基于Zigbee的無線養老護理監控系統的設計與開發

閆可欣

(延安大學 物理學和電子信息學院，陜西 延安 716000)

1 基于Zigbee的無線養老護理監控系統設計研發的意義

1.1 社會效益

當前我國人口的老齡化問題十分突出，社會養老已然成為我國社會民生領域的焦點問題。養老問題是關乎社會和諧穩定以及人民生活幸福指數的頭等大事，應用現代化的信息技術和無線通信技術來完善老年人養老護理監控系統，對于整個社會打造高質量養老模式具有十分重大的現實意義。

科學、完善的養老無線護理監控系統不僅僅能夠為老年人提供多層次、多元化、可靠性的定位管理服務，也能夠提供個性化的服務需求。護理人員和老年人是養老機構中的核心使用群體，基于物聯網Zigbee技術下的無線養老護理監控系統，采用信息技術手段來實現低能耗、高應用、高可靠性的呼叫管理功能，即符合當前社會對養老智能化改革的整體需求，也對養老模式的信息化發展進程有著極大的推動作用[1]。

1.2 經濟效益

無線養老護理監控系統是以Zigbee短程無線通信技術為基礎。這是一種定位信號強度極強的新型定位系統，它能夠解決室內、校區GPS無法實現全覆蓋的根本性問題，有效彌補GPS以及手機網絡定位系統的室內定位精度不足的弊端。使用Zigbee技術的用戶不需要安裝任何專門軟件就能夠實現終端上網，使得該套系統具有極強的應用推廣優勢，再加上通信設備和前端網關的高可靠性、自組網、低功耗的特性，使得該通信系統具備較高的經濟價值[2]。

此外，基于Zigbee技術的無線養老護理監控系統不僅能夠幫助養老機構實現老年人智能化定位服務和健康狀態監測護理的精細化管理職能，其管理成本十分低廉，管理效率高，在保障養老機構服務質量和安全保障的基礎上縮減安裝成本和運行成本，在我國養老服務的應用中具有廣闊的前景。

1.3 研究價值

基于Zigbee技術的無線養老護理監控系統是無線定位系統應用的一種革命性突破，它將傳統的信息管理系統與物聯網技術進行了高效的融合，能夠幫助養老機構同時實現健康監測和智能化定位服務職能。基于Zigbee技術的無線養老護理監控系統這種創新型的系統設計思路能夠給養老產業的其他應用開發設計提供參考思路，為提升我國養老模式的創新和研發能力提供助力。此外，基于Zigbee技術的無線養老護理監控系統在理論與技術層面的不斷完善對于歸納總結學術上的定位算法，推進養老產業發展具有十分現實的指導意義[3]。

2 zigbee技術及無線傳感網絡定位技術概述

2.1 zigbee技術概述及特點介紹

Zigbee技術是一種低功耗、低數據速率、低復雜度、近距離、低成本的雙向無線通信技術。Zigbee技術主要適用于遠程控制領域和自動控制領域。同時，Zigbee技術可以嵌入到各種設備的芯片當中，實現地理定位的功能。由于Zigbee的最高數據傳輸效率為250 kbit/s，極其適用于傳輸速率的應用。Zigbee技術具有低功耗、響應時延短、工作頻段靈活、短距傳輸及布網靈活、高安全性、高可靠性、抗干擾性能突出、低成本以及組網能力強大而靈活的諸多特性，與無線傳感網絡定位技術的結合能夠幫助養老行業實現老年人護理監控系統的搭建，且具有十分廣闊的應用發展前景，養老機構的監護人員可以利用手機或者平板等智能化設備，通過路由器或網關等設備以互聯網連接的形式實現對Zigbee智能設備的終端遠程控制，提升養老護理的質量和效率。

2.2 無線傳感網絡定位技術概述

Zigbee、WiFi、NFC、UWB等現代化通信技術的廣泛應用給無線傳感技術的發展提供了良好的契機，在物聯網時代背景下，無線傳感技術得到了質的飛躍。無線傳感技術在獲取位置信息的監測領域上具有較為突出的應用優勢，已然成為定位領域的主流技術，其部署簡易、低功耗、傳輸速率高、容錯性強、支持自組網和高安全性的特點，使其相比于GPS衛星定位系統更加適用于養老機構的室內定位市場需求。無線傳感網絡定位技術主要分為測距定位技術和非測距定位技術，兩者的主要區別在于：測距定位技術對節點的距離坐標需要進行直接測量；而非測距定位技術需要依靠網絡連通來實現節點坐標和距離的估算。兩種定位技術還具備不同的特點，前者具有高精度定位的優勢，而后者具有功耗和成本控制上的優勢。

