劉忠杰

摘要：設(shè)計(jì)一種社區(qū)老人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，對(duì)老人的生命體征和運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，以確保老人的健康和安全。系統(tǒng)主要包括ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、家庭主機(jī)和社區(qū)監(jiān)控管理中心三部分，采用c≠≠語(yǔ)言、C/S設(shè)計(jì)模式和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)社區(qū)老人身體健康狀況的監(jiān)護(hù)，并結(jié)合人體健康模型，給老人提供相關(guān)的飲食和健身計(jì)劃，對(duì)老人慢性疾病的預(yù)防具有重要意義。

關(guān)鍵詞：ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；C/S結(jié)構(gòu)；健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）08-0223-03

1背景

隨著現(xiàn)代家庭生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)健康服務(wù)的要求也逐漸提高，根據(jù)老人的身體狀態(tài)提供相應(yīng)的個(gè)性化服務(wù)的需求也在增加，這就要求需要根據(jù)老年人不同的健康狀態(tài)來(lái)制定飲食計(jì)劃和健身計(jì)劃。同時(shí)老年人由于身體機(jī)能退化，在行走的過(guò)程中容易發(fā)生跌倒等動(dòng)作，由于老年人的骨質(zhì)相對(duì)疏松，簡(jiǎn)單的跌倒動(dòng)作可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果。目前中國(guó)現(xiàn)有老齡人口已超過(guò)1.6億，且每年以近800萬(wàn)的速度增加，有關(guān)專家預(yù)測(cè)，到2050年，中國(guó)老齡人口將達(dá)到總?cè)丝诘娜种?。老人的生活照料、康?fù)護(hù)理、醫(yī)療保健、精神文化等問(wèn)題日益凸顯，多少子女歸來(lái)時(shí)沉浸在“子欲養(yǎng)而親不待”的愧疚當(dāng)中。因此，探索新型高效的老人健康管理模式已迫在眉睫。

本文使用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于社區(qū)老人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)方案，通過(guò)對(duì)老人的生命體征和運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和處理，來(lái)確保老人的健康和安全，同時(shí)根據(jù)人體健康模型針對(duì)老年人不同的健康狀態(tài)來(lái)制定合理的飲食和健身計(jì)劃，對(duì)老人的慢性疾病的預(yù)防具有重要意義。

2ZigBee

2.1ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的基于IEEE802.15.4規(guī)范的短距離無(wú)線通信技術(shù)，其組網(wǎng)方式靈活多樣，數(shù)據(jù)傳輸安全可靠。ZigBee與傳感器結(jié)合就能組建Zig-Bee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或者兩點(diǎn)間的通信。Zigbee協(xié)議體系框架是在1EEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了Zigbee協(xié)議的物理層和MAC層，所以Zigbee設(shè)備應(yīng)該包括IEEE802.15.4的物理層和MAC層以及Zigbee堆棧層，其中Zigbee堆棧層包括Zigbee聯(lián)盟定義的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層壹基金安全服務(wù)商提供的安全服務(wù)層，由于Zig-Bee具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)被廣泛用于家庭和樓宇網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制、傳感網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)視、農(nóng)業(yè)控制、醫(yī)療行業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。

2.2ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是基于TI的Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行的ZigBee應(yīng)用，Z-Stack是TI公司開(kāi)發(fā)的ZigBee兼容協(xié)議棧。ZigBee節(jié)點(diǎn)在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)特定的環(huán)境選擇任意網(wǎng)絡(luò)，分別為星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀網(wǎng)。在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在以下三種ZigBee節(jié)點(diǎn)：協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。其中，協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，它最主要的作用是啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)和配置完成后，它的功能退化為一個(gè)普通路由節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)主要允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)助終端節(jié)點(diǎn)通信，一般路由節(jié)點(diǎn)應(yīng)該一直處于活動(dòng)狀態(tài)，不應(yīng)該休眠，它主要提供接力作用，能擴(kuò)展信號(hào)的傳輸范圍。終端節(jié)點(diǎn)與具體的傳感器設(shè)備相連，可以選擇睡眠或喚醒，本系統(tǒng)中的終端節(jié)點(diǎn)主要采集老人的生命體征數(shù)據(jù)，如血壓、脈搏、血氧血糖等。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

