基于MSP430单片机实验系统及传感器技术的照护系统

王倩++纪金水

摘要：本文主要基于MSP430单片机实验系统及Zigbee传感器与无线局域网设计了一种居家照护系统，该系统以无线通信技术来测量生理指标的传感器为核心，设计了一种可扩展的照护系统体系结构模型。该系统可以应用于家庭以及医院病房，构成远程的家庭、社区以及医院的医疗监护系统。

关键词：MSP430单片机；无线传感网络； 居家照护； Zigbee

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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

近几年社会老龄化问题凸显，子女白天要外出工作，没有多余的时间照顾家中年迈或病残的父母，如何更好地照顾老人引起了社会各界的广泛关注。而基于无线传感器网络的Zigbee技术的出现，为居家照护老人提供了一种全新的技术手段。采用802.15.4协议以及数据传输能力强、可靠性高的Zigbee技术，具有近距离、低成本、低功耗、低复杂度、低数据速率、高度的灵活性等特点[1]。 这些技术不仅高效的推动了对老年人的居家照护，还对居家照护技术的发展有重要意义。

文献[2]介绍了由Zigbee传感器，无线局域网构成的一种无线传感器网络在医疗监护中的应用。文献[3] 中提出一套无线多参数监护系统的设计方案， 并对方案的软硬件实现进行了详细的阐述。将无线通信技术、嵌入式Internet技术与医疗服务相结合，实现了对用户进行远程医疗监护。文献[4] 介绍了一种基于无线传感器网络技术的嵌入式远程医疗监护系统，该系统可用于家庭以及医院病房，构成远程的家庭、社区以及医院的医疗监护系统。文献[5]提出了一种基于Zigbee的无线传感器技术的病患监护系统解决方案，该方案将测量到的人体脉搏数据通过无线传感器网络传输到医院控制中心，通过控制中心的软件，使医生可视化监测病人的生理数据，并以此做出诊断评估。

本文主要基于MSP430单片机实验系统及Zigbee传感器与无线局域网设计了一种居家照护系统，该系统以无线通信技术来测量生理指标的传感器为核心，设计了一种可扩展的照护系统体系结构模型。系统中，通过终端设备来侦测老人的体温或是否跌倒，并将信号及时传送给看护者，即减轻了看护人员的负担又提高了照护的品质。

2 系统设计方案

系统的设计方案为：用传感器节点对所要看护的老人进行生理信息的采集，采集到的信息经加工处理之后通过Zigbee无线通信的方式传送到监护服务器，如果把该系统接入到Internet网络中，老人的家属或医护人员就可以在其它地方登录，随时查看老人的身体状况，一旦发生意外，立即援救。

Zigbee无线系统的组成部分有Zigbee无线传感器节点、若干路由节点和Zigbee网络协调节点。监护基站设备是整个Zigbee网络的核心，管理无线传感器网络节点和设备节点。无线传感器网络分布在老人居住的家里，老人可以携带传感器自由活动，所以Zigbee无线节点的通信距离设置为30m到60m之间，节点随机分布，覆盖整个活动区域。体温、是否跌倒等生理数据经网关传输到监护服务器，监护服务器负责数据的存储和采集，医疗人员和家属可以登录监护服务器查看。

3 系统的硬件设计

无线传感器节点主要采集人体的生理信息，通过射频通信的方式，将数据传送到监护基站设备。根据应用需求，节点的设计包括：传感器单元、处理器单元、A/D转换单元、无线通信单元以及电源单元。节点的硬件体系结构如图1所示：

传感器单元对监护对象进行相应的测量并采集数据，供处理器分析、处理；处理器管理整个网络；无线通信单元负责与其它节点通信；电源则负责给各个电源供电。传感器节点的设计主要有以下几个单元：MSP430系列单片机及其外围电路、Zigbee无线通信模块、电源模块、数模转换模块、温度传感器节点以及加速度传感器节点。

在无线传感器节点的设计中，处理器是核心单元之一。 处理器单元负责节点的信息处理、信息传输的路由选择和无线传感器网络的形成。根据具体应用的需求，在此选择MSP430系列单片机[6]。MSP430处于最小系统下的外围电路以及复位电路分别见图2和图3。

Zigbee无线通信模块选择的是Chipcon公司推出的CC2430，该模块具有低功耗，灵活性高的特点，是唯一结合单片机技术和射频通信技术的基于IEEE 802.15.4/Zigbee的Soc解决方案。CC2430模块可组成各种网络，并且可以通过增加一些外设组成功能更为强大的无线传感器网络。电源模块选择TPS73033芯片，该芯片输出3.3V的电压和200mA的电流，可以满足需求，具体的电路连接如图4所示。为了获得最精确的测量值，数模转换模块选用ADS1100。ADS1100是精密的连续自校准数模转换器，带有差分输入，高达16位的分辨率，封装为小型的SOT23-6，低电流消耗，低噪声，单周期转换，按比例进行，依电源电压为基准，每秒采样8，16，32或128次以进行转换，有增益放大器，允许对微小的信号进行测量，设计简单，极易配置。ADS1100的方框图如图5所示。用户可以通过8位的配置寄存器来控制ADS1100的工作方式、数据的传输速率和可编程的增益放大器设置，表1为配置寄存器：

