基于SPCE3200的周围生活辅助系统设计

李 想 徐 苏 武 凯

(1.兰州职业技术学院 网络管理中心，兰州 730070;2.淮海工学院 工程训练中心，江苏 连云港 222000)

1 引言

物联网(IOT)是一种源自信息和交流创新概念的发展，主要是指那些可以相互交流和组网的智能模块。已知的网络空间是从任何人、任何地点与任何人的联系，而这一切都是通过它们来实现的。实现IOT的主要目标是提供有价值的数据，这些数据是以一些正确合适的格式出现的[1]。当需要这些数据时那些独立的网络与现实世界的连接就会被加强。可以说IOT将会构成未来的因特网，这种因特网将会由网络服务和网络事物组成[2]。

周围生活辅助系统(AAL)包含一些技术系统让老人和需要特殊照顾的人在日常生活中得到帮助[3]。AAL的主要目的是支持和培养这些人的生活自理能力，让他们的生活方式和生活环境变得更加的安全。AAL包括服务、产品、概念来增加生活质量、健康状况和老年人的安全,根据应用的范围的广泛的现实，AAL将以三层的方式建立，分别是硬件、中间软件和服务程序。

AAL是与环境智能有很强联系的，这就与IOT有关系了。为了能够提高生活的安全度和健康状况，要让我们的家会在智能模块的帮助下变得更加智能。AAL的主要特点有即时连接、环境感应、个人状况的适应和预测。IOT预计将能够提供各种功能，这些功能主要针对于建立一个辅助生活的环境。为了满足老年人们的需求，将会通过IOT来完成所有的功能[4]。这些功能有长期患病的监测，按要求提供新鲜的食物或发出警告，提示服务以及可以进行及时的与亲戚通话等功能。这些都是AAL通过IOT实现的一些值得称道的技术。

2 技术基础

2.1 凌阳32位SPCE3200处理器

主控芯片采用基于S+core架构32位处理器SPCE3200，该处理器最大的特色是具有较强的多媒体处理能力，SPCE3200A芯片特性如下[5]：CPU 时钟频率可达162MHz，支持32位与16位混合指令模式以及并行条件执行4K字的内存SRAM，支持SDR DRAM，最大容量可达16M字节， NAND FLASH存储容量为512M字节，满足系统的存储要求8个ADC输入端口，并具有休眠和自动唤醒功能， 既可实现传感器节点的低功耗， 又可满足协调器节点对数据管理的要求， 同时在软件编程方面可使用该公司开发的API函数，传输速度最高为10Mb/s。

2.2 ZigBee技术

作为一种新型短距离通信技术，ZigBee技术是实现方便、廉价、高可靠的短距离通信工具的合适选择。ZigBee技术与其他短距离无线通信技术相比具有如下特点[6]:(1)功耗更低。依据ZigBee Alliance官网公布，以一般电池的电力而言，ZigBee产品使用时间可达数月甚至数年之久，这个特性使它适用于那些需要一年甚至更长时间才更换电池的设备。(2)成本低。ZigBee模块的最初的成本在5美元左右，由于ZigBee协议简单，大大降低了应用成本，估计很快可以降到1.5～2.5美元。(3)网络容量大。ZigBee的解决方案支持每个网络协调器带有255个激活节点。(4)工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。(5)可靠。采用了碰撞避免机制和完全确认的数据传输机制。

3 设计方案

3.1 结构介绍

系统框图如图1：

整个系统通过基于ZigBee技术的无线传输模块实现可靠的无线通信，并结合凌阳处理器的高效处理功能，实现实时的获取用户身体的各项数据。并在紧急情况下发出警报信号，通知医护人员和亲属，从而实现对需要贴身医疗服务的老人和患者提供监护。

整个系统中,由于终端采用的是ZigBee技术，具有低能耗、高可靠的特点,所以使用者可以一年到一年半左右的时间才需要更换电池，十分方便耐用，而且一个家庭可以有多人使用。在成为实际产品前，还可以对整个系统进行优化，缩小体积，让病人可以随身携带。由于系统具有高度灵活度，可以根据实际情况加减其他功能使它成为一个多功能的终端。

本系统软件中包括下面程序模块：

主程序：初始化系统涉及到的硬件模块，如：ZigBee、TFT模组等，获取按键值并进行相应处理。

TFT驱动程序：初始TFT控制器，创建窗口并绘制图形等，实现TFT的驱动。

Tounch Panel驱动程序：初始化触摸屏并获取键值，实现触摸屏的驱动。

ZigBee驱动程序：实现了创建、加入ZigBee网络，并收发数据的功能。

主机流程图与从机流程图如图3和图4。

主程序流程如图3。程序运行后，首先进行初始化，然后，进入主循环，不断查询ZigBee网络状态，这时候如果有数据发送，则接收并将数据通过串口发送到上位机，同时会检测串口是否接收完一帧数据，接收完毕后进行相应处理。

