王倩++紀(jì)金水

摘要：本文主要基于MSP430單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及Zigbee傳感器與無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)計(jì)了一種居家照護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以無(wú)線通信技術(shù)來(lái)測(cè)量生理指標(biāo)的傳感器為核心，設(shè)計(jì)了一種可擴(kuò)展的照護(hù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于家庭以及醫(yī)院病房，構(gòu)成遠(yuǎn)程的家庭、社區(qū)以及醫(yī)院的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：MSP430單片機(jī)；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)； 居家照護(hù)； Zigbee

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）17-0223-03

A Health Care System Based on MSP430 MCU Experiment System and Sensor Technology

WANG Qian， JI Jin-shui

（Mathematics and Computer Science College of Northwest University for Nationalities， Lanzhou 730030， China）

Abstract： A health care system based on MSP430 MCU experiment system and Zigbee sensor technology and wireless local area networks， which takes the wireless communication technology to measure physiological indexes as a core and design an extensible system architecture model for the care system. The system can be applied to family and hospital wards， which constitute a remote family， community and hospital health care system.

Key words： MSP430 MCU； Wireless sensor network； Health Care System； Zigbee

1 引言

近幾年社會(huì)老齡化問(wèn)題凸顯，子女白天要外出工作，沒有多余的時(shí)間照顧家中年邁或病殘的父母，如何更好地照顧老人引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。而基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的Zigbee技術(shù)的出現(xiàn)，為居家照護(hù)老人提供了一種全新的技術(shù)手段。采用802.15.4協(xié)議以及數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)、可靠性高的Zigbee技術(shù)，具有近距離、低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、高度的靈活性等特點(diǎn)[1]。 這些技術(shù)不僅高效的推動(dòng)了對(duì)老年人的居家照護(hù)，還對(duì)居家照護(hù)技術(shù)的發(fā)展有重要意義。

文獻(xiàn)[2]介紹了由Zigbee傳感器，無(wú)線局域網(wǎng)構(gòu)成的一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[3] 中提出一套無(wú)線多參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案， 并對(duì)方案的軟硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。將無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式Internet技術(shù)與醫(yī)療服務(wù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)。文獻(xiàn)[4] 介紹了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的嵌入式遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于家庭以及醫(yī)院病房，構(gòu)成遠(yuǎn)程的家庭、社區(qū)以及醫(yī)院的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于Zigbee的無(wú)線傳感器技術(shù)的病患監(jiān)護(hù)系統(tǒng)解決方案，該方案將測(cè)量到的人體脈搏數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)结t(yī)院控制中心，通過(guò)控制中心的軟件，使醫(yī)生可視化監(jiān)測(cè)病人的生理數(shù)據(jù)，并以此做出診斷評(píng)估。

本文主要基于MSP430單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及Zigbee傳感器與無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)計(jì)了一種居家照護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以無(wú)線通信技術(shù)來(lái)測(cè)量生理指標(biāo)的傳感器為核心，設(shè)計(jì)了一種可擴(kuò)展的照護(hù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型。系統(tǒng)中，通過(guò)終端設(shè)備來(lái)偵測(cè)老人的體溫或是否跌倒，并將信號(hào)及時(shí)傳送給看護(hù)者，即減輕了看護(hù)人員的負(fù)擔(dān)又提高了照護(hù)的品質(zhì)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案為：用傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)所要看護(hù)的老人進(jìn)行生理信息的采集，采集到的信息經(jīng)加工處理之后通過(guò)Zigbee無(wú)線通信的方式傳送到監(jiān)護(hù)服務(wù)器，如果把該系統(tǒng)接入到Internet網(wǎng)絡(luò)中，老人的家屬或醫(yī)護(hù)人員就可以在其它地方登錄，隨時(shí)查看老人的身體狀況，一旦發(fā)生意外，立即援救。

Zigbee無(wú)線系統(tǒng)的組成部分有Zigbee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、若干路由節(jié)點(diǎn)和Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。監(jiān)護(hù)基站設(shè)備是整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的核心，管理無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和設(shè)備節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布在老人居住的家里，老人可以攜帶傳感器自由活動(dòng)，所以Zigbee無(wú)線節(jié)點(diǎn)的通信距離設(shè)置為30m到60m之間，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，覆蓋整個(gè)活動(dòng)區(qū)域。體溫、是否跌倒等生理數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)服務(wù)器，監(jiān)護(hù)服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和采集，醫(yī)療人員和家屬可以登錄監(jiān)護(hù)服務(wù)器查看。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)主要采集人體的生理信息，通過(guò)射頻通信的方式，將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)護(hù)基站設(shè)備。根據(jù)應(yīng)用需求，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)包括：傳感器單元、處理器單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、無(wú)線通信單元以及電源單元。節(jié)點(diǎn)的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：

