基于ZigBee的老人健康监护系统设计与实现

刘忠杰

摘要：设计一种社区老人健康监护系统，对老人的生命体征和运动状况进行监测和预警，以确保老人的健康和安全。系统主要包括ZigBee无线传感网络、家庭主机和社区监控管理中心三部分，采用c≠≠语言、C/S设计模式和SQL Server 2008数据库技术，实现对社区老人身体健康状况的监护，并结合人体健康模型，给老人提供相关的饮食和健身计划，对老人慢性疾病的预防具有重要意义。

关键词：ZigBee无线网络；C/S结构；健康监护系统

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）08-0223-03

1背景

随着现代家庭生活质量的提高，人们对健康服务的要求也逐渐提高，根据老人的身体状态提供相应的个性化服务的需求也在增加，这就要求需要根据老年人不同的健康状态来制定饮食计划和健身计划。同时老年人由于身体机能退化，在行走的过程中容易发生跌倒等动作，由于老年人的骨质相对疏松，简单的跌倒动作可能会造成严重的后果。目前中国现有老龄人口已超过1.6亿，且每年以近800万的速度增加，有关专家预测，到2050年，中国老龄人口将达到总人口的三分之一。老人的生活照料、康复护理、医疗保健、精神文化等问题日益凸显，多少子女归来时沉浸在“子欲养而亲不待”的愧疚当中。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无线传感网络通信技术，设计一种应用于社区老人健康监护系统方案，通过对老人的生命体征和运动状况进行监测和处理，来确保老人的健康和安全，同时根据人体健康模型针对老年人不同的健康状态来制定合理的饮食和健身计划，对老人的慢性疾病的预防具有重要意义。

2ZigBee

2.1ZigBee技术

ZigBee是一种低功耗、低数据速率、低成本的基于IEEE802.15.4规范的短距离无线通信技术，其组网方式灵活多样，数据传输安全可靠。ZigBee与传感器结合就能组建Zig-Bee无线传感器网络，以实现一点对多点或者两点间的通信。Zigbee协议体系框架是在1EEE802.15.4标准的基础上建立起来的，IEEE802.15.4标准定义了Zigbee协议的物理层和MAC层，所以Zigbee设备应该包括IEEE802.15.4的物理层和MAC层以及Zigbee堆栈层，其中Zigbee堆栈层包括Zigbee联盟定义的网络层和应用层壹基金安全服务商提供的安全服务层，由于Zig-Bee具有诸多技术优势被广泛用于家庭和楼宇网络、工业控制、传感网络、物联网、监视、农业控制、医疗行业等多个领域。

2.2ZigBee无线传感网络

ZigBee无线传感网络是基于TI的Z-Stack协议栈进行的ZigBee应用，Z-Stack是TI公司开发的ZigBee兼容协议栈。ZigBee节点在无线传感网络中根据特定的环境选择任意网络，分别为星型、树型和网状网。在一个ZigBee网络中存在以下三种ZigBee节点：协调器、路由节点和终端节点。其中，协调器是整个网络的核心，它最主要的作用是启动网络，当整个网络启动和配置完成后，它的功能退化为一个普通路由节点。路由节点主要允许其他设备加入网络，协助终端节点通信，一般路由节点应该一直处于活动状态，不应该休眠，它主要提供接力作用，能扩展信号的传输范围。终端节点与具体的传感器设备相连，可以选择睡眠或唤醒，本系统中的终端节点主要采集老人的生命体征数据，如血压、脉搏、血氧血糖等。

3系统设计

3.1系统结构

老人健康监护系统按功能划分为ZigBee无线传感网络、家庭主机和社区监控管理中心三部分，系统结构功能图如图1所示。系统数据流程大体分为三步：首先，通过ZigBee无线传感网络采集老人的血压、血氧、脉搏、体温和是否跌倒等数据；其次，当协调器接收到数据后，通过串口把数据传输到家庭主机上；最后，利用TCP/IP协议再由家庭主机把数据传输到社区监控管理中心服务器上，服务器根据建立的老人健康电子档案和人体健康检测模型给老人提供合理的饮食和健身计划。该系统方便社区居委会对社区老年人健康状况进行管理，当有老人身體出现突发性疾病时，能够第一时间在社区监控与管理中心查看到，并及时通知老人家属。