老人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)按功能劃分為ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、家庭主機(jī)和社區(qū)監(jiān)控管理中心三部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖如圖1所示。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程大體分為三步：首先，通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集老人的血壓、血氧、脈搏、體溫和是否跌倒等數(shù)據(jù)；其次，當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊彝ブ鳈C(jī)上；最后，利用TCP/IP協(xié)議再由家庭主機(jī)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴鐓^(qū)監(jiān)控管理中心服務(wù)器上，服務(wù)器根據(jù)建立的老人健康電子檔案和人體健康檢測(cè)模型給老人提供合理的飲食和健身計(jì)劃。該系統(tǒng)方便社區(qū)居委會(huì)對(duì)社區(qū)老年人健康狀況進(jìn)行管理，當(dāng)有老人身體出現(xiàn)突發(fā)性疾病時(shí)，能夠第一時(shí)間在社區(qū)監(jiān)控與管理中心查看到，并及時(shí)通知老人家屬。

1）ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)：負(fù)責(zé)采集終端節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息及老人生命體征數(shù)據(jù)，與終端節(jié)點(diǎn)相連接的設(shè)備主要有血壓儀、血氧儀、體溫計(jì)及加速度傳感器等。

2）家庭主機(jī)：通過(guò)RS252串口線與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器相連接，終端節(jié)點(diǎn)由路由把數(shù)據(jù)信息傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)后再發(fā)給家庭主機(jī)。

3）社區(qū)監(jiān)控管理中心：主要保存老人生命體征數(shù)據(jù)并及時(shí)監(jiān)控傳感器的運(yùn)行情況，當(dāng)有異常情況發(fā)生時(shí)可以第一時(shí)間通知老人子女及相關(guān)醫(yī)療救護(hù)機(jī)構(gòu)，確保老人的生命安全，同時(shí)建立老人健康電子檔案，根據(jù)健康檢測(cè)模型定期對(duì)老人健康狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并向老人提供合理的飲食指導(dǎo)表和運(yùn)動(dòng)計(jì)劃表，以幫助老年人預(yù)防和有效治療慢性疾病，確保老人的身體健康。

3.2協(xié)調(diào)器的設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和發(fā)送接收指令，是整個(gè)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心，其芯片采用的是CC2530芯片來(lái)設(shè)計(jì)的。協(xié)調(diào)器硬件部分主要包括CC2530數(shù)據(jù)接收芯片、接收端電源、串口、指示燈、信號(hào)接收天線和接收端開(kāi)關(guān)；其中，CC2530數(shù)據(jù)接收芯片通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集終端傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)；接收端電源用于給CC2530數(shù)據(jù)接收芯片供電；串口主要與家庭主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；信號(hào)接收天線用于保證ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與路由器的數(shù)據(jù)傳輸；接收端開(kāi)關(guān)用于控制CC2530數(shù)據(jù)接收芯片是否處于工作狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)指示燈會(huì)不斷閃爍；協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3.3跌倒報(bào)警檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

