基于ZigBee技術的老年求助呼叫系統的設計

邙靜巍

摘 要 設計一種基于ZigBee技術的老年無線求助呼叫系統。利用美國TI公司的CC2530芯片完成系統中協調器、呼叫器和應答器的硬件設計，軟件設計采用TI的Z-stack協議棧及IAR開發工具，在ZigBee協議的基礎上完成各模塊上的應用程序設計。

關鍵詞 呼叫系統；ZigBee；CC2530

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）02-0034-03

1 前言

項目背景 隨著我國逐漸進入老齡化社會，老年人數量越來越多，許多老年人患有各種老年性疾病，嚴重者會失去生活自理能力而長期臥床，而子女和家人不可能時刻伴隨著老人。基于ZigBee技術的無線緊急呼叫系統，就是在此背景下進行研究和開發的。當老人需要幫助，而家人又不在身邊時，可以通過手持終端上的按鍵發送求助信息，家人看到燈閃或聽到聲音就明白老人需要幫助，可及時前往而有效地利用時間。

ZigBee技術簡介 ZigBee協議是2001年6月成立的ZigBee聯盟專門為實現家庭及辦公室自動化的控制系統、醫療保健設備及自動化檢查系統的通信應用而開發的一種無線通信標準。與其他無線通訊協議相比，具有低速率、近距離、短時延、高安全、免執照頻段等特點，是以低復雜度、低成本、低功耗為目標的一種無線通訊協議。老年求助呼叫系統對數據傳輸可靠性要求很高，但每次需要傳輸的數據信號容量很小，要求呼叫端設備的重量和體積較小，這些應用要求與ZigBee協議的特點很吻合[1]。

2 系統總體結構設計

ZigBee網絡通常由協調器、路由器、終端設備三個節點構成，每個ZigBee網絡需要且只需要一個協調器，用來創建ZigBee網絡，并為最初加入網絡的節點分配地址；路由器節點有轉發數據功能，起到路由的作用；終端設備節點之間，只能與協調器節點通信，通常只周期性地發送數據[2]。本系統用于家庭網絡，研究表明，一般家庭面積25*25 m2內，ZigBee在此范圍的通訊誤包率基本為零[3]，因此不設ZigBee路由節點。本系統由一個協調器節點和五個終端設備節點形成一個星型網絡拓撲結構。

系統由病人呼叫器、協調器、應答器構成。系統總體結構如圖1所示。其中，中控器在網絡中充當協調器，負責建立和管理網絡、信號的轉發。呼叫器和應答器在網絡中充當終端設備。呼叫器用來發送呼叫請求和取消呼叫信息，應答器用來接收信息、取消呼叫。一個完整的無線系統呼叫相應過程如下：網絡協調器作為主節點加電后首先要建立一個ZigBee網絡，并等待子節點的加入；呼叫器、應答器節點加電啟動后，在有效范圍內隨后會自動尋找并加入該網絡，然后分別等待信息的輸入、處理及輸出。如果老人需要服務，就按一次呼叫器節點上的按鍵，呼叫信息就會通過ZigBee模塊發送報警信息給主控器[4]；主控器接收到報警信息時，做出相應處理后，轉發報警信息給應答器，進行聲光報警，同時轉發給呼叫器；呼叫器根據LED燈不同的閃爍情況，得知請求的處理結果[5]。

3 系統硬件及軟件設計

系統硬件設計

1）中央處理器模塊。本研究選用德州儀器的CC2530 F256集成芯片，該芯片集成了增強型8051微控制內核與的2.4 GHz的RF收發器，具有256 K的內存，系統內包括可編程閃存、8 KB RAM、A/D轉換器以及許多其他功能。同時具有網絡節點功能強大、喚醒與休眠工作模式多樣、材料成本低廉的特點，使得它更適應超低功耗要求的系統[2]。本系統節點主要由CC2530片上系統接收發射模塊、電源模塊、下載接口模塊（同時兼顧仿真接口）、發光二極管顯示模塊和獨立按鍵模塊等組成[6]。同時結合該公司開發的ZigBee協議棧（Z-Stack）為用戶提供了一個較好的ZigBee應用解決方案，可在此協議棧基礎上開發特定應用場合下的應用程序。選用CC2530，可相對簡化并降低硬件系統的設計難度。

