基于ZigBee的人體運動參數(shù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計

秦紅波

（武漢工程大學(xué)管理學(xué)院，湖北 武漢430205）

楊曉婧，蔣志昭

（武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢430205）

隨著社會的進步，人們對于自身健康狀況越來越關(guān)注，如何通過高技術(shù)手段為其提供方便快捷的健康監(jiān)測服務(wù)是重要研究課題［1－2］。目前，市面上現(xiàn)有的人體健康參數(shù)測量儀大都只測量人體的某一個參數(shù)，一般采取存儲式的非實時模式完成參數(shù)采集或使用有線方式來傳輸數(shù)據(jù)［3－4］，因而無法滿足要求。為此，筆者對基于Zig Bee的人體運動參數(shù)采集與分析系統(tǒng)進行了設(shè)計，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到健康人體運動參數(shù)監(jiān)測中，實時采集各類人體運動參數(shù)，結(jié)合上位機及其后臺數(shù)據(jù)庫，全面系統(tǒng)地記錄和分析人體的運動狀況，從而實現(xiàn)人體健康的智能化管理。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

人體運動參數(shù)采集與分析系統(tǒng)主要由ZigBee無線傳感器節(jié)點、ZigBee協(xié)調(diào)器和上位機監(jiān)控平臺組成，其整體框架如圖1所示。

圖1 人體運動參數(shù)采集和分析系統(tǒng)框圖

Zig Bee無線傳感器節(jié)點主要負(fù)責(zé)采集人體運動時的溫度、加速度、脈搏數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得出相應(yīng)能耗，通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)直接發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，或由其他傳感器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)至ZigBee協(xié)調(diào)器；Zig Bee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)為傳感器節(jié)提供路由信息，接收采集的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)通過USB傳送到監(jiān)控平臺；監(jiān)控平臺負(fù)責(zé)匯總各個Zig Bee無線傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，同時存入后臺數(shù)據(jù)庫，以便進行更細(xì)致的分析和管理。

圖2 ZigBee無線傳感器節(jié)點組成圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ZigBee無線傳感器節(jié)點

ZigBee無線傳感器節(jié)點主要由TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片與射頻電路、外圍電路、電源模塊、各類傳感器和顯示模塊組成（見圖2）。CC2530芯片集成了業(yè)界領(lǐng)先的射頻收發(fā)器、增強型的8051 MCU、256KB Flash和8KB RAM，其可編程輸出功率可達4.5d Bm，且有很高的抗干擾性能和接收靈敏度。為了實現(xiàn)人體運動參數(shù)的采集，選用的傳感器包括溫度、脈搏及加速度傳感器，其中溫度傳感器采用DS18B20，HKG－07B紅外脈搏傳感器，加速度傳感器采用MMA7455L，顯示器采用12864液晶。

圖3 ZigBee協(xié)調(diào)器組成圖

2.2 Zig Bee協(xié)調(diào)器

由于Zig Bee協(xié)調(diào)器在Zig Bee網(wǎng)絡(luò)中工作時間和工作量最大，因此需要外部電源供電以保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。Zig Bee協(xié)調(diào)器與無線傳感器節(jié)點的組成基本一致，只是少了傳感器模塊，另外增加了USB接口與上位機通信。Zig Bee協(xié)調(diào)器組成圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 Zig Bee傳感器節(jié)點

Zig Bee無線傳感器節(jié)點是作為Zig Bee網(wǎng)絡(luò)中路由和采集功能的節(jié)點，需要執(zhí)行協(xié)調(diào)器的控制命令，容許接收其他無線傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)且通過其加入網(wǎng)絡(luò)。此外，完成數(shù)據(jù)采集后將3個加速度參數(shù)進行處理后轉(zhuǎn)換得到能耗量，最后將結(jié)果進行顯示，同時反饋至協(xié)調(diào)節(jié)點或由其他路由節(jié)點轉(zhuǎn)送至協(xié)調(diào)節(jié)點。Zig Bee無線傳感器節(jié)點程序流程圖如圖4所示。

3.2 ZigBee協(xié)調(diào)器

Zig Bee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組織建立Zig Bee網(wǎng)絡(luò)并為加入到網(wǎng)絡(luò)中的各個采集節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址，允許各采集節(jié)點的加入和離開，建立和維護綁定、路由信息，接收ZigBee無線傳感器節(jié)點的反饋信息，最后通過USB串口連接到上位機。Zig Bee協(xié)調(diào)節(jié)器的軟件工作流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試

為了檢測人體運動參數(shù)采集與分析系統(tǒng)的實際運行情況，利用該系統(tǒng)對14位大三學(xué)生的能耗、脈搏和體溫進行測試（見圖6）。結(jié)果表明，每個學(xué)生的人體運動參數(shù)能夠即時顯示并同步存入數(shù)據(jù)庫中各自的參數(shù)信息表，說明該系統(tǒng)運行情況良好，具有可行性。

圖4 ZigBee無線傳感器節(jié)點程序流程圖

圖5 ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程圖

圖6 人體運動參數(shù)檢測與分析系統(tǒng)監(jiān)控平臺通信顯示圖

5 結(jié)語

設(shè)計了由無線傳感網(wǎng)絡(luò)和上位機監(jiān)控平臺共同構(gòu)成的2層分布式人體運動參數(shù)采集與分析系統(tǒng)，將在線測試技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)結(jié)合來實現(xiàn)查詢功能，為全面、系統(tǒng)地分析和管理人體健康狀況提供了一種解決方案，具有很好的實用價值。

［1］白凈，張永紅.遠(yuǎn)程醫(yī)療概論 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000.

［2］余海錢，廖海洋，王涵 .基于MEMS技術(shù)和無線射頻網(wǎng)絡(luò)的人體健康參數(shù)采集系統(tǒng) ［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2006，21（10）：2100－2102.

［3］熊俊俏，余賢捷.便攜式人體運動參數(shù)記錄儀的設(shè)計 ［J］.測控技術(shù)，2013，32：4－6.

［4］洪旭，陳峰.基于MMA7455L的汽車加速度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 ［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2013，5（2）：25－27.