基于ZIGBEE的身體健康監測系統設計

楊兆輝，姜 宇，梁麗麗

(哈爾濱職業技術學院，哈爾濱 150081)

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基于ZIGBEE的身體健康監測系統設計

楊兆輝，姜 宇，梁麗麗

(哈爾濱職業技術學院，哈爾濱 150081)

分析了我國老年人養老現狀和實際需求，基于ZigBee技術搭建老年人健康監測系統，定位剖析系統的整體設計方案。闡述了硬件設備的選擇要素和作用，通過實驗驗證設計方案的可行性和可靠性，為老年人的智能化移動健康醫療發展提供理論支持和技術保障。

物聯網；ZigBee；老年人；監測；監護

據民政部調查顯示：2016年我國老齡人口已突破2億，2025年將突破3億，2034年將突破4億。隨著年齡的增長，人體器官功能逐漸衰減，現有的醫療監護設備通常采用有線傳輸，慢性非傳染性疾病的患者，如糖尿病、心腦血管疾病、腰椎間盤突出等離不開長期的生理參數監控。醫療監護的特點是即時性和連續性，借助醫療器械可實現生理特征參數的實時監控[1]。傳統監護設備體積龐大，限制了被監護者的行動范圍，各種線纜連接在身上，造成被監護者的情緒焦慮，導致病情延誤和康復時間延長。本文提出一種基于ZigBee技術的身體健康監測解決方案，實現家庭環境中24 h對被監護者的生理信息(脈搏、體溫)采集，實時傳遞采集信息至監護基站，對生理參數異常的老年人進行自動預警和告警，提醒家人、社區、醫院及時救助。

1 基于ZigBee的身體健康監測系統方案設計

1.1 ZigBee組網技術

ZigBee技術得到廣泛應用得益于其強大的無線組網功能，它工作在2.4 GHz頻段，250 Kbps的帶寬足以滿足健康監測系統的數據傳輸需求。ZigBee技術以其低功耗、低速率、近距離、低延時、低成本、短延時、高容量、高安全等特點，可滿足多跳自組織無線傳感器網絡要求。相對紅外、藍牙、Wi-fi、UWB等[2]具有顯著優勢，因此，ZigBee技術常被用于短距離無線網絡傳輸系統，如：物流管理、智能家居、環境監測和遠程控制領域。ZigBee技術的通信距離在75 m內，通過科學設置家庭網關控制器位置，可使覆蓋范圍達到直徑150 m左右，滿足大部分家庭的需要。

1.2 身體健康監測系統方案設計

本文設計的系統方案以ZigBee為核心，利用通信技術、嵌入式技術、傳感技術、計算機技術等，實現對老年人生理健康指標的動態監測。收集和處理被監測者的生理指標，監測結果出現異常情況時，系統給予預警和告警功能。系統在概要設計和詳細設計階段充分考慮了日后技術升級的現實需求，采用模塊化設計方式，由生理參數采集模塊、無線收發模塊、信息控制終端模塊三部分組成，模塊間采用“高內聚、低耦合”的方式關聯。

生理參數采集模塊負責采集老年人的體溫、脈搏等生理數據，采集數據由無線收發模塊依靠ZigBee無線傳感器網絡發送給信息控制終端模塊中的微處理器，生理數據進行分析處理后顯示在LCD上。當患者的采集數據接近病情臨界值時，會通過無線收發模塊中的GPRS功能將預警信息發送到患者及監護人的手機上，同時發出預警音效提醒患者；當患者的采集數據超過病情臨界值時，會通過無線收發模塊中的GPRS功能將告警信息發送到患者及監護人的手機上和社區醫師的終端設備上，同時發出告警音效。

2 基于ZigBee的身體健康監測系統的硬件選擇

2.1 生理參數采集模塊

主控芯片選用Texas Instruments公司(簡稱TI，德州儀器公司)的MSP430F449單片機，這個部件可以滿足模/數端口的數據轉換和多個串口的通信。同時，MSP430F449單片機擁有低功率、多IO、高存儲、體積小、可擴展、易升級等多項產品優勢，可完成被監測者包括體溫、心率在內的多項生理參數的采集[3]。