跌倒報(bào)警檢測(cè)儀采用的是飛思卡爾三軸加速度傳感器和CC2530芯片設(shè)計(jì)的，老人只要把跌倒檢測(cè)報(bào)警儀佩戴在腰部就能夠?qū)崟r(shí)的檢測(cè)老人身體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如果老人有跌倒現(xiàn)象能夠及時(shí)的報(bào)警。其中，跌倒檢測(cè)算法是該設(shè)備的核心，決定了報(bào)警正確率的高低。跌倒報(bào)警檢測(cè)算法主要根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)的加速度變化模式，將人體跌倒過(guò)程分為四個(gè)階段。第一階段是佩戴加速度傳感器時(shí)的初始狀態(tài)，此時(shí)加速度傳感器的值是平穩(wěn)的，波動(dòng)變化小；第二階段是在跌倒初始階段，人體會(huì)發(fā)生失重現(xiàn)象，此時(shí)加速度傳感器的值會(huì)變小，波形上展示是較陡的下降線，曲線下降變化明顯；第三階段是撞擊階段，此時(shí)老人與地面產(chǎn)生撞擊，加速度傳感器會(huì)產(chǎn)生超過(guò)閾值的一個(gè)沖擊力，波形上是個(gè)很陡的上升線，接著人體在地面上還會(huì)發(fā)生連續(xù)接觸，所以在陡峰段后還有兩到三個(gè)小峰段；第四個(gè)階段是跌倒階段，有的人跌倒后在30秒左右能起來(lái)，這種情況老人一般沒(méi)有什么大的傷害，有的老人跌倒后就無(wú)法動(dòng)彈，或者很難在短時(shí)間內(nèi)站起，在波形體現(xiàn)上就是加速度值無(wú)變化或變化小，表示跌倒受傷，需要進(jìn)行跌倒報(bào)警，如果跌倒后加速度值有較大變化，表示跌倒沒(méi)有產(chǎn)生傷害，不做報(bào)警處理。

3.4數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server 2008作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，主要的數(shù)據(jù)表有：People、Device、Piesis、Palse、Fall、Diet、Health和其他附表，部分表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用Visual Studio 2012開(kāi)發(fā)工具，編程語(yǔ)言C#，數(shù)據(jù)庫(kù)是SQL Server 2008，軟件架構(gòu)為C/S開(kāi)發(fā)模式。整個(gè)軟件系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：家庭主機(jī)模塊和監(jiān)控中心模塊。

4.1家庭主機(jī)模塊

家庭主機(jī)模塊是安裝在社區(qū)老人家中電腦上，相當(dāng)于客戶端軟件，利用串口線與ZigBee協(xié)調(diào)器相聯(lián)，能夠通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集到老人的生命體征數(shù)據(jù)，家庭主機(jī)運(yùn)行界面圖如圖3所示。

4.2監(jiān)控中心模塊

監(jiān)控中心模塊是整個(gè)軟件系統(tǒng)的中心，也就是社區(qū)中心服務(wù)器，可以存儲(chǔ)老人的電子病歷檔案信息，并用于社區(qū)的工作人員查看整個(gè)社區(qū)的老人身體狀況，通過(guò)TCP/IP協(xié)議與家庭主機(jī)通信，服務(wù)器管理系統(tǒng)主界面圖如圖4所示。

5結(jié)束語(yǔ)

老人健康監(jiān)護(hù)技術(shù)的發(fā)展仍處于探索階段，在健康信息獲取、健康狀態(tài)評(píng)估、干預(yù)方案制定、干預(yù)過(guò)程跟蹤、干預(yù)效果評(píng)估等環(huán)節(jié)存在大量關(guān)鍵技術(shù)有待攻克，距離“低成本、個(gè)性化、普適性”的理想目標(biāo)相距甚遠(yuǎn)。本系統(tǒng)利用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集老人生命體征數(shù)據(jù)并上傳到社區(qū)監(jiān)控中心，建立老人健康電子檔案，并根據(jù)人體健康模型給予老人一定的生活干預(yù)方案，構(gòu)建了全方位多角度的老人健康監(jiān)護(hù)信息管理平臺(tái)，通過(guò)對(duì)老人健康體征信息的主動(dòng)監(jiān)測(cè)和及時(shí)處理、并合理安排老人日常飲食，從而提高社區(qū)服務(wù)水平和質(zhì)量，對(duì)降低老人慢性疾病的發(fā)病率具有重要意義。