待一種低廉、快捷、高效的醫療服務體系帶其走出當前窘況[8]。

本設計創造性的建立在老年療養院這一場景，用ZigBee技術將醫療檢測與無線通信相結合，為療養院提供一種集體溫、脈搏、血壓跟蹤及語音呼救功能于一身的完備的實時監控應急系統。該系統不僅解決了有線監護布線復雜維護困難的問題，而且完全結合老年人心臟病、高血壓等疾病突發頻率高的特點，在保證老人自由度的基礎上實現了實時監測。該系統還能與 Internet網絡或其它網絡實現互聯，將發生特殊情況的老人的實時監測數據發給相關醫院急診中心。故可擴展性是其另一特點。

1 系統結構

本應急系統由療養院監控臺和 ZigBee節點構成。其中老人身上微型設備就是ZigBee網絡中的終端設備。終端設備集傳感和語音收發于一體，一方面采集所需要的監測指標，通過ZigBee無線通信將數據發送至監控臺，一方面還兼顧語音采集和接受的功能。當老人身體狀況發生異常，即某項指標超正常范圍時，監控臺通過軟件控制會立即反應，工作人員將迅速得知是哪位老人產生狀況，并采取語音呼救等其它措施。同時，控制臺還可通過TCP/IP協議將數據發送至醫院或其他控制中心，以保證緊急情況下老人得到及時有效的救治。本應急系統總括于圖1、圖2。

圖1 基于ZigBee網絡的療養院應急系統功能示意

圖2 基于ZigBee網絡的療養院應急系統模塊

2 系統主要功能模塊

2.1 身體參數監測模塊

身體參數監測模塊主要負責對老人生理狀況數據的采集、處理、打包和發送，設計中將TI公司研發的CC2530無線收發芯片及傳感器作為實驗工具。CC2530芯片完全支持ZigBee協議，主要是用來實現網絡的組建和通信[9]。傳感器部分包括檢測老人身體狀況的體溫、脈搏、血壓傳感器。其中體溫采集采用的是 DS18B20溫度傳感器，脈搏采用的是HK-2000A醫療集成脈搏傳感器，血壓采用的則是KNM無創血壓測量模塊。

老人隨身攜帶的終端設備的設備 ID號是不一樣的，故每個老人都有自己唯一的 deviceID，并以此來區分老人身份。在終端設備的軟件程序中我們用 void SampleApp_SendNwkMEMessage(void)子程序實現對體溫、脈搏、血壓的采集。子程序中建立長度為7的無符號整形數組，每個數組元素長度為8 bit。數組的前三個元素用來保存和識別老人身份，其余分配如下：

SampleApp_ReadPersonData(&devDescData[3],&devDescData[4]);devDescData[5] = readVoltage() ;

devDescData[6] = pulseNum();

其 中 SampleApp_ReadPersonData， read Voltage()，pulseNum()，分別是讀取溫度，血壓，脈搏函數。通過串口連接將數據傳輸給總控臺。圖 3為讀取溫度，血壓數據的流程圖。

圖3 溫度讀取函數流程和血壓數據讀取流程

由于KNM無創血壓測量模塊與DS18B20溫度傳感器類似，輸入進CPU的也是二進制的血壓數據，所以 readVoltage()函數算法與溫度類似故在此不再說明。

2.2 語音傳輸模塊

ZigBee技術大多數應用于小數據量的通信之中，但近幾年 ZigBee語音通信也受到高度關注。ZigBee傳輸速率在250 kb/s[10],只要將語音信息進行必要處理，ZigBee網絡仍然能應用于語音領域。總體構架于圖4。ZigBee語音通信分為三大模塊，即數據采集/接收模塊、數據處理模塊和無線傳輸模塊[10-11]。

圖4 ZigBee語音傳輸總體構架

2.2.1 數據采集/接收模塊

語音發出端的數據采集模塊包括模擬信號的采集、放大和A/D轉換。數字信號傳輸抗干擾能力強、可靠性強、安全性好，所以要進行模數轉換。但ZigBee網絡的理論傳輸速率是250 b/s，直接傳輸語音數據流比較困難。故在語音發出端要對語音數據進行壓縮，防止網絡負載過重，不穩定。常見的壓縮算法有u-law、a-law、ADPCM。我們選擇的語音采集芯片為WM8510，用微處理器驅動WM8510，再結合軟件實現語音采集的功能。

