基于Zigbee技术的家庭成员健康监测系统设计

高 磊 韩成浩

(吉林建筑大学 电气与计算机学院，长春 130118)

随着生活质量的提高,人们的健康问题受到越来越多的关注,健康数据的随时观察有利于防患于未然. 单一公民作为家庭和社会的最小组成单位,众多单一的生理健康数据组成的庞大数据信息对推动智慧医疗的大数据发展有着重要意义，并且随着生活环境中污染源的增加,人们自身的呼吸系统和免疫系统是否处于健康标准得到高度重视,其监测自身的血氧饱和度等身体指标,可及时了解自身健康状况,及时采取医疗保护措施[1].根据上述情况,本文主要对人体心率、血氧饱和度的基础数据进行采集及传输,并与实际家庭情况相结合,研究了一种基于 Zigbee技术的家庭成员健康监测系统.

1 家庭成员健康监测系统设计方案

1.1 无线通讯技术对比

Zigbee技术在无线传输技术中具有高可靠性、低成本、低功耗、高安全性、低数据速率等的优越性,被广泛应用于楼宇自动化、工业控制等领域,其可以嵌入各种设备.对比其他无线传输技术,Zigbee技术是一种低功耗、低成本的近距离无线组网通讯技术[2].基于以上特点,决定在家庭成员健康监测系统中采用Zigbee无线通信技术. 表1给出了目前智能家居领域常用无线通信技术特点对比.

表1 各个无线通信技术特点对比Table 1 Comparison of each wireless communication technology

1.2 总体设计方案

家庭成员健康监测系统设计方案如图1所示.

整个家庭成员健康监测系统包括：身体健康指标信息采集的终端节点、Zigbee节点、服务器、智能显示终端.终端节点主要负责对体温、血压、心率、血氧等身体基本数据的采集；Zigbee节点通过 Zigbee网络传输协议将采集的人体生理数据传递，经过路由器传给 Zigbee协调器,数据经协调器进行下一步信息加工与信息反馈；最后在服务器中收集、监测数据；智能终端可显示收集到的健康数据，并进行实时监测.

图1 家庭成员健康监测系统设计方案Fig.1 Family member health monitoring system design scheme

整个系统设计方案中数据的传输与收集部分主要由家庭网关服务器和Zigbee协调器组成，服务器和协调器由Zigbee协调器通过串口与网关服务器进行连接,智能终端需通过外部网络接入家庭内部网络.网关服务器接收来自外部网络的控制信息,根据接收的控制信息发送对应的控制信息给Zigbee协调器,Zigbee协调器通过Zigbee协议与对应的Zigbee子节点通信来实现相应的控制功能.为实现整体的网络协议到内部网络协议的转换,该系统从硬件层面将网关服务器与Zigbee协调器进行串口连接,使两者在硬件设计上整合在一起[3].收集的数据储存到数据库平台,且在终端节点设定健康指标自助监测范围值,控制终端会向系统中设定的监护人进行手机信息反馈,确保使用者能够及时接受医疗诊断,提高数据采集的精准度,使日常采集的数据用于医生的诊治中,提供详细的身体健康数据档案.

2 系统的硬件设计

2.1 传感器模块

心率血氧模块采用MAX30102芯片，其测量基本电路见图2.本系统主要对人体生理信息指标中的心率血氧的无线监测与数据传输进行研究.监测模块包括：内部的发光二极管、光电探测器、光学元素和带环境光抑制的低噪声电子产品,减少误差设计的可移动和可穿戴设备.MAX30102采用1.8V电源供电和用于内部LED的独立的5.0V电源,通信接口具有标准的I2C兼容性,使电源始终维持供电状态.传感器输出的模拟信号通过分压电路降压后连接到CC2530的A/D转换通道上进行数据传输.

2.2 CC2530无线发送模块

CC2530芯片硬件电路如图3.系统方案在组建Zigbee无线传感网络中采用 CC2530作为硬件核心,通过研究 CC2530建立了强大的网络节点,对传感器节点的部署进行软件设计,实现数据远程传输效果,CC2530在模式转换过程中的高效率确保了低能源消耗[4].传感器通过A/D转换通道与Zigbee控制器连接.本系统采用 CC2530无线模块，设置在终端节点将收集的身体指标数据通过建立的无线传感网传输到协调器,当协调器节点接收来自采集端的参数时进行信息加工与信息反馈，最后在服务器中收集、监测数据建立档案.

图2 MAX30102模块基本电路Fig.2 The MAX30102 module basic circuit

图3 CC2530芯片硬件电路Fig.3 CC2530 hardware circuit

3 系统的软件设计

(1) CC2530终端节点程序设计. CC2530终端节点程序设计流程图见图4.在CC2530终端节点程序设计中传感器节点程序初始化参数后接收命令,此时心率血氧传感器模块对人体发出的信号进行采集.通过CC2530芯片将采集的数据传输至服务器，服务器中数据库平台设置报警域.在软件设计过程中，CC2530芯片A/D模块将传入数据信息转换为数字信号,CC2530芯片参考电压的稳定性和噪音属性决定了转换结果的准确性[5],并且前期对部分人体动作进行反馈设定值,如运动、行走、静坐等，对应3种动作的二进制返回值分别为00,01,10,减少错误判断.经传感器转换出的数字信号通过无线传输模块传递至数据采集终端,数据采集终端根据服务器传递的控制命令进行下一步操作,进而将是否报警的命令传递给传感器节点执行.

图4 CC2530终端节点程序设计流程图Fig.4 CC2530 terminal node flow chart of program design

图5 数据库设计界面Fig.5 Database design interface

(2) 数据收集及监测. 基于Zigbee技术的家庭成员健康监测系统设计的控制终端，可采用智能手机、触摸屏、PC终端对其进行远端控制.可穿戴设备上的 CC2530将采集数据通过 Zigbee技术无线网络发送至终端电脑.研究过程中,使用电脑端串口调试助手对通过 MySQL软件进行数据记录收集,并进行实时数据传输检测, 数据库建立界面见图5.

4 结论

本系统以Zigbee技术为核心实现了家庭成员健康数据日常监测及无线传输的功能,该系统具有功能先进、技术可靠、数据准确等特点.此系统的设计可使患者在日常生活中捕捉到健康问题,为病人的电子健康记录提供有价值的数据,缓解医疗资源.

[1] 张瑞.基于Zigbee的人体健康监测系统设计[D].曲阜:曲阜师范大学,2014.

[2] 章伟聪,俞新武,李忠成.基于CC2530及Zigbee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用,2011,20(7):184-187.

[3] 陈奕枫.基干Zigbee技术的智能家居控制系统设计与实现[D].成都:电子科技大学,2014.

[4] 张如.基于Zigbee技术的家居智能管理系统的设计[J].荆楚理工学院学报,2014,29(4):32-36.

[5] 姜永增,董晶,宋广军,吴迪.物联网智能家居无线传感器网络节点设计[J].制造业自动化,2011,33(2):187-189.