基于無線傳感網絡的老年智能健康系統研究

南楠

摘要：針對中國老齡人口快速增長和空巢老人難于照顧的現狀，設計一種基于ZigBee無線傳感器網絡技術的老年人健康監測系統。該系統將ZigBee技術、城市網格化管理、虛擬現實技術結合到一起，建立一個實時、精確、精細的老年人健康監測系統，從而全面提高社區老年健康管理的效率、質量和水平。

關鍵詞：無線傳感網絡 ZigBee技術 實時監控 老年人健康

中圖分類號：TP277 文獻標識法：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

Abstract：According to the present situation of the aging population and the rapid growth of Chinese Empty Nester difficult to take care of the design of a health monitoring system based on ZigBee wireless sensor network technology of the elderly. The system combines ZigBee technology， urban grid management， virtual reality technology to build a real-time， accurate and fine elderly health monitoring system， so as to improve the efficiency， quality and level of the elderly health management in the community.

Keywords：Wireless sensor network；ZigBee；Real-time monitoring；Old people's health

隨著中國經濟和科技的高速發展，退休制度的改革，空巢老人增多、失能和半失能老年人比例加大等現象的出現使人口老齡化問題日益凸顯，養老資源嚴重不足。老齡社會的標準是60歲以上老人占總人口的10%，65歲以上人口達到7%，而我國早在1999年已進入老齡社會[1]。同時根據最新的研究報告指出，到2020年中國將迎來“養老年”的一個小高峰，到2050年，中國老齡化人口將達到總人口的三分之一，75歲以上的高齡老人現以100萬/每年的速度再增長。

雖然現已提出的有養老院養老、社區養老、以老養老等，但高昂的費用、短缺的人手、無制度化的監管問題都使老人的生活、護理、醫療保健等無法有效實現。因此，研究設計新型高效的老年智能健康監控系統迫在眉睫。本文提出一種基于ZigBee技術的主動監測老人生命體征和運動安全狀況的系統，提高老年健康服務質量。

1 Zigbee技術

ZigBee技術是近幾年發展起來的一種適用于短距離范圍、結構簡單、傳輸速率較低、成本低廉的連接各種電子設備的無線通訊技術。ZigBee的基礎協議是基于IEEE802.15.4進行工作，把整個協議架構劃分為四層：物理層、MAC層、網絡層和應用層，支持星型、網狀和樹形三種基本網絡結構。良好的擴展性和安全性使其應用范圍廣泛，常被用于工業、商業、農業、健康醫療、家庭、電玩業等許多領域[2]。

無線傳感器網絡包含的傳感器節點由數個到數千萬個，高密度的分布方式使網絡具有高可靠和高穩定的數據傳輸能力，ZigBee技術與無線傳感器網絡的結合將雙方的應用領域無限擴寬。ZigBee網絡中節點設備分為兩類：全功能設備和半功能設備。全功能設備具有網絡中所有類型設備的功能，可隨意轉換，一般在使用時作為路由器、協調器或終端設備。Zigbee協調器作用是建立無線網絡，選擇空閑信道以及一個PANID構建基礎網絡，等待周邊傳感器節點的請求加入，同時在 網絡層中建立安全管理應對應層的各種綁定請求。網絡構建完成后，協調器的功能轉變為路由器，收集節點采集到數據并通過路由算法計算后轉發至網關節點，上傳到管理系統中。路由器擴大了網絡的覆蓋范圍，允許多個節點加入網絡，工作過程中可不間斷擴展信號的傳輸范圍。終端設備在不工作時處于休眠狀態，當發現檢測目標后被激活，相對于電力的消耗極小一般可持續工作半年到二年。

2 老年智能健康系統設計

系統設計結合先進的計算機技術與科學的管理手段，注入人文關懷因素調動周邊的人力物力所有資源。將一定范圍內老年人建立起自查網絡，對每位老年人建立單獨管理模式，監測其日常行為、醫療護理、健康基本參數（如血壓、體溫、脈搏等），與系統設定基礎值對比，分析、預測、警示潛藏的危險因素，全面提高老年人群的生活質量，更好保障老年人群身體、心理的健康發展 [3]。

老年智能健康系統是老人生活醫療保障的重要組成部分，主要以ZigBee技術為基礎，融合嵌入式、通信、計算機等技術，全面監控老年人的日常行為、健康指標、心理素質、病情發展等參數，分析對比生成數據結果提出預警報告，實現提高老年人生活質量、保障身體健康長壽的目的。研究重點在于監測老年人生命體征與運動狀況，并根據個體情況提出相應的健康生活方式預案或出現異常情況時及時發出報警信號。

整個系統主要包括無線傳感器網絡、網格化管理平臺、智能健康監護系統、可視化服務界面。無線傳感器網絡中包括采集節點和傳感器節點，協調器控制處理各個節點采集數據建立綁定，其他路由器或者傳感器設備節點自動發現該網絡，并加入該網絡；傳感器設備節點采集來的老人生命體征數據通過GPRS模塊或外網傳輸至PC端，由上位機軟件進行解析；經過解析后的數據，以圖形的方式在PC機上顯示，供監控中心的管理人員查看老人的身體健康狀況，提出針對性的預警方案，具體的系統結構如圖1所示。

3 系統硬件設計與實現

系統的硬件設備主要包括ZigBee無線傳感器節點、PC機、GPRS模塊、網卡、嵌入式服務器。ZigBee無線網絡的建立主要包括采集節點和傳感器節點兩種類型。采集節點的主要功能有兩種：一是作為協調器，選擇信道建立新的ZigBee無線網絡；一是作為路由器，與PC機建立連接，接受上位機軟件的指令，發給節點同時接受節點信息反饋給上位機分析處理。傳感器節點作為終端設備，設計為可佩帶式便于老年人攜帶，網絡檢測到終端設備會自動綁定該節點，實時采集老年人脈搏、血壓、體溫等數據，通過GPRS模塊或網關發送數據，顯示在PC機上位機軟件上，供專業人士分析、處理[4]。

