基于ZigBee的养老院健康监护系统设计

孔维康，陶　帅，汪祖民

(大连大学 信息工程学院，辽宁 大连　116622)



基于ZigBee的养老院健康监护系统设计

孔维康，陶帅，汪祖民

(大连大学 信息工程学院，辽宁 大连116622)

针对养老院中对老人的监护需求，提出一种基于ZigBee无线通信技术的养老院健康监护方案，设计一个经济实用的低功耗ZigBee无线监测系统；系统各个节点以CC2530为核心，通过控制Pulse Sensor脉搏传感器、DS18B20体温传感器、XGZP6847血压传感器来采集老人的生命体征数据；数据通过监护中心进行监测与分析，如果超出健康范围，系统将进行语音提示并通知护工；实验表明该系统可以有效提高养老院的监护水平。

ZigBee；养老院；CC2530；Pulse Sensor；DS18B20；XGZP6847

0　引言

最新数据显示，中国老龄人口每年以近800万的速度增加，我国已进入老龄化社会。这使得更多的老年人不得不选择在养老院养老。近几年，老人心脏病发猝死的新闻常有报道，大部分是因为没能及时的了解自身健康指标的变化，造成晕厥死亡。传统的健康监护设备普遍体积大，使用过程繁琐复杂，在很大程度上限制了病人的及时救助治疗。在国外，已经有了一些利用无线技术的监护设备研究的成功案例。在国内，结合了无线传输技术的健康监护系统正日渐成为市场发展的主流。

式中：Dms、Dfw、Drh、Dgp、Dshw和Drhw分别为主蒸汽、给水、热再热蒸汽、高压缸排汽、过热器减温水和再热器减温水的流量，t/h；hms、hfw、hrh、hgp、hshw和hrhw分别为主蒸汽、给水、热再热蒸汽、高压缸排汽、过热器减温水和再热器减温水的焓值，kJ/kg。

然而，现有的系统终端采集完信号后，没有对老人进行语音提示，而本系统不但对老年人的血压、脉搏进行监护，并且在超出健康范围的时候进行语音提示和通知护工。这样能够使老人了解自身的健康状况并且及时休息或者去医院治疗，从而避免耽误救治。

PCR产物用1%的琼脂糖凝胶电泳检测判断是否为阳性扩增。样品和Marker的上样量为4 μL。设定电压为150 V，电泳时间15 min。接通电极，PCR产物由阴极向阳极移动。电泳结束后紫外成像观察，结果见图1。

在我国的农业发展过程中，田园综合体还处于发展探索阶段，各省(市、自治区)对该发展模式的发展途径和模式进行进一步的探索，直到2017年底，已经有18个省申报了国家级田园综合体项目，项目总数达26个(表1)，其中已有11个田园综合体发展项目获得国家审批通过。虽然我国田园综合体仍在不断探索中，但其建设对我国农业有着不可小觑的作用。田园综合体的发展建立在农业发展的基础之上，良好的农业发展态势为田园综合体的发展提供了基石[4]。

1　系统总体设计

DS18B20是由美国DALLAS公司生产的高性能单线数字式温度传感器。该传感器具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点[6]。另外，DS18B20是温度—电流传感器，可有效提高系统抗干扰能力。

图1　系统总体结构图

XGZP6847是芜湖芯感智传感器技术有限公司生产的一款广泛用于医疗电子行业的血压传感器。该传感器尺寸小，易安装，集成了数字调理芯片，其PCB板的两面分别安装有压力传感器和处理电路芯片，对传感器的偏移，灵敏度，温漂和非线性进行数字补偿，产生一个经过校准，温度补偿后的标准电压信号。

2　系统硬件设计

2.1终端节点硬件设计

在4个组别温度升高的第1天、第3天和第10天，每个组别的每个重复中随机选择1只鸡，选择使用数字体温计测量肉鸡直肠温度。同时，在同一时间内，采集该重复的另1只鸡迅速使其安乐死，在3 min内取出下丘脑组织放入速冻管中-80 ℃保存，20 d内测定下丘脑中热休克蛋白70的浓度[2]。