1）ZigBee无线传感网络：负责采集终端节点的状态信息及老人生命体征数据，与终端节点相连接的设备主要有血压仪、血氧仪、体温计及加速度传感器等。

2）家庭主机：通过RS252串口线与ZigBee网络中协调器相连接，终端节点由路由把数据信息传输给协调器，协调器收到数据后再发给家庭主机。

3）社区监控管理中心：主要保存老人生命体征数据并及时监控传感器的运行情况，当有异常情况发生时可以第一时间通知老人子女及相关医疗救护机构，确保老人的生命安全，同时建立老人健康电子档案，根据健康检测模型定期对老人健康状况进行统计分析，并向老人提供合理的饮食指导表和运动计划表，以帮助老年人预防和有效治疗慢性疾病，确保老人的身体健康。

3.2协调器的设计

协调器负责启动整个ZigBee无线传感网络和发送接收指令，是整个ZigBee无线传感网络的核心，其芯片采用的是CC2530芯片来设计的。协调器硬件部分主要包括CC2530数据接收芯片、接收端电源、串口、指示灯、信号接收天线和接收端开关；其中，CC2530数据接收芯片通过ZigBee无线传感网络采集终端传感器节点数据；接收端电源用于给CC2530数据接收芯片供电；串口主要与家庭主机之间进行数据交互；信号接收天线用于保证ZigBee无线网络与路由器的数据传输；接收端开关用于控制CC2530数据接收芯片是否处于工作状态，当数据传输时指示灯会不断闪烁；协调器硬件结构示意图如图2所示。

3.3跌倒报警检测算法设计

跌倒报警检测仪采用的是飞思卡尔三轴加速度传感器和CC2530芯片设计的，老人只要把跌倒检测报警仪佩戴在腰部就能够实时的检测老人身体运动状态，如果老人有跌倒现象能够及时的报警。其中，跌倒检测算法是该设备的核心，决定了报警正确率的高低。跌倒报警检测算法主要根据人体运动的加速度變化模式，将人体跌倒过程分为四个阶段。第一阶段是佩戴加速度传感器时的初始状态，此时加速度传感器的值是平稳的，波动变化小；第二阶段是在跌倒初始阶段，人体会发生失重现象，此时加速度传感器的值会变小，波形上展示是较陡的下降线，曲线下降变化明显；第三阶段是撞击阶段，此时老人与地面产生撞击，加速度传感器会产生超过阈值的一个冲击力，波形上是个很陡的上升线，接着人体在地面上还会发生连续接触，所以在陡峰段后还有两到三个小峰段；第四个阶段是跌倒阶段，有的人跌倒后在30秒左右能起来，这种情况老人一般没有什么大的伤害，有的老人跌倒后就无法动弹，或者很难在短时间内站起，在波形体现上就是加速度值无变化或变化小，表示跌倒受伤，需要进行跌倒报警，如果跌倒后加速度值有较大变化，表示跌倒没有产生伤害，不做报警处理。

3.4数据库的设计

本系统数据库采用SQL Server 2008作为后台数据库，主要的数据表有：People、Device、Piesis、Palse、Fall、Diet、Health和其他附表，部分表结构设计如下：

4系统实现

本系统采用Visual Studio 2012开发工具，编程语言C#，数据库是SQL Server 2008，软件架构为C/S开发模式。整个软件系统分为两个部分：家庭主机模块和监控中心模块。

4.1家庭主机模块

家庭主机模块是安装在社区老人家中电脑上，相当于客户端软件，利用串口线与ZigBee协调器相联，能够通过ZigBee无线传感网络采集到老人的生命体征数据，家庭主机运行界面图如图3所示。

4.2监控中心模块

监控中心模块是整个软件系统的中心，也就是社区中心服务器，可以存储老人的电子病历档案信息，并用于社区的工作人员查看整个社区的老人身体状况，通过TCP/IP协议与家庭主机通信，服务器管理系统主界面图如图4所示。

5结束语

老人健康监护技术的发展仍处于探索阶段，在健康信息获取、健康状态评估、干预方案制定、干预过程跟踪、干预效果评估等环节存在大量关键技术有待攻克，距离“低成本、个性化、普适性”的理想目标相距甚远。本系统利用ZigBee无线传感网络采集老人生命体征数据并上传到社区监控中心，建立老人健康电子档案，并根据人体健康模型给予老人一定的生活干预方案，构建了全方位多角度的老人健康监护信息管理平台，通过对老人健康体征信息的主动监测和及时处理、并合理安排老人日常饮食，从而提高社区服务水平和质量，对降低老人慢性疾病的发病率具有重要意义。