养老系统设计与环境检测模块分析

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摘要：针对目前人们对于现代型养老的高需求、高要求同养老机构护理的高难度、高成本、低效率的矛盾与冲突，采用模块化设计方法，设计一种基于ZigBee无线定位和数据传输技术的实时监测养老系统，以实现对老人进行实时定位、对其生理参数进行实时监控，出现异常及时告警和环境监测的功能。该系统能够满足现代型养老的更多需求，提高护理效率，降低护理成本和难度。

关键词：ZigBee；模块化设计；定位技术

我国是当今世界老年人数最多的国家。针对人口老龄化不断加剧的基本国情，我国把积极应对人口老龄化提升为国家战略，力求让每位老年人都能生活得安心、静心、舒心[1]。随着生活水平的提高，人们对于现代型养老的高要求同传统的健康监护设备高难度、高成本、低效率的矛盾日益增大[2]。在国外，目前已经有了一些利用有线和无线通信技术的监护设备研究成功的案例[3]。为了提升养老机构的监护能力和服务水平，国内有越来越多的科研人员投身到结合智能化技术（如物联网技术、智能感知技术、无线传输技术等）的养老机构的研究中。本论文设计一种基于ZigBee无线定位和数据传输技术的实时监测养老系统，该系统能够及时有效应对老人可能出现的突发情况（摔倒、突发疾病等），监测保障患有慢性病老人的生命安全，增加他们晚年生活的幸福指数。

1系统概述

本系统主要由移动检测终端、监控基站和PC监控中心三个部分组成，相互之间通过室内外ZigBee无线网络与局域网进行连接。移动检测终端即老人手上所佩戴的智能手环，由CC2538芯片作为智能手环微处理器，使其具备定位、采集信息以及语音紧急呼叫三功能为一体。监控基站作为中间连接的部分，将移动终端采集到的信息发送到PC监控中心，主要负责建立扩大化网络、收集并发送网络信标、控制移动终端工作等，起着至关重要的作用。PC监控中心主要执行生理参数分析和位置、环境数据的监测，同时具有在WEB界面上实时显示、存储、报警和实时分发信息的功能[4]。系统框图如图1所示。

2ZigBee无线技术

ZigBee技术是继WiFi、蓝牙之后新一代的无线通信技术，它的最大特点就是低功耗、可组网。其在成本和功耗方面优于WiFi，而从可支持的网络节点数量角度来说ZigBee比蓝牙更适合需要大量终端和节点的架构。但是传输速率远不及WiFi和蓝牙[5]。综合考量之后，该系统选择ZigBee技术运用于养老院系统内部信息的传输，通过建立监护基站来克服其网络通信距离短、覆盖范围小（ZigBee技术的通信距离在75m内）的缺点，扩大其覆盖范围到直径150m左右来满足大部分养老院的需要。

3系统硬件设计

本系统采用由TI（德州仪器）公司生产的CC2538芯片为硬件平台进行模块化设计，智能手环由生理参数检测、语音灯光、环境检测、位置检测和无线收发五个功能模块组成。其中生理参数和环境数据的采集由传感器来完成，部分需通过模-数转换后再将数据传输至CC2538。此芯片作为智能手环的微处理器，负责数据的收发、运算、存储等，最终实现定位、采集信息与语音紧急呼叫功能。

3.1核心芯片

CC2538是一款针对高性能ZigBee应用的理想片上系统（SoC）芯片。它包含基于ARMCortex-M3的强大MCU系统，具有高达32KB的片上RAM和高达512KB的片上闪存以及可靠的2.4GHzIEEE802.15.4兼容RF收发器。这使得该器件可实现最大的灵活性，能支持具有多达数百个端节点的网状网络，能够处理涉及安全性、要求严格的应用以及无线下载的复杂网络堆栈。32个通用输入和输出（GPIO）以及串行外设接口可实现到电路板其他部分的简单连接。其具有保持功能的低功耗模式可实现从睡眠状态中快速唤醒，并且大大降低了执行周期任务时的能耗。此外，该芯片具备精确的数字RSSI/CCA特性，可以实现定位功能，能够很好地满足设计需要。