图2　终端节点结构图

2.1.1无线采集终端节点硬件设计

CC2530是TI公司推出的工作于2.4 GHz频段，符合IEEE802.15.4规范的真正片上系统。CC2530从睡眠模式转换到主动模式的时间极短、响应速度极快，这些特性使得芯片非常适合在无线传感器网络中的应用[3]。为了降低功耗，CC2530控制系统大部分时间工在休眠状态下，定时开启各驱动模块完成人体特征信息的采集和发送工作后，再次进入休眠[4]。

Pulse Sensor是一款光电反射式脉搏传感器。将其佩戴于手指或耳垂等处，通过导线连接可将采集到的模拟信号传输给单片机用来转换为数字信号，再通过单片机简单计算后就可以得到心率数值[5]。

ZigBee无线通信技术是一种低功耗、低成本的短距离无线通信技术，组网方式灵活多样，数据传输安全可靠[1]，与传感器结合就能组建ZigBee无线传感器网络，实现一点对多点，两点间的通信。ZigBee网络节点按功能分为三大类：协调器节点、路由器节点、终端节点。根据实际情况和用户的需求，一定数量的节点可以组成3种不同拓扑结构的网络，分别是星形网络，树形网络和网状网络[2]。本文采用组网相对简单的星形拓扑结构。星型网络由一个协调器和多个终端设备组成，只存在协调器与终端之间的通信。

现有变电站均通过调度数据专网接入调控中心D5000系统服务器。通过调度专用数据网(光端机)分出一个站间带宽不小于2 Mb/s(每秒下载速度不少于300 KB/s)的局域网通道接口给网络五防系统使用，使网络五防服务器与控端五防主站、所辖各变电站五防子站组成局域网络，网络结构图如图4所示。

本健康监护系统的总体框架图如图1所示。系统的功能实现分为以下部分。第一，ZigBee无线终端采集节点对人体的参数进行采集；第二，ZigBee采集节点通过ZigBee协议将采集的数据发送到协调器节点；第三，协调器节点根据采集数值和系统设定值进行比较，决定是否启动灯光模块来通知护工；第四，协调器节点根据采集数值和系统设定值进行比较，决定是否启动语音模块来提醒老人；第五，协调器节点还负责建立ZigBee网络，发送和接收指令；第六，协调器通过RS-232串口与监护中心进行数据通信；第七，监护中心负责显示老人的健康信息。另外，整个ZigBee网络采用无线传输模式，ZigBee网络和监护中心之间采用有线传输模式。

Pulse Sensor传感器、DS18B20传感器、XGZP6847传感器与CC2530接口电路如图3所示。

图3Pulse Sensor、DS18B20、XGZP6847与CC2530连接图

2.1.2无线控制终端节点硬件设计

本系统设计的无线控制终端节点控制语音模块和灯光模块。

伴随着越来越多的西方学者开始重视企业财务风险的管控研究，对于风险管理的研究也越来越扎实和系统，并逐渐发展成为一门独立的体系。这一时期的代表论著为《风险管理与保险》，书中将企业的风险管理归纳为五个方面，包括风险因素搜集、风险衡量、风险管理的对策、风险损失的弥补以及企业信息沟通。企业风险研究的不断成熟，带来了保险行业的茁壮成长，美国保险管理协会在1983年首次通过了“101条风险管理准则”，标志着风险管理逐步走向标准化和科学化。到21世纪初期，西方学者逐步从原有的理论分析阶段跨越到实证分析模型，通过资产定价模型、套利模型等，逐步完善了对于金融资产风险的研究。