3 基于Zigbee無線養老護理監控系統的設計

3.1 基于Zigbee無線養老護理監控系統的總體設計

該系統主要由Zigbee無線傳感網絡、智能網關以及監控中心等三個部分組成。研究設計的無線養老監控系統設計采用星型拓撲結構作為Zigbee無線傳感網絡的拓撲結構，在結構中有協調器和諸多的終端設備組成。終端設計節點主要有兩種形式：一種為Zigbee數據采集節點；另一種為Zigbee數據控制節點。由于ARM微處理器具有低功耗且較為強大的處理功能，因此，無線養老護理監控系統設計所采用高的智能網關為ARM。系統總體結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

(1)一個Zigbee協調器和多個Zigbee終端設備節點構成了基于Zigbee技術的無線養老護理監控系統的內部傳感網絡。Zigbee數據采集節點主要采集老人的主要生理參數，如：血壓、血糖、溫度、脈搏等。同時，采集護理室內的環境數據，如：溫度、濕度、安全情況等。Zigbee數據控制節點主要遵從監控中心的控制臺，控制臺通過指令來實現對老人房間家電設備、燈光、護理設備的無線控制。

(2)老年護理中心內部傳感網絡的構建和維護是通過協調器節點進行的，協調器節點可以收集Zigbee終端設備節點上所出現的各種信息，借此實現Zigbee終端設備與智能網關之間的無線通信。

(3)老年護理中心的內部傳感網絡與外部通信網絡協議之間的轉換是通過ARM進行的，Ethernet模塊以及GPRS/GSM模塊是智能網關向外部傳輸的主要渠道。

(4)監控中心服務器所需實現的具體功能都是通過計算機終端或者移動終端的管理軟件實現，具體包含：實施監護功能、通信管理功能、數據庫管理功能以及異常報警功能等。

系統設計完成后，其主要的工作流程為：首先，老年護理中心采用星型拓撲結構的傳感網絡、Zigbee終端設備節點將采集到的老年人護理相關信息傳輸至協調器，協調器以系統設計的閾值為基準與采集值進行比較，系統判定是否需要啟動報警裝置。然后，相關信息通過Zigbee協調器傳輸至網關，網關在通過互聯網將Zigbee感知的網絡信息傳輸至監控中心，監控中心臺的監護人員再通過遠程控制對老年人進行相應的護理工作。最后，通過控制臺發出控制信息，老年護理中心網關對控制信息作出及時的響應和判斷，相應的Zigbee控制節點以此信息為指令做出相應的控制動作。

3.2 基于Zigbee無線養老護理監控系統的硬件設計

該設計的原理是Zigbee無線養老護理監控系統內部傳感網絡的智能網關采用ARM，該系統主要由：STM32F107VCT6型號的ARM微處理器、Zigbee協調器、Ethernet模塊、GPRS/GSM模塊以及Zigbee的終端設備節點(數據采集節點和數據控制節點)。

3.2.1 Zigbee無線傳感器節點

圖2 Zigbee傳感器節點結構圖

本文采用德州儀器公司的CC2530F256 芯片作為Zigbee的無線傳感器節點，CC2530具備的最大優點就是在低成本和低功耗的同時，還能夠結合RF發射器的優良性能，系統內可編程閃存256kB空間，8kB RAM 和其他強大的功能。Zigbee的網絡節點包含數據采集節點和數據控制節點，數據采集節點主要通過傳感器采集老年人的體溫、脈搏、血糖、血壓等重要生理參數，還采集老年人居住的室內濕度、溫度、危險報警信息等；Zigbee的控制節點對智能網關經協調器發出的命令是通過2.4 Ghz天線來進行接收的，這些控制命令主要是實現老年人居住空間的燈光、家電、警報等模塊控制。具體的Zigbee傳感器節點結構如圖2所示。

協調器通過SPI與智能網關相連，當其接收到Zigbee數據采集節點發送來的采集信息后，與系統預先設計的閾值進行比較，判定是否啟動報警裝置，并將數據傳輸至智能網關，進而實現了老年護理中心老年人生理信息采集、環境信息采集的數據采集、存儲以及無線收發的全過程。此外，Zigbee協議棧和應用控制程序是Zigbee協調器節點軟件設計的主要組成。