在体温测试中选取Pt100温度传感器，Pt100温度传感器具有精度高，稳定性好、抗振动、耐高压、外形小巧以及即插即用等特点，利用电阻值随温度的变化而变化的原理进行测试，并选择惠斯顿电桥，为了保证获取信号的稳定性，电桥输入的电压应经TL431稳压，为了得到高强度的信号，电桥的输出信号应经过两级运算放大后再输入到A/D转换模块。电路图如图6所示。在测试老人是否跌倒时采用加速度传感器MMA7260，它是借助于单级低通滤波器、信号调理和温度补偿技术生产的电容式三轴加速度传感器。任一物体的运动可以被分解为X轴，Y轴和Z轴上的运动矢量，而MMA7260就是通过运动物体在这三轴上的加速度来判断身体姿势的变化。人在运动过程中，重力起到关键的作用，在水平运动过程中，不小心发生意外跌倒，在X轴或Y轴上加速度、速度及位移肯定发生变化，在X轴还是在Y轴上发生变化，取决于跌倒的姿势。

网关主要用于两个高层协议不同的网络连接。网关又称网间连接器或协议转换器，是一个网络连接到另一个网络的关口。在此，网关对收集到的信息进行整理，并将信息传输到远程的监护服务器。介于数据处理能力，在此选择数据处理能力强的基于ARM9的网关。

监护服务器的设计主要实现对传输来的信息进行收集、保存以及显示，以便医疗人员和被监护者家人登陆到该系统查看信息。监护服务器主要包括：存储器、人机交互部分、通信部分和数据库等。人机交互部分包括用户可以输入指令的键盘以及显示结果和操作过程的显示器。为了兼容性和适用性，在通信部分设置多种通信接口，如R232接口、射频接口和modem接口。在使用当中，监护服务器可以通过命令的形式来启动传感器节点，传感器节点接收到命令开始执行相应的采集动作，采集到相应的生理信息经一定的处理之后，再传输到监护服务器，监护服务器对接收到的信息存储并在适当时显示。

4 系统的软件设计

在硬件设计完成之后，开始进入软件设计的环节，软件是整个系统的核心，灵活性强，根据具体的应用和功能应运而生。在此根据居家照护系统所要达到的目的和特定的环境，描述它的重要模块的设计与实现。

当一个无线传感器网络建立成功之后，传感器节点需要加入到这个网络中，节点申请加入网络成功之后，就处于接受测量相应的生理信息命令状态之中，由监护服务器发出采集生理信息的命令，传感器节点的无线通信模块接受到指令，启动传感器模块，传感器模块采集信息，经AD转换模块处理之后进入处理器模块，处理器模块对采集到的信息进行分析，最后由无线通信模块转发到监护基站设备。节点加入网络流程图及信息采集流程图分别见图7和图8。

一个网络建立成功后，路由节点申请加入，监护基站设备一旦同意其加入，路由节点就处于无线监控状态下，路由节点负责数据的路由和转发，数据经过若干个路由节点最终到达监护基站设备或者直接达到监护基站设备。路由节点加入及数据转发流程图见图9。

在此监护基站设备相当于协调器，监护基站设备负责网络的建立，可以决定节点能否加入无线传感器网络并管理节点及数据传输信道的选取。如果网络建立成功，监护基站设备就处于监听状态，接受来自远程监护服务器的生理信息采集的命令，并传递给相应的传感器节点，同时接受传感器节点和路由节点的申请，它是整个无线传感器网络的核心。监护基站流程图见图10。

网关是一种连接器，可以连接两种不同的网络以达到无缝传送的效果。在此，网关连通监护服务器和Zigbee无线传感器网络中的监护基站设备，监护服务器可以通过网关向传感器节点下达命令，而被采集到的保存在监护基站设备缓冲区的信息则可以通过网关传输到监护服务器，在两通信者之间起到桥梁的作用，并可以对收集来的信息进行融合。网关工作流程图见图11。

监护服务器负责启动无线传感器节点采集信息，并对传输来的信息保存及显示，可以同时对多个老人进行监护。老人的信息放在数据库，家属或医疗人员通过查看数据库，获取老人的信息，若发生意外可采取及时的援救。监护服务器工作流程图如图12所示。

5 结束语

本设计的目的是提高老人生活质量，节省子女照顾老人的时间，并且加进了医疗人员，能够针对老人身体状况提出专业指导。老人可以在家中自由活动，减少了局限性，提高了灵活性，对构建健康和谐社会有重要的现实意义和社会意义。

参考文献：

[1] 张大踪，杨涛，魏东海. 一种低功耗无线传感器网络节点的设计[J].仪表技术与传感器， 2006（10）：54-57.

[2] 罗惠谦， 任毅， 石道生. 基于Zigbee技术的无线医疗监护系统研究[J]. 中国水运， 2007， 5（4）： 148-149.

[3] 许剑，卢建刚. 多参数无线医疗监护系统的设计与开发[J]. 中国医疗器械杂志，2005，29（6）：19-22.

[4] 赵泽，崔莉. 一种基于无线传感器网络的远程医疗监护系统[J]. 信息与控制，2006，35（2）：139-143.

[5] 郑学梅，邬春明，曲朝阳，等. 基于Zigbee无线传感器网络的病患监护系统[J].科技创新导报， 2009， 33（6）： 27-28.

[6] 秦龙. MSP430应用系统开发典型实例[M]. 北京： 中国电力出版社，2005.