ISD1700语音模块是华邦ISD公司2007年推出的优质语音录放电路。该模块的优势在于音质好，电压范围宽，应用灵活，造价低[7]。在本系统中，ZigBee采集节点通过ZigBee协议将采集的数据发送到协调器节点之后，协调器节点根据采集数值和系统设定阈值进行比较，决定是否启动语音模块来提醒老人。另外，本系统协调器节点还会根据采集数值和系统设定值进行比较，决定是否启动灯光模块来通知护工。灯光模块设计有两盏灯：LED1和LED2，两盏灯都需要CC2530进行控制，当一方出现超出设定值的情况后，相应的灯就会亮起，通知护工。

语音模块、灯光模块与CC2530接口电路如图4所示。

图4Sound、LED与CC2530连接图

2.2协调器节点硬件设计

On Error Resume Next '得到存在串口的函数

协调器节点的作用是负责建立网络；接收并处理无线终端节点采集的老年人脉搏心率数据、体温数据；操作无线终端控制节点，对LED1、LED2、放音模块进行控制；以及通过串口RS—232数据线完成与监控中心的电脑进行通信，将数据发送到电脑上显示。协调器节点结构如图5所示。

模型中黑色部分为谐振杆与耦合筋;黄色部分为调谐螺杆与耦合螺杆;棕色部分为实现容性耦合的飞杆;绿色部分为低通模块。同样通过HFSS与Designer的协同仿真,协同方法参照文献[10],最终确定全腔尺寸大小,相应的双路滤波器实物如图7所示,其中左图为腔体内部结构图,右图为组装并调试好的成品图。

图5　协调器节点结构图

协调器节点主要由CC2530ZigBee模块、RS-232串口电路、电脑以及电源模块组成，其中CC2530模块是协调器节点的核心部分，它的任务是，接收无线采集终端节点发送来的脉搏心率数据和体温数据，根据需求存储，并且对数据能够进行简单的处理分析，如果超出指定范围，触发无线终端控制节点，控制灯光模块和语音模块。从图1所示系统总体结构图中可以看出，ZigBee协调器和监护中心电脑之间采用有线传输模式。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232接口是目前最常用的一种串行通讯接口。本系统协调器和电脑之间采用RS-232通讯接口，将采集的数据通过协调器整理后传给监护中心。

3　系统软件设计

3.1脉搏采集节点软件设计

深部综掘巷道超前支护机组是由一系列的超前支架组成，如图1所示。机组在工作时沿巷道掘进方向排开，掘进机在机组下方工作，机组提供一段超前支护区域，同时两帮可以在超前支护时安装锚杆。

MSComm1.PortOpen = True

找工作碰壁回来，在一家小油漆厂工作的叶霭玲安慰我。她总是说，不要急，慢慢来。我苦笑笑，为了摆脱尴尬，我跟她讲了一个笑话。我说，我们学校搞了一座雕塑，一位少女左手抱着一本书，右手高高地托举起一只和平鸽。校领导向全校师生征集雕塑名，答案自然是五花八门。结果你猜，大家评出的最佳雕塑名是什么？不知道吧？我告诉你，读书顶个鸟用！

图6脉搏采集节点程序流程图

3.2无线控制终端节点软件设计

(5)结合时区图及突变词检测结果，发现研究桂医研究新趋势主要为：预后、综述、氧化应激、同型半胱氨酸、生活质量、阿尔茨海默病、帕金森病、支气管哮喘、老年人、meta分析、小鼠、抗菌药物、bcl2、进展、感染等。

无线控制终端节点软件设计流程如图7所示。上电后首先进行硬件和协议栈初始化，成功加入协调器网络后，进入休眠模式。当收到协调器命令信息后，节点立即由休眠模式进入工作模式，调用灯光模块通知护工，调用语音模块提示老人。

图7无线控制终端节点结构图

3.3用户界面的实现

本监护系统的设计是在基于ZigBee的养老院健康监护系统的研究基础上的进一步探索。系统在进行设计时考虑了以下几方面因素：1)系统的稳定性，安全性和可靠性；2)系统的实时操作能力；3)用户界面的友好性。