3.2 数据采集

数据采集模块由两部分构成：第一部分是A/D转换，每间隔5分钟执行一次温度采样操作，每次采样执行18次A/D转换；在IRQ5_2Hz中断服务程序中完成。第二部分是A/D处理，A/D处理又包括两方面内容，一是滤波处理，二是实际温度转换。由于存在电路噪声、干扰以及随机错误等，在采样过程中，会产生采样信号不能够正确反映真实信号的现象，甚至会出现严重的信号偏差。为了减小误差，在实际采样时，测量18个采样点，然后再除去其中偏差较大的两个点，即一个最大值和一个最小值，再对剩余的16个点取均值，这样就可以得到比较接近实际值的A/D转换结果。

3.3 数据处理

数理流程图：

数据处理是整个系统的重要环节，它的原理是先由专业的相关人员构建出一个算法模型。当用户开始使用是，感应器将数据测得后，通过用户终端发到接收端处先进行数据处理检查整个过程是否正常，挑选出有效的数据再传给算法进行计算，得出参数值。在此期间，相关的专业人员要随时跟踪，及时发现问题保证数据的可靠。得出可靠的参数后再将参数回传给感应模块。

情况分类表：

病人状况正常轻微波动病情加重紧急状态发出的数据00011011

系统的主要目的就是根据感应器感应到数据信息并按时发出警告，当超出警戒阈值时则立即发出警告。而这个过程中需要一些参数，这些参数是可以划分等级的，如触发报警的阈值、超出正常的波动范围不多、及在正常范围内。每个病人的阈值和参值将由先前五个传来的病人数据决定。最初的阈值将由医生来检查，他对算法的基本可靠度负责。而之前的算法是专门负责这方面的人员提供的。这些算法将会用来检查阈值有没有超标。然后每一个进来的数据都用这些算法检查出于什么状况。而且测得的数据会自动每天发送，这些就会成为医生的一个事件表中的一个事件。每个星期不管有没有事情，都会收集病人情况。同时医生们还可以将病人先进行分类如普通病人、高危病人等。这样在进行监护的时候会比较有针对性，提高效率。服务中心会将病人的数据存储并进行分析，为将来的医疗服务工作积累经验。

4 结论

即时保持接触技术和贴身医疗服务的结合是充分考虑到一些特殊病人遭遇紧急情况而设计的,但本系统也有一些技术问题有待解决，例如，如何确定在收到什么样的数据的情况下才发出警报，这一类阈值问题是需要医生大量临床研究确定的，而且一个标准并不能适用于每个人(个人的身体体征是不一样的)。还有如终端传感器抗干扰的性能，因为人体的信号是十分微弱的，如何分辨数据是否是有效数据是影响整套系统能否正常工作的重要标准。

即时保持接触技术与贴身医疗服务的结合将会得到更多老人的使用，并通过物联网实现贴身医疗的关键环节。居住在装有智能芯片家中的老人将可以与不同的医生进行随时联系，得到他们的各种建议。应用于AAL的IOT技术方面，一个广泛被接受的标准将会在将来被指定。最终，更多更智能的器件将会应用到其中，从而最终实现社会医疗及福利体系的巨大进步。

[1]David Ley, Becta. “Ubiquitous Computing.” Emerging Technologies for Learning Volume 2,2007:64～79.

[2]Haller,Stephan,Stamatis Karnouskos,and Christoph Schroth. “The Internet of Things in an Enterprise Context.” Vienna: Springer (Berlin-Heidelberg),2008：14～28.

[3]Takács, Barnabás, and Dávid Hanák. “A Mobile System for Assisted Living with Ambient Facial Interfaces.” International Journal on Computer Science and Informations Systems,October 2007,(2):33～50.

[4]Pinsker,M.,et al. “Experiences Using Mobile Phones as Patient-terminal for Telemedical Home Care and Therapy Monitoring of Patients Suffering from Chronic Diseases.” 2008:1305～1312.

[5]唐洁媛.多媒体微处理器SPCE3200的应用研究[J].电子元器件应用, 2008,(6):5～9.

[6]吉诚.低速无线个域网能量有效性的研究[D].上海:上海交通大学学位论文,2007.