3.2环境检测模块

环境检测模块包含温度测量、烟雾浓度测量和空气质量检测三个部分。（1）温度测量采用温湿度传感器芯片HTU21D，其可以直接与微控器接口连接输出经过校正的线性的I²C数字信号，电路简单，数据精度高。此外，HTU21D专为低功耗小体积应用设计，响应速度快，抗干扰能力强。（2）烟雾浓度测量采用MQ-2型传感器。此传感器成本低且灵敏度高，可检测到多种可燃性气体，具有良好的抗干扰性和稳定性，检测可燃气体与烟雾的范围是100～10000ppm。（3）空气质量检测采用TGS2600半导体空气传感器。它能够灵敏地感知空气中低浓度污染物的异味，监测空气质量的变化。与其他空气传感器相比，具有成本低、寿命长、体积小、稳定性好等特点，为实时监测空气质量和通风换气设备等提供了方便可靠的方法。

3.3生理参数测量模块

3.3.1体温测量采用美国DALLAS公司生产的DS18B20单线数字集成温度传感器实现体温测量。此传感器仅用一条I/O口线就可实现CC2538与DS18B12的双向通讯。可以省去滤波、A/D转换等模块，系统结构简单的同时节约了硬件成本，且测量精度高，抗干扰能力强。在掉电时，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值，是一款可靠性很高的传感器。3.3.2心电、血氧、血压、心率测量采用深圳加一健康科技有限公司研发设计的PLUS101模组实现对心电、血氧、血压、心率四个参量的测量。该PLUS101模组所具备的特点有：（1）内置专业的医疗级算法，满足YY0885-2013、IEC60601-2-47医疗专标要求；（2）输入阻抗≥500MΩ，在人体皮肤干燥情况下也能测出心电图；（3）共模抑制比≥100dB，能够滤除人体上携带的50/60Hz工频信号，使波形更干净平稳；（4）支持心率失常分析，具有伪差识别功能；（5）低功耗；（6）可同时采集PPG光电传感器+ECG心电芯片发出的生物信号，实现对心率和血压更精确的测量。PPG光电测量心率用于全天自动记录，系统统计剔除误差，得出平均水平。ECG心电测量用于单次精准测试，全面评估心脏的工作状况。此芯片模组支持SPI/I²C接口，可直接与CC2538芯片对应接口相连接。

3.4语音灯光模块

语音紧急呼叫功能借助深圳清月电子有限公司生产的KT404A语音芯片实现。此芯片集成了MP3、WAV的硬解码，同时软件支持工业级别的串口通信协议，以SPIFLASH（超小型封装）或者TF卡、U盘作为存储介质，通过简单的串口指令即可完成播放指定的语音，以及如何播放语音等功能，具备包括串口模式在内的多种控制模式，使用方便，稳定可靠。在更新语音文件时通过Miniusb接口即可，无需安装任何软件，支持XP和WIN7系统。本系统中，PC监控中心根据监控基站传递过来的生理参数与系统设定的正常参考值相比较，若超出正常范围，则启动语音模块来提醒老人和护工。与此同时，灯光模块中对应床位灯应闪烁，所需灯盏数依据实际床位数来定。

3.5位置检测模块

基于CC2538芯片具备精确的数字RSSI/CCA特性的优点，本系统采用RSSI定位技术来对老人的实时位置进行检测。位置信息的采集通过读取CC2538芯片内置的接收信号强度指示器得到RSSI值，再根据定位算法，借助被测终端与固定的监控基站、其他检测终端之间的相互通信计算出所处位置对应的具体化坐标并存储。