語音接受端的數據接收模塊包括語音解碼、D/A轉換、功率放大電路及耳機傳輸到人耳的一系列過程，相比較語音發出端而言少了語音數據壓縮這一過程。理想情況下最終傳輸到人耳的是高清晰度語音模擬信號。

2.2.2 數據處理模塊

微處理器在語音發出端要對采集的語音信號進行壓縮，還要控制協調其他模塊工作，所以系統對微處理器的要求較高。故設計中采用JN-5139開發模塊作為實驗工具。JN-5139是ZigBee低成本低功耗的微控制器，集成了32位RISC處理器、完全兼容的2.4 GHz IEEE802.15.4收發器。192KbROM、96KBRAM 以及豐富的模擬和數字外設，適合于ZigBee語音開發，也完全滿足系統中所需的語音功能[12]。

語音數據是通過自定義的數據結構進行管理。其中有數字音頻存儲數組，目的地址，下一音頻數字存儲數據首地址，音頻采樣率設置，音量大小，當前音頻應用狀態，當前使用的指針等。存放音頻數據的指針大小設置成128[13]。A_Data數據結構具體如下所示：

typedef struct

{ MAC_Addr_s DstAddr;

int16 *p16NxtDaEn1;

int16 *p16NxtDaEn2;

int16 *p16NxtAdEn1;

int16 *p16NxtAdEn2;

int16 a16DaBfer1[MAX_SAMPLE_BFER_SIZE];

int16 a16DaBfer2[MAX_SAMPLE_BFER_SIZE];

int16 a16AdBfer1[MAX_SAMPLE_BFER_SIZE];

int16 a16AdBfer2[MAX_SAMPLE_BFER_SIZE];

uint16 u16SmpFreq;

uint16 u16Vol;

uint8 u8CutDaBfer;

uint8 u8CutAdcBfer;

bool_t bAdBfer1Redy;

bool_t bAdBfer2Redy;

A_STATES eState;

}A_Data

2.2.3 無線傳輸模塊

由于語音傳輸也是借助于ZigBee網絡，ZigBee協議已經提供完備的傳輸協議，故在此不贅述。在該療養院應急系統中當需要語音呼救時，語音信息經打包以多跳的方式在 ZigBee網絡中傳輸到目的地，被其他人員接受。至此語音信息傳輸完成。

3 實驗驗證結果

本應急系統的設計在綜合測試過程中取得了初步的結果。傳感器采集數據，各項數據通過無線信道傳輸到網絡協調器，協調器再通過 DT-5002USB轉串口線將數據傳輸給控制臺軟件，通過控制臺軟件分析出老人身體是否正常，如若超過該老人身體參數的正常范圍，則以紅色警示，工作人員能夠快速、直觀、簡單的得知哪位老人發生緊急情況，然后采取語音呼救或其它應急措施。圖5為總控臺控制界面。

圖5 療養院總控界面

4 結語

基于ZigBee網絡的療養院應急系統集人體生理指標監測、語音呼救功能一體。系統的最大特點是實現了實時、準確、高效的監測，并且其功能具有完備性和可擴展性。該應急系統能快速反應緊急情況，使老年人在療養院享受自動化、網絡化、智能化的實時、完備、高效的醫療監測服務。有望改變當下我國療養院醫療服務能力低下發展艱辛的局面，對解決人口老齡化、空巢老人等社會問題產生積極的促進作用。在未來，將進一步開發該系統的軟件和硬件，進一步提高該系統的穩定性和實用性，讓該系統惠及更多的老人，將時時刻刻的關心和呵護送達每位老人身邊。

本療養院應急系統的設計得到國家級創新項目“基于移動自組網的療養院應急系統的研究與實現”支持。在研究中得到李德敏老師的巨大幫助和大力支持，在此特別感謝。

[1] 劉洋.心臟病的中國速度[EB/OL].(2010-10-01)[2013-05-15].http://paper.people.com.cn/gjjrb/h tml/2010-10/01/content_637366.htm.

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