傳感器單元對(duì)監(jiān)護(hù)對(duì)象進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量并采集數(shù)據(jù)，供處理器分析、處理；處理器管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線通信單元負(fù)責(zé)與其它節(jié)點(diǎn)通信；電源則負(fù)責(zé)給各個(gè)電源供電。傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)單元：MSP430系列單片機(jī)及其外圍電路、Zigbee無(wú)線通信模塊、電源模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器節(jié)點(diǎn)以及加速度傳感器節(jié)點(diǎn)。

在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，處理器是核心單元之一。 處理器單元負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的信息處理、信息傳輸?shù)穆酚蛇x擇和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的形成。根據(jù)具體應(yīng)用的需求，在此選擇MSP430系列單片機(jī)[6]。MSP430處于最小系統(tǒng)下的外圍電路以及復(fù)位電路分別見圖2和圖3。

Zigbee無(wú)線通信模塊選擇的是Chipcon公司推出的CC2430，該模塊具有低功耗，靈活性高的特點(diǎn)，是唯一結(jié)合單片機(jī)技術(shù)和射頻通信技術(shù)的基于IEEE 802.15.4/Zigbee的Soc解決方案。CC2430模塊可組成各種網(wǎng)絡(luò)，并且可以通過(guò)增加一些外設(shè)組成功能更為強(qiáng)大的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。電源模塊選擇TPS73033芯片，該芯片輸出3.3V的電壓和200mA的電流，可以滿足需求，具體的電路連接如圖4所示。為了獲得最精確的測(cè)量值，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊選用ADS1100。ADS1100是精密的連續(xù)自校準(zhǔn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入，高達(dá)16位的分辨率，封裝為小型的SOT23-6，低電流消耗，低噪聲，單周期轉(zhuǎn)換，按比例進(jìn)行，依電源電壓為基準(zhǔn)，每秒采樣8，16，32或128次以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，有增益放大器，允許對(duì)微小的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，極易配置。ADS1100的方框圖如圖5所示。用戶可以通過(guò)8位的配置寄存器來(lái)控制ADS1100的工作方式、數(shù)據(jù)的傳輸速率和可編程的增益放大器設(shè)置，表1為配置寄存器：

在體溫測(cè)試中選取Pt100溫度傳感器，Pt100溫度傳感器具有精度高，穩(wěn)定性好、抗振動(dòng)、耐高壓、外形小巧以及即插即用等特點(diǎn)，利用電阻值隨溫度的變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)試，并選擇惠斯頓電橋，為了保證獲取信號(hào)的穩(wěn)定性，電橋輸入的電壓應(yīng)經(jīng)TL431穩(wěn)壓，為了得到高強(qiáng)度的信號(hào)，電橋的輸出信號(hào)應(yīng)經(jīng)過(guò)兩級(jí)運(yùn)算放大后再輸入到A/D轉(zhuǎn)換模塊。電路圖如圖6所示。在測(cè)試?yán)先耸欠竦箷r(shí)采用加速度傳感器MMA7260，它是借助于單級(jí)低通濾波器、信號(hào)調(diào)理和溫度補(bǔ)償技術(shù)生產(chǎn)的電容式三軸加速度傳感器。任一物體的運(yùn)動(dòng)可以被分解為X軸，Y軸和Z軸上的運(yùn)動(dòng)矢量，而MMA7260就是通過(guò)運(yùn)動(dòng)物體在這三軸上的加速度來(lái)判斷身體姿勢(shì)的變化。人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，重力起到關(guān)鍵的作用，在水平運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不小心發(fā)生意外跌倒，在X軸或Y軸上加速度、速度及位移肯定發(fā)生變化，在X軸還是在Y軸上發(fā)生變化，取決于跌倒的姿勢(shì)。

網(wǎng)關(guān)主要用于兩個(gè)高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡(luò)連接。網(wǎng)關(guān)又稱網(wǎng)間連接器或協(xié)議轉(zhuǎn)換器，是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)口。在此，網(wǎng)關(guān)對(duì)收集到的信息進(jìn)行整理，并將信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的監(jiān)護(hù)服務(wù)器。介于數(shù)據(jù)處理能力，在此選擇數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的基于ARM9的網(wǎng)關(guān)。