3.6无线收发模块

无线收发模块负责与其他检测终端、监控基站进行通信、交换控制信息和收发生理和环境信息等。主要由CC2538芯片、射频部分、监控基站及天线等构成，该模块把采集到的信号传输至PC监控中心进行进一步的处理和操作。其中射频部分由功率放大器和低噪声放大器构成。采用两节干电池和DC-DC升压变换器构成了传感器节点的供电单元，稳定输出3.3V，满足系统供电要求[6]。系统通信网络主要由ZigBee无线网络和Wi-Fi局域网两部分组成。ZigBee无线网络由检测终端（CC2538芯片RF模块）、监控基站、网关协调器构成，采用树状网络和网状网络结合的网络拓扑结构。网关协调器作为两个无线网络的连接点，实现ZigBee和Wi-Fi两种协议之间数据转换和传输。PC监控中心与网关协调器之间采用5GHz的Wi-Fi通信。

4系统软件设计

4.1下位机软件设计

下位机软件的设计主要包括基于CC2538的传感器数据的采集和处理、体征信号参数的计算和移动检测终端位置信号的提取。在ZigBee网络覆盖下，本系统采用基于RSSI的实时定位算法DMBS来实现对老人实时位置的定位。RSSI定位技术指通过接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离，进而根据相应数据进行定位计算。而DMBS算法的主要思想如：将一个监控基站作为一个位置已知的静态节点，用于收集各个基站之间相互传输的信息，主要包括各基站的坐标和发送、接收消息的RSSI值，在基站上利用最小二乘法建立相对应的信号衰减模型；接着基站利用多跳传输路径将信号衰减模型发送给各个未知节点（检测终端），而各个未知节点根据信号衰减模型和其自身到邻近基站的信号衰减值，估算到邻近基站之间的距离，在得到距三个或者三个以上基站的距离后，在未知节点上进行坐标定位的计算。这样便可解决在用RSSI进行定位时，信号衰减模型随环境的动态变化而导致的节点定位精度较低的问题，而且运用RSSI进行定位不需要增加额外的硬件，相对于其他算法具备较高的定位精度。未知节点的位置信息被算出后便打包成数据包通过基站发送给监控中心、其他基站和终端。PC监控中心从3个或3个以上的基站处接收数据包信号，获得老人（检测终端）的实时位置并将其存储更新。

4.2上位机软件设计

PC监控中心作为系统的上位机，负责对整个系统进行协调与控制，主要执行生理参数分析和位置、环境数据的管理，同时具有在WEB界面上实时显示、存储、报警和实时分发信息的功能。设计内容主要包括系统管理、数据分配、定位显示、参数分析与报警和告警5个模块，上位机软件基于LabVIEW实现。

5结语

本文设计的系统，在ZigBee网络和局域网的覆盖下，可以实现对老人生理参数、周围环境以及所处位置的实时监测，为应对无人看护时可能出现的突发情况提供了一个有效的解决办法。本系统具有较高的灵活性和扩展性，适用于养老机构、社区甚至家庭养老。同时，该系统能够为护理人员后续分析老年人的移动特点、改进机构设施或者病情诊断提供较为精确的数据支持，具有一定的社会意义。

参考文献

[1]胡春艳.“一老一小”的服务供给亟待升级[N].中国青年报,2021-03-08(01).

[2]杨兆辉,姜宇,梁丽丽.基于ZIGBEE的身体健康监测系统设计[J].黑龙江科学,2017(4):28-29.

[3]吕志刚,李芍,黄义国,等.养老院智慧监护系统[J].工业控制计算机,2018(8):60-61+64.

[4]任鹏玲,李立峰,陈龙图,等.养老机构老年人移动体征监测系统设计[J].中国医疗器械杂志,2014(2):110-113.

[5]卢俊文.ZigBee技术的原理及特点[J].通讯世界,2019(3):35-36.

[6]薛俭雷,田春华.基于ZigBee无线传感网络的医疗监测系统硬件平台的构建[J].鸡西大学学报,2014(5):59-60.

作者：刘艺苇 崔欣 钱晨 李馨怡 单位：江苏师范大学江苏圣理工学院