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(tǒng)。利用美國TI公司的CC2530芯片完成系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器、呼叫器和應答器的硬件設計，軟件設計采用TI的Z-stack協(xié)議棧及IAR開發(fā)工具，在ZigBee協(xié)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(tǒng)；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(shù)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(tǒng)，就是在此背景下進行研究和開發(fā)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(fā)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(xié)議是2001年6月成立的ZigBee聯(lián)盟專門為實現(xiàn)家庭及辦公室自動化的控制系統(tǒng)、醫(yī)療保健設備及自動化檢查系統(tǒng)的通信應用而開發(fā)的一種無線通信標準。與其他無線通訊協(xié)議相比，具有低速率、近距離、短時延、高安全、免執(zhí)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(xié)議。老年求助呼叫系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求很高，但每次需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(xié)議的特點很吻合[1]。

2 系統(tǒng)總體結構設計

ZigBee網(wǎng)絡通常由協(xié)調(diào)器、路由器、終端設備三個節(jié)點構成，每個ZigBee網(wǎng)絡需要且只需要一個協(xié)調(diào)器，用來創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡，并為最初加入網(wǎng)絡的節(jié)點分配地址；路由器節(jié)點有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)功能，起到路由的作用；終端設備節(jié)點之間，只能與協(xié)調(diào)器節(jié)點通信，通常只周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)[2]。本系統(tǒng)用于家庭網(wǎng)絡，研究表明，一般家庭面積25*25 m2內(nèi)，ZigBee在此范圍的通訊誤包率基本為零[3]，因此不設ZigBee路由節(jié)點。本系統(tǒng)由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和五個終端設備節(jié)點形成一個星型網(wǎng)絡拓撲結構。

系統(tǒng)由病人呼叫器、協(xié)調(diào)器、應答器構成。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。其中，中控器在網(wǎng)絡中充當協(xié)調(diào)器，負責建立和管理網(wǎng)絡、信號的轉(zhuǎn)發(fā)。呼叫器和應答器在網(wǎng)絡中充當終端設備。呼叫器用來發(fā)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(tǒng)呼叫相應過程如下：網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器作為主節(jié)點加電后首先要建立一個ZigBee網(wǎng)絡，并等待子節(jié)點的加入；呼叫器、應答器節(jié)點加電啟動后，在有效范圍內(nèi)隨后會自動尋找并加入該網(wǎng)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(jié)點上的按鍵，呼叫信息就會通過ZigBee模塊發(fā)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(zhuǎn)發(fā)報警信息給應答器，進行聲光報警，同時轉(zhuǎn)發(fā)給呼叫器；呼叫器根據(jù)LED燈不同的閃爍情況，得知請求的處理結果[5]。

3 系統(tǒng)硬件及軟件設計

系統(tǒng)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(nèi)核與的2.4 GHz的RF收發(fā)器，具有256 K的內(nèi)存，系統(tǒng)內(nèi)包括可編程閃存、8 KB RAM、A/D轉(zhuǎn)換器以及許多其他功能。同時具有網(wǎng)絡節(jié)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(tǒng)[2]。本系統(tǒng)節(jié)點主要由CC2530片上系統(tǒng)接收發(fā)射模塊、電源模塊、下載接口模塊（同時兼顧仿真接口）、發(fā)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(fā)的ZigBee協(xié)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(xié)議?；A上開發(fā)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(tǒng)的設計難度。

2）協(xié)調(diào)器設計。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器是ZigBee簇狀網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點通信的核心，在網(wǎng)絡建立之初，每個網(wǎng)絡有且僅有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，主要負責網(wǎng)絡的發(fā)起、參數(shù)的設定、信息的管理及維護。根據(jù)所選擇的微處理器，硬件總體設計方案如圖2所示。協(xié)調(diào)器節(jié)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(xié)調(diào)器要根據(jù)需要不停地查詢網(wǎng)絡中的信息，因此要外接穩(wěn)定的電源，在終端的電源模塊基礎上增加了外部穩(wěn)壓源接口。CC2530芯片作為射頻模塊，用于數(shù)據(jù)處理、接收和發(fā)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(shù)據(jù)處理、接收和發(fā)射信號；呼叫器的按鍵1、按鍵2可根據(jù)需要設置成不同需求的按鍵，如“衛(wèi)生”“服藥”等，LED指示燈用于報警提示。

系統(tǒng)軟件設計 系統(tǒng)由1個協(xié)調(diào)器、1個呼叫器和4個應答器共6個節(jié)點組成一個星型網(wǎng)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(xié)議棧，開發(fā)環(huán)境選用IAR7.60，TI Z-STACK協(xié)議?？煞奖愕亟M建自己的無線通信網(wǎng)絡。在ZigBee協(xié)議棧中，已經(jīng)實現(xiàn)了協(xié)調(diào)器、路由器以及呼叫器的程序，在此基礎上，根據(jù)無線呼叫系統(tǒng)的硬件設備的實際情況，用IAR Embedded Workbench軟件開發(fā)工具編寫相應的應用程序并進行調(diào)試，最終下載到芯片上加以實現(xiàn)。

1）協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器的工作流程如圖5所示。協(xié)調(diào)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(xié)議棧初始化、操作系統(tǒng)初始化。然后進入執(zhí)行操作系統(tǒng)，進入無限循環(huán)的任務執(zhí)行程序中。系統(tǒng)定義了“UARTGetchar（）”函數(shù)，負責接收呼叫終端發(fā)送過來的字符，ZigBee將接收到的字符傳給此函數(shù)。

本項目定義一個變量，通過if語句來判斷老人是否發(fā)送了請求。當條件滿足后，才會執(zhí)行控制函數(shù)，從而控制協(xié)調(diào)器上LED警示燈閃爍[7]。

2）呼叫器與應答器。作為ZigBee網(wǎng)絡終端節(jié)點的呼叫器、應答器的初始化過程與協(xié)調(diào)器基本類似。如圖6所示，呼叫節(jié)點首先進行系統(tǒng)初始化，然后加入網(wǎng)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(fā)送給協(xié)調(diào)器。在CC2530開發(fā)板本身設計的3個按鍵中任選一個按鍵，定義“key_get（）”函數(shù)，用來判斷按鍵是否被按下，若按下了，則通過“uart_puts（）”函數(shù)把設定好的字符通過UART串口給發(fā)送出去。與此同時，執(zhí)行“BuzzerSound（）”求助警鈴函數(shù)，通過定時器來控制聲音。在接收到控制命令數(shù)據(jù)后，發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，若發(fā)送不成功，將延遲1 s后重發(fā)。

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(wǎng)絡數(shù)據(jù)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(huán)境中誤包率基本為零。

4 結束語

本文利用ZigBee自組網(wǎng)絡技術，采用CC2530作為射頻收發(fā)芯片，設計了老年呼叫系統(tǒng)，創(chuàng)新點在于呼叫器可根據(jù)老人不同需求發(fā)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(wèi)生、就醫(yī)等病人也可使用該功能。系統(tǒng)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(xié)議的病房呼叫系統(tǒng)研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2008（7）：56-59.

[2]蔡麗婷，陳平華，羅彬，等.基于CC2530的ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].計算機技術與發(fā)展，2012（11）：197-200.

[3]趙錦萌，吳效明，張莉莉.面向家庭的ZigBee醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)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(tǒng)的研究與設計[J].鄭州輕工業(yè)學院學報：自然科學版，

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[6]劉毅力，焦尚彬.基于CC2530無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計[J].現(xiàn)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(tǒng)[J].單板機與嵌入式應用，2012（4）：73-74.