2.2 無線收發模塊

無線數據傳輸選用TI公司的新一代SOC芯片CC2560，可以支持IEEE802.15.4協議，在單周期條件下有特殊功能寄存器(SFR)、數據(DATA)、代碼/外部數據(CORE/XDATA)三種存儲器，實現對MSP430F449單片機的總線訪問通信[4-5]。

在搭建實際監控環境時，設置3個無線收發節點，采用串口通信方式實現級聯。在ZigBee無線星形網絡拓撲環境下，發送節點(路由器)負責完成對生理參數采集包的發送任務，接收節點(網關)負責完成對生理參數采集包的接收任務。

2.3 信息控制終端模塊

信息控制處理器選用TI公司的MSP430F149單片機，該部件擁有低電壓、低功耗、高處理、抗干擾、多IO，大存儲等優勢[6]。

GPRS模塊通過串口與信息控制終端連接，預設AT命令實現預警和告警內容的短消息發送，通過預先安裝的SIM卡使GPRS模塊訪問GSM網絡并建立連接。GPRS模塊通常處于休眠狀態，接收信息控制終端數據接受函數后喚醒，完成接收數據的封裝和發送。

AT命令又被稱為AT指令集，是世界通用的控制解調器指令集。AT命令通常以AT字母開頭，CR或LF字母結尾，中間的字母和數字代表具體功能的字符串。

3 系統調試和小結

調試過程在實驗室仿真環境下進行，先對硬件設備進行連接，系統連接通電后的狀態如圖1所示。對節點內的程序進行燒錄，部署在測試位置后啟動待機，測試網絡環境是否正常。對采集對象進行數據采集并完成系統的整體聯調。將測試結果與真實數據進行對比，完善系統功能，達到預期目標。

圖1 硬件系統組網圖Fig.1 Hardware system network diagram

通過多次系統連接和調試工作，系統實現了體溫和脈搏的生理數據采集任務，如圖2和圖3所示，進一步驗證了系統的可靠性和可行性。

圖2 監控站接收體溫狀態圖Fig.2 State diagram of monitor station temperature reception

圖3 監控站接收脈搏狀態圖Fig.3 State diagram of monitor station pulse reception

系統雖然實現了系統預期設計目標，并取得了一些研究效果，但在數據采集的精度和軟件控制等方面還需要進一步驗證，在采集的功能上系統預留了擴展和升級的位置。隨著ZigBee技術的進一步深化發展，系統的實際應用范圍將更加廣闊。

[1] 肖虹.物聯網技術在空巢老人健康服務中的應用監測平臺的設計[J].設計藝術與理論， 2016，(07)：23-35.

[2] 周洪波.物聯網：技術、應用、標準和商業模式[M].北京：電子工業出版社，2014：23-35.

[3] 張凱斐.人工智能的應用領域及其未來展望[J].呂梁高等專科學校學報，2015，26(4)：79-80.

[4] 劉天宇.基于ZigBee網絡的智能化養老系統設計[D].浙江：杭州電子科技大學，2014.

[5] 余佳佳.ZigBee技術的醫療監護系統的軟件設計與實現[D].北京：電子科技大學，2009.

[6] 蔡偉超.基于ZigBee技術的老年人家庭健康監護設計[D].天津：天津大學，2009.

PhysicalhealthmonitoringsystemdesignbasedonZIGBEE

YANGZhao-hui,JIANGYu,LIANGLi-li

(HarbinVocationalandTechnicalCollege,Harbin150081,China)

This paper analyzes the current situation and actual needs of the elderly in China, and builds the overall design scheme of the elderly health monitoring system and positioning analysis system based on ZigBee technology. The factors and functions of hardware equipment are expounded. The feasibility and reliability of the design scheme are verified by experiments, which provide theoretical support and technical support for the development of intelligent mobile health care for the elderly.

Internet of things; ZigBee; Elderly; Monitoring; Custody

2017-01-20

課題項目：2016年哈爾濱市應用技術研究與開發項目，項目名稱：基本物聯網技術的銀發族看護系統，項目編號：2016RQQXJ222

楊兆輝(1978-)，男，碩士研究生，副教授。

TP

A

1674-8646(2017)04-0028-02