本监护系统的界面安装在监护中心的电脑上，并由养老院的相关管理人员控制。根据养老院老人的身体情况，分为以下两种等级的监控方式：1)对于有危重病情的老人的监护采用24小时实时监控的方式。由采集系统全天自动采集老人的身体参数，并上传至监护中心，由管理人员判断。2)对于普通老人，采用定时采集的方式，即由监护中心的管理人员每天从监护中心操作本界面，控制系统终端定时采集老人的身体参数。

本健康监护系统设计的终端节点分为无线采集终端节点和无线控制终端节点两类。无线采集终端节点主要任务是驱动DB18B20传感器采集体温数据；驱动Pulse Sensor传感器采集脉搏心率数据；驱动MPS-2107传感器采集血压数据。无线控制终端节点主要任务是通过2.4 GHz天线接收协调器节点发送的命令，驱动语音模块和灯光模块。其结构如图2所示。

3.4上位机软件程序设计

人机界面和传感器的通信采用Visual Basic编程，数据的采集与处理及实时显示的核心代码如下：

Private Sub Form_Load() '启动默认加载

现阶段，建筑行业在市场经济体制下已经取得了较为显著的成就。然而，在诸多因素的影响下，部分地区政府投资项目工程造价结算设计工作仍存在一些不足之处。针对此现象，本文在研究中通过对工程造价结算工作中问题的分析，从规范结算审计、提高监督水平、加强对结算审计人员的综合培养、规范项目立项报批程序和审核流程等方面，重点研究解决工程造价结算设计工作问题的措施。在日后政府投资项目工程造价结算工作中，工作人员要始终从国家法定和规范程序，以严格的态度对待政府投资项目工程造价结算审计问题。希望本文的研究可以为提升政府投资项目工程造价结算水平提供宝贵的建议。

For a = 1 To 20

MSComm1.CommPort = a '获取串口端口号控件

脉搏采集节点采集老人的心跳脉搏，并发送给协调器，接收协调器发送的指令。其软件设计流程如图6所示。采集节点上电后首先进行硬件和协议栈的初始化，搜索邻近的网络，并且发送申请加入信息，等待网络协调器确认，信息确认通过后，节点即入网成功，然后进入休眠模式。接收到指令后从休眠模式退出，检测到脉搏信号后启动定时器，截取一段时间内的脉搏数值，整理之后发送给协调器。数据发送成功后又进入休眠模式，再次受到协调器读取数值的指令时，退出休眠模式。

If MSComm1.PortOpen = True Then

Combo1.AddItem "COM" & a '显示端口号

'On Error Resume Next '读取数据

Select Case MSComm1.CommEvent '有数据上传

Case comEvReceive '数据接收

buffer = MSComm1.Input '读取数据

MSComm1.InBufferCount = 0 '清缓冲

Private Sub start_Click()

“关系在这呢，所以我们根本不怕他们检查那些，前两天就打了招呼哪里要来检查，所以我这儿从来没有说抓导游啊。”○14罗经理，四川某土特产店。

On Error Resume Next '打开串口

MSComm1.InBufferSize = 50 '设置缓冲区大小

MSComm1.InputMode = comInputModeText '字符读取

4　实验与结果分析

根据设计的基于ZigBee的养老院健康监护系统，本文对系统进行初步测试，即对老人的体温、脉搏和血压进行采集。同时，为了测试系统采集数据的准确性，将系统测量的结果与传统方式的测量结果进行比较。另外，舒张压、收缩压采集的单位为kPa(千帕)，需要换算成常用单位mmHg(毫米汞柱)，换算公式为：kPa*7.5=mmgh。生理参数测量情况对比如表1，表2所示。本实验数据是采用定时采集的方式，即由监护中心的管理人员在一天的不同时段，从监护中心操作本界面“启动”按钮，利用ZigBee无线网络控制系统终端定时采集老人的身体参数。