監(jiān)護(hù)服務(wù)器的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸來(lái)的信息進(jìn)行收集、保存以及顯示，以便醫(yī)療人員和被監(jiān)護(hù)者家人登陸到該系統(tǒng)查看信息。監(jiān)護(hù)服務(wù)器主要包括：存儲(chǔ)器、人機(jī)交互部分、通信部分和數(shù)據(jù)庫(kù)等。人機(jī)交互部分包括用戶可以輸入指令的鍵盤以及顯示結(jié)果和操作過(guò)程的顯示器。為了兼容性和適用性，在通信部分設(shè)置多種通信接口，如R232接口、射頻接口和modem接口。在使用當(dāng)中，監(jiān)護(hù)服務(wù)器可以通過(guò)命令的形式來(lái)啟動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)接收到命令開始執(zhí)行相應(yīng)的采集動(dòng)作，采集到相應(yīng)的生理信息經(jīng)一定的處理之后，再傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)服務(wù)器，監(jiān)護(hù)服務(wù)器對(duì)接收到的信息存儲(chǔ)并在適當(dāng)時(shí)顯示。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)完成之后，開始進(jìn)入軟件設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，軟件是整個(gè)系統(tǒng)的核心，靈活性強(qiáng)，根據(jù)具體的應(yīng)用和功能應(yīng)運(yùn)而生。在此根據(jù)居家照護(hù)系統(tǒng)所要達(dá)到的目的和特定的環(huán)境，描述它的重要模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立成功之后，傳感器節(jié)點(diǎn)需要加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)成功之后，就處于接受測(cè)量相應(yīng)的生理信息命令狀態(tài)之中，由監(jiān)護(hù)服務(wù)器發(fā)出采集生理信息的命令，傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信模塊接受到指令，啟動(dòng)傳感器模塊，傳感器模塊采集信息，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換模塊處理之后進(jìn)入處理器模塊，處理器模塊對(duì)采集到的信息進(jìn)行分析，最后由無(wú)線通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)護(hù)基站設(shè)備。節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)流程圖及信息采集流程圖分別見圖7和圖8。

一個(gè)網(wǎng)絡(luò)建立成功后，路由節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入，監(jiān)護(hù)基站設(shè)備一旦同意其加入，路由節(jié)點(diǎn)就處于無(wú)線監(jiān)控狀態(tài)下，路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)若干個(gè)路由節(jié)點(diǎn)最終到達(dá)監(jiān)護(hù)基站設(shè)備或者直接達(dá)到監(jiān)護(hù)基站設(shè)備。路由節(jié)點(diǎn)加入及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程圖見圖9。

在此監(jiān)護(hù)基站設(shè)備相當(dāng)于協(xié)調(diào)器，監(jiān)護(hù)基站設(shè)備負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立，可以決定節(jié)點(diǎn)能否加入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)并管理節(jié)點(diǎn)及數(shù)據(jù)傳輸信道的選取。如果網(wǎng)絡(luò)建立成功，監(jiān)護(hù)基站設(shè)備就處于監(jiān)聽狀態(tài)，接受來(lái)自遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)器的生理信息采集的命令，并傳遞給相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接受傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的申請(qǐng)，它是整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心。監(jiān)護(hù)基站流程圖見圖10。

網(wǎng)關(guān)是一種連接器，可以連接兩種不同的網(wǎng)絡(luò)以達(dá)到無(wú)縫傳送的效果。在此，網(wǎng)關(guān)連通監(jiān)護(hù)服務(wù)器和Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的監(jiān)護(hù)基站設(shè)備，監(jiān)護(hù)服務(wù)器可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)向傳感器節(jié)點(diǎn)下達(dá)命令，而被采集到的保存在監(jiān)護(hù)基站設(shè)備緩沖區(qū)的信息則可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)服務(wù)器，在兩通信者之間起到橋梁的作用，并可以對(duì)收集來(lái)的信息進(jìn)行融合。網(wǎng)關(guān)工作流程圖見圖11。

監(jiān)護(hù)服務(wù)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采集信息，并對(duì)傳輸來(lái)的信息保存及顯示，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)老人進(jìn)行監(jiān)護(hù)。老人的信息放在數(shù)據(jù)庫(kù)，家屬或醫(yī)療人員通過(guò)查看數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取老人的信息，若發(fā)生意外可采取及時(shí)的援救。監(jiān)護(hù)服務(wù)器工作流程圖如圖12所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)的目的是提高老人生活質(zhì)量，節(jié)省子女照顧老人的時(shí)間，并且加進(jìn)了醫(yī)療人員，能夠針對(duì)老人身體狀況提出專業(yè)指導(dǎo)。老人可以在家中自由活動(dòng)，減少了局限性，提高了靈活性，對(duì)構(gòu)建健康和諧社會(huì)有重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張大蹤，楊濤，魏東海. 一種低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器， 2006（10）：54-57.

[2] 羅惠謙， 任毅， 石道生. 基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研究[J]. 中國(guó)水運(yùn)， 2007， 5（4）： 148-149.

[3] 許劍，盧建剛. 多參數(shù)無(wú)線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J]. 中國(guó)醫(yī)療器械雜志，2005，29（6）：19-22.

[4] 趙澤，崔莉. 一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J]. 信息與控制，2006，35（2）：139-143.

[5] 鄭學(xué)梅，鄔春明，曲朝陽(yáng)，等. 基于Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的病患監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2009， 33（6）： 27-28.

[6] 秦龍. MSP430應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實(shí)例[M]. 北京： 中國(guó)電力出版社，2005.