3.2.2 智能網關設計

圖3 智能網關結構圖

內部網絡協議與外部通信網絡之間的轉換是通過網關來實現的。在本系統設計中，智能網關主要是實現老年護理中心內部傳感網絡與外部通信網絡的轉換。本文所設計的無線養老護理監控系統智能網關采用的CPU是Sa-msung公司基于ARM920T 內核研發的STM32微處理器芯片，與公共網絡能夠通過GPRS接口和以太網接口實現連接，進而幫助系統實現Zigbee護理中心內部感知網的雙向數據傳輸，護理人員通過控制中心的計算機終端或者移動終端就可以對護理中心老年人進行健康查詢和控制。此外，該部分硬件組成還包含：GPRS模塊、以太網模塊、存儲模塊、LCD顯示模塊、程序調試接口以及Zigbee模塊接口等，具體智能網關結構如圖3所示。

3.2.3 Zigbee網絡結構設計

在本文的設計中，無線傳感網絡中的Zigbee終端節點通過協調器節點將采集到的數據信息傳輸至網關，網關的無線連接通過GPRS模塊或者以太網模塊實現構建，并最終與Internet實現連接，數據通過此流程傳輸至監控中心的系統控制平臺。系統中的網絡創建和管理是通過協調器實現的，通過CC2530 的射頻模塊實現與終端設備節點的無線通信，并通過網關實現與外部網絡的通信。

3.3 基于Zigbee無線養老護理監控系統的軟件設計

3.3.1 控制中心軟件設計

圖4 無線傳感網絡軟件設計流程 圖5 網關工作流程

控制中心的應用軟件設計采用在MyE-clipse平臺開發的Java語言，護理中心老年人的數據信息存儲采用MySQL 數據庫，具體的控制軟件服務功能包含：

(1)實施監護：對護理中心老年人的重要生理指標和居住室內環境參數進行實時地監測，并進行及時地動態反應，以便監護人員能夠及時地發現危險并采取有效處理措施。

(2)數據庫管理：將護理中心老年人的一切生理信息和居住環境信息進行采集、存儲、查詢和修改管理。

(3)通信管理：控制中心服務臺能夠通過服務器和串口通信實現與Zigbee網關節點的雙向數據傳輸通信，并實現計算機終端和移動終端的訪問、控制功能。

(4)異常報警：當護理中心老年人的一切生理指標或環境指標與系統設置的閾值異常時，自動驅動揚聲器發出警報，提醒控制中心護理人員異常出現。

3.3.2 無線傳感網絡

本文無線養老護理監控系統設計采用Zigbee無線傳輸協議作為無線傳感網絡的終端節點，基于Zigbee的無線傳輸協議具有自組織、近距離、低功耗、低復雜度、低成本以及低數據速率的優勢。此外，終端節點還設有傳感模塊、終端節點與協調器之間可以實現數據的雙向傳輸，具體軟件設計流程如圖4所示。

3.3.3 網關軟件設計

護理中心的內部傳感網絡與外

部通信網協議的轉換是通過網關啟動協調器，建立無線傳感網絡而實現的。因此，網關的處理能力就成了設計的重中之重。本文設計的無線養老護理監控系統采用STM32 微處理器，將Zigbee協議棧以及TCP/IP鑲嵌其中，進而實現Zigbee網絡與TCP / IP 協議的轉換，本文采用德州儀器公司Z-Stack-CC2530型號協議棧作為TCP / IP 協議棧，網關的具體工作流程為：協調器節點以STM32 微處理器為核心將終端節點發送的傳感器數據進行接收，并發送至STM32 微處理器之中，并將Z-Stack-CC2530 協議棧鑲嵌至STM32 中，這樣，Zigbee傳感網絡就能夠實現與控制中心數據的雙向傳輸，實現采集信息與控制指令的傳遞，具體工作流程如圖5所示。

4 結語

總之，隨著我國人口老齡化問題的日益嚴重，養老問題成為我國民生領域面臨的主要問題，現代信息技術的飛速發展為我國養老機構的養老模式改革提供了全新的發展契機，信息化發展成了養老機構發展的主旋律。基于Zigbee技術的無線養老護理監控系統具有大容量、高性能、低功耗、低速率、高穩定性等諸多優點，基于Zigbee技術對無線養老護理監控系統進行設計和開發具有十分重要的現實意義、應用意義、經濟意義和學術意義，對提升我國養老服務水平、提高我國養老服務質量具有極大的推動作用。