绍圣元年山谷所作诗文亦多禅语，张耒《赠无咎以“即见君子，云胡不喜”为韵》为证：“黄子少年时，风流胜春柳。中年一钵饭，万事寒木朽。室有僧对谈，房无妾侍帚。”（转引自龙延《黄庭坚早期禅学源流论考》，《重庆邮电学院学报·社会科学版》，2003年第5期）

从表1、表2测量数据可以看出，系统能采集老人生理参数并无线传输，验证了系统无线传输功能的有效性；同时，系统测量的数据与传统测量的结果基本上一致，说明系统对相关参数的测量有较高的准确性，温度平均误差0.41%，心率平均误差1.17%，收缩压平均误差0.4%，舒张压平均误差0.9%，这些误差范围不会影响医护人员的正确决策，符合实

表1　体温与脉搏测量数据与传统测量值的对比

表2　血压测量数据与传统测量值的对比

际要求。

5　结论

本系统通过设计基于ZigBee的养老院健康监护系统，可有效地对老人的身体指标进行监护，避免老人出现健康状况时无人知晓。本文以CC2530为硬件核心构建一个ZigBee无线传感网络，详细阐述了协调器节点、终端节点的硬件设计方法和软件设计流程。经实验表明，系统可靠性高、功耗低，能够满足实际应用的要求，使老人能够了解自身的身体情况并且及时休息或者去医院治疗，从而避免耽误救治，为养老院老人健康监护提出了一种新的方法。

[1]赵锦萌,吴效明,张莉莉. 面向家庭的ZigBee医疗监护网络研究[J].计算机测量与控制,2012,20(3) :780-783.

[2] 朱亮,王绪国,庾嘉平,等. 基于ZigBee的医疗监护系统的设计与研究[J].微型机与应用,2013,32(19) :66-68.

[3] 衣翠平,柏逢明.基于ZigBee技术的CC2530粮库温湿度检测系统研究[J]. 长春光学精密机械学院学报,2011,34(4):53-57.

[4] 吴响,张立,赵强,等.基于体域网的远程健康监护系统设计[J]. 电子技术应用,2014(3):19-21.

[5] 孟仁俊,丁辛.可嵌入服装的PVDF压电传感器的研制与应用[J].产业用纺织品,2010,28(2):26-30.

[6] 秦芹.一种基于DS18B20的温度采集新方案[J].电子技术, 2010,37(10):62-64.

[7] 刘恩华,徐科明.基于ISD1700 SPI协议模式的语音报警系统[J].电子测试, 2009,(10):69-72.

Design of Health Monitoring System Based on ZigBee in Nursing Homes

Kong Weikang，Tao Shuai，Wang Zumin

(College of Information Engineering, Dalian University, Dalian116622, China)

Due to the demand for nursing care of elderly, a health care scheme in nursing homes is proposed based on ZigBee wireless communication technology，design a cost-effective, low-power-consumption ZigBee wireless monitoring system. Each node of the system is based on CC2530, collects the vital signs of elderly by controlling the pulse sensor, temperature sensor of DS18B20, blood pressure sensor of XGZP6847. Data is monitored and analysed in custody center。If the data exceeds the range, the system will give a voice prompt, and announce nursing workers. The experimental results show that the system can effectively improve the level of nursing home care.

ZigBee; nursing home ;CC2530; pulse sensor；DS18B20；XGZP6847

2015-06-03；

2015-09-11。

国家自然科学基金青年科学基金项目(61501076)。

孔维康(1986-)，女，天津市人，硕士研究生，主要从事物联网技术应用、无线传感器网络方向的研究。

汪祖民(1975-)，男，河南信阳人，教授，硕士研究生导师，主要从事物联网技术、嵌入式开发方向的研究。

1671-4598(2016)01-0095-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.026

P315.69

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