2）協調器設計。網絡協調器是ZigBee簇狀網內各節點通信的核心，在網絡建立之初，每個網絡有且僅有一個協調器節點，主要負責網絡的發起、參數的設定、信息的管理及維護。根據所選擇的微處理器，硬件總體設計方案如圖2所示。協調器節點主要由處理器模塊、射頻模塊、電源管理模塊、復位電路、蜂鳴器、IDC10下載器插槽、串口等各外部接口等組成。因協調器要根據需要不停地查詢網絡中的信息，因此要外接穩定的電源，在終端的電源模塊基礎上增加了外部穩壓源接口。CC2530芯片作為射頻模塊，用于數據處理、接收和發射信號；蜂鳴器和LED指示燈分別用于聲、光報警。

3）呼叫器和應答器設計。呼叫器和應答器均為無線可移動設備，由電池供電。其電路框圖如圖3、圖4所示。CC2530芯片作為射頻模塊，用于數據處理、接收和發射信號；呼叫器的按鍵1、按鍵2可根據需要設置成不同需求的按鍵，如“衛生”“服藥”等，LED指示燈用于報警提示。

系統軟件設計 系統由1個協調器、1個呼叫器和4個應答器共6個節點組成一個星型網絡，由于本文使用TI公司的CC2530芯片進行硬件設計，故在軟件設計時采用了與之配套的，同為TI公司的Z-Stack協議棧，開發環境選用IAR7.60，TI Z-STACK協議棧可方便地組建自己的無線通信網絡。在ZigBee協議棧中，已經實現了協調器、路由器以及呼叫器的程序，在此基礎上，根據無線呼叫系統的硬件設備的實際情況，用IAR Embedded Workbench軟件開發工具編寫相應的應用程序并進行調試，最終下載到芯片上加以實現。

1）協調器。協調器的工作流程如圖5所示。協調器上電后，首先進行設備初始化，包括硬件電路初始化、寄存器初始化、協議棧初始化、操作系統初始化。然后進入執行操作系統，進入無限循環的任務執行程序中。系統定義了“UARTGetchar（）”函數，負責接收呼叫終端發送過來的字符，ZigBee將接收到的字符傳給此函數。

本項目定義一個變量，通過if語句來判斷老人是否發送了請求。當條件滿足后，才會執行控制函數，從而控制協調器上LED警示燈閃爍[7]。

2）呼叫器與應答器。作為ZigBee網絡終端節點的呼叫器、應答器的初始化過程與協調器基本類似。如圖6所示，呼叫節點首先進行系統初始化，然后加入網絡，進入休眠模式；當有呼叫請求時，按鍵中斷喚醒，把請求信息發送給協調器。在CC2530開發板本身設計的3個按鍵中任選一個按鍵，定義“key_get（）”函數，用來判斷按鍵是否被按下，若按下了，則通過“uart_puts（）”函數把設定好的字符通過UART串口給發送出去。與此同時，執行“BuzzerSound（）”求助警鈴函數，通過定時器來控制聲音。在接收到控制命令數據后，發送數據到協調器，若發送不成功，將延遲1 s后重發。

如圖7所示，應答器工作流程與呼叫器基本一致，不再贅述。

測試結果 通過抗干擾能力測試，ZigBee通信網絡數據傳輸可靠性高，基本不受家庭中各種家用設備的干擾[3]，在普通的家庭環境中誤包率基本為零。

4 結束語

本文利用ZigBee自組網絡技術，采用CC2530作為射頻收發芯片，設計了老年呼叫系統，創新點在于呼叫器可根據老人不同需求發出不同信號。老人求助終端不僅適用于家里的老人，其他因傷、病、殘等原因造成行動不便而需要被人照顧飲食、衛生、就醫等病人也可使用該功能。系統能耗低，價格便宜，有較好的市場應用前景。

參考文獻

[1]趙惠軍，曹陽，孫艷靜.基于ZigBee協議的病房呼叫系統研制[J].醫療衛生裝備，2008（7）：56-59.

[2]蔡麗婷，陳平華，羅彬，等.基于CC2530的ZigBee數據采集系統設計[J].計算機技術與發展，2012（11）：197-200.

[3]趙錦萌，吳效明，張莉莉.面向家庭的ZigBee醫療監護網絡研究[J].計算機測量與控制，2012，20（3）：780-783.

[4]鄒劼，陳盛云.一種基于ZigBee技術的病房無線呼叫系統的研究與設計[J].鄭州輕工業學院學報：自然科學版，

2011（12）：95-98.

[5]翁慧，郭裕順.基于ZigBee技術的無線呼叫系統設計[J].杭州電子科技大學學報，2009（6）：40-43.

[6]劉毅力，焦尚彬.基于CC2530無線傳感網絡系統的設計[J].現代電子技術，2013（2）：43-46.

[7]羅回彬，鐘偉洲.基于ZigBee技術的門鈴及老人求助系統[J].單板機與嵌入式應用，2012（4）：73-74.