網絡的形成主要通過Zigbee協調器，在物理層和控制層編寫硬件驅動程序完成兩層的控制操作，在編寫網絡層和應用層編碼。通過鍵盤接收命令，當用戶按下XM1傳感器節點被設定為協調器，初始化網絡并使用通用接口與網關交換數據，當不設置時節點作為路由設備完成路由功能。鍵盤按下XM2時，首先對網絡初始化，將每個采集節點綁定到協調器自建網絡中，采集數據時作為終端設備使用，當數據需要跳轉節點配置為路由器，實現尋址和轉發消息功能。Zigbee硬件設備配置流程如圖2。

每個硬件節點設備具有獨立參數，相同協調器自建網絡中設備的配置參數值相同，組網時終端設備發出請求等待回應，允許加入系統會自動分配地址給終端節點（16位短地址或64位長地址），當所有終端節點都加入網絡后，上位機即可發出指令采集數據信息 [5]。

硬件整體上分為兩大塊：感知生命體征的硬件設備和組網硬件設備。感知生命體征硬件設備包括血壓測量設備、體溫監測設備、脈搏監測設備和監測老年人日常行為的三軸加速傳感器。嵌入式血壓儀采用華科的HKB-08測壓模塊，可直接使用USB接口與PC機連接，更方便用戶按需二次開發。體溫和脈搏傳感器采用HKT-09A和HK2000G集成脈搏傳感器，二者都具有良好的復用性和穩定性。三軸加速傳感器對監測物體未知方向下運動軌跡有顯著作用，可測量老年人行動空間速度，監測到跌倒狀態，這里采用BMA220傳感器，體積小、功耗低，可嵌入到隨身佩戴設備中。組網硬件設備包括MCU、PC機、網卡、GPRS傳輸模塊，本系統中無線MCU使用的是TI公司的CC2630，是一款經濟高效型超低功耗2.4GHz 的微控產品，適用于在系統處于休眠模式時連接外部傳感器或自主采集模擬和數字數據。PC機要求至少為安裝window7.0以上版本的操作系統，500G以上硬盤空間，具有無線接收模塊，具有USB接口和RS232串口，主頻為1.7GHz以上。嵌入式服務器構建在嵌入式處理器上，采用的是TI公司的MSP430FR2433混合信號微控制器，是一款低功耗高性能的微處理器。GPRS模塊采用華為GTM900-C型號，具有高靈敏度、低功耗、傳輸速率好等特點。

4 系統軟件設計與實現

系統中信息化管理平臺設計以網格化技術為基礎，將空間信息、時間信息和管理信息劃分成標準的單元格，建立相對獨立的監管、預警、協助模式，積極主動的利用生命體征測試器和傳感器跟蹤檢測老年人生命體征和行為狀況。平臺的建立充分運用仿真技術，構架一個模擬真實環境的集成單元網格數據、立體空間環境數據、部件管理數據、位置編碼數據等多種數據資源，同時結合無線傳感網絡、GPS、遠程預警、虛擬現實等多種技術，建立科學高效、界面友好的綜合化信息管理平臺[6]。

在科技社區的網格化管理和老年健康監護中，系統的可視化管理也越來越受關注。本系統主要采用虛擬現實技術集成計算機圖形、計算機仿真、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，設計開發一款老年健康監測可視化管理系統，運行在管理端的PC機上。

系統軟件整體架構在此設計為4層結構：基礎設施層、信息層、網絡層和應用層。系統中所有CC2630節點的軟件開發都是基于TI公司Z-Sack協議棧設計的。Z-Stack軟件允許用戶自定義功能程序代碼、ZigBee協議標準等。程序設計的功能是實現協調器自建網絡，當終端設備需提交信息時自動加入到網絡中，網絡在隨機分配一個16位IP地址供發送信息，這一部分我們歸納為基礎設施層。采用嵌入式處理器和PC機搭建嵌入式WEB服務器，及可以傳輸信息給上位機軟件，同時作為下位機接受信息并可以保存，實現功能歸為信息層。網絡層主要是GPRS模塊和網卡實現的實時通訊功能，信息轉接發功能和定位信息監測功能。應用層主要包括專業人員管理系統、老年健康檔案管理系統、老年健康實時監測系統和預警子系統組成，完成后期具體工作。最終形成的健康監測監控系統流程如圖3所示。

5結語

本文通過構建老年智能健康系統，保證社區內老人在日常生活和運動中遇突發情況時能得到及時救助，并通過統計分析老年人的日常健康體征數據，發出疾病預警信號，結合有效的生活方式干預方案保障老年人身體健康發展，提高社區老年醫療健康服務水平，對基層社區醫療衛生事業的發展有著長遠的意義。

參考文獻

[1]崔恒展.老齡化背景下的養老內容研究[J].山東社會科學，2012，（04）：20-35.

[2]劉小欽.基于ZigBee的老年健康監護系統的研究[D].安徽理工大學，2012（06）.

[3]羅錚，周林，李小華 等.基于ZigBee的養老院醫療監護系統的設計[J].數字技術與應用，2013（12）.

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[5]水博.綠色養老住區評價系統研究[D].西安建筑科技大學，2014（06）.

[6]趙恒，袁正道.基于北斗定位和ZigBee組網技術的養老院監護系統[J].數字技術與應用，2014（06）.