基于Zigbee技術(shù)的家庭成員健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 磊 韓成浩

(吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，長春 130118)

隨著生活質(zhì)量的提高,人們的健康問題受到越來越多的關(guān)注,健康數(shù)據(jù)的隨時(shí)觀察有利于防患于未然. 單一公民作為家庭和社會(huì)的最小組成單位,眾多單一的生理健康數(shù)據(jù)組成的龐大數(shù)據(jù)信息對(duì)推動(dòng)智慧醫(yī)療的大數(shù)據(jù)發(fā)展有著重要意義，并且隨著生活環(huán)境中污染源的增加,人們自身的呼吸系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)是否處于健康標(biāo)準(zhǔn)得到高度重視,其監(jiān)測自身的血氧飽和度等身體指標(biāo),可及時(shí)了解自身健康狀況,及時(shí)采取醫(yī)療保護(hù)措施[1].根據(jù)上述情況,本文主要對(duì)人體心率、血氧飽和度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及傳輸,并與實(shí)際家庭情況相結(jié)合,研究了一種基于 Zigbee技術(shù)的家庭成員健康監(jiān)測系統(tǒng).

1 家庭成員健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 無線通訊技術(shù)對(duì)比

Zigbee技術(shù)在無線傳輸技術(shù)中具有高可靠性、低成本、低功耗、高安全性、低數(shù)據(jù)速率等的優(yōu)越性,被廣泛應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制等領(lǐng)域,其可以嵌入各種設(shè)備.對(duì)比其他無線傳輸技術(shù),Zigbee技術(shù)是一種低功耗、低成本的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)[2].基于以上特點(diǎn),決定在家庭成員健康監(jiān)測系統(tǒng)中采用Zigbee無線通信技術(shù). 表1給出了目前智能家居領(lǐng)域常用無線通信技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比.

表1 各個(gè)無線通信技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of each wireless communication technology

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

家庭成員健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示.

整個(gè)家庭成員健康監(jiān)測系統(tǒng)包括：身體健康指標(biāo)信息采集的終端節(jié)點(diǎn)、Zigbee節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器、智能顯示終端.終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì)體溫、血壓、心率、血氧等身體基本數(shù)據(jù)的采集；Zigbee節(jié)點(diǎn)通過 Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議將采集的人體生理數(shù)據(jù)傳遞，經(jīng)過路由器傳給 Zigbee協(xié)調(diào)器,數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)調(diào)器進(jìn)行下一步信息加工與信息反饋；最后在服務(wù)器中收集、監(jiān)測數(shù)據(jù)；智能終端可顯示收集到的健康數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測.

圖1 家庭成員健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.1 Family member health monitoring system design scheme

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中數(shù)據(jù)的傳輸與收集部分主要由家庭網(wǎng)關(guān)服務(wù)器和Zigbee協(xié)調(diào)器組成，服務(wù)器和協(xié)調(diào)器由Zigbee協(xié)調(diào)器通過串口與網(wǎng)關(guān)服務(wù)器進(jìn)行連接,智能終端需通過外部網(wǎng)絡(luò)接入家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò).網(wǎng)關(guān)服務(wù)器接收來自外部網(wǎng)絡(luò)的控制信息,根據(jù)接收的控制信息發(fā)送對(duì)應(yīng)的控制信息給Zigbee協(xié)調(diào)器,Zigbee協(xié)調(diào)器通過Zigbee協(xié)議與對(duì)應(yīng)的Zigbee子節(jié)點(diǎn)通信來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能.為實(shí)現(xiàn)整體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換,該系統(tǒng)從硬件層面將網(wǎng)關(guān)服務(wù)器與Zigbee協(xié)調(diào)器進(jìn)行串口連接,使兩者在硬件設(shè)計(jì)上整合在一起[3].收集的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫平臺(tái),且在終端節(jié)點(diǎn)設(shè)定健康指標(biāo)自助監(jiān)測范圍值,控制終端會(huì)向系統(tǒng)中設(shè)定的監(jiān)護(hù)人進(jìn)行手機(jī)信息反饋,確保使用者能夠及時(shí)接受醫(yī)療診斷,提高數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)度,使日常采集的數(shù)據(jù)用于醫(yī)生的診治中,提供詳細(xì)的身體健康數(shù)據(jù)檔案.

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

心率血氧模塊采用MAX30102芯片，其測量基本電路見圖2.本系統(tǒng)主要對(duì)人體生理信息指標(biāo)中的心率血氧的無線監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行研究.監(jiān)測模塊包括：內(nèi)部的發(fā)光二極管、光電探測器、光學(xué)元素和帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子產(chǎn)品,減少誤差設(shè)計(jì)的可移動(dòng)和可穿戴設(shè)備.MAX30102采用1.8V電源供電和用于內(nèi)部LED的獨(dú)立的5.0V電源,通信接口具有標(biāo)準(zhǔn)的I2C兼容性,使電源始終維持供電狀態(tài).傳感器輸出的模擬信號(hào)通過分壓電路降壓后連接到CC2530的A/D轉(zhuǎn)換通道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.

2.2 CC2530無線發(fā)送模塊

CC2530芯片硬件電路如圖3.系統(tǒng)方案在組建Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中采用 CC2530作為硬件核心,通過研究 CC2530建立了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的部署進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸效果,CC2530在模式轉(zhuǎn)換過程中的高效率確保了低能源消耗[4].傳感器通過A/D轉(zhuǎn)換通道與Zigbee控制器連接.本系統(tǒng)采用 CC2530無線模塊，設(shè)置在終端節(jié)點(diǎn)將收集的身體指標(biāo)數(shù)據(jù)通過建立的無線傳感網(wǎng)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器,當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收來自采集端的參數(shù)時(shí)進(jìn)行信息加工與信息反饋，最后在服務(wù)器中收集、監(jiān)測數(shù)據(jù)建立檔案.

圖2 MAX30102模塊基本電路Fig.2 The MAX30102 module basic circuit

圖3 CC2530芯片硬件電路Fig.3 CC2530 hardware circuit

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

(1) CC2530終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì). CC2530終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)流程圖見圖4.在CC2530終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)中傳感器節(jié)點(diǎn)程序初始化參數(shù)后接收命令,此時(shí)心率血氧傳感器模塊對(duì)人體發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行采集.通過CC2530芯片將采集的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器中數(shù)據(jù)庫平臺(tái)設(shè)置報(bào)警域.在軟件設(shè)計(jì)過程中，CC2530芯片A/D模塊將傳入數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),CC2530芯片參考電壓的穩(wěn)定性和噪音屬性決定了轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性[5],并且前期對(duì)部分人體動(dòng)作進(jìn)行反饋設(shè)定值,如運(yùn)動(dòng)、行走、靜坐等，對(duì)應(yīng)3種動(dòng)作的二進(jìn)制返回值分別為00,01,10,減少錯(cuò)誤判斷.經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號(hào)通過無線傳輸模塊傳遞至數(shù)據(jù)采集終端,數(shù)據(jù)采集終端根據(jù)服務(wù)器傳遞的控制命令進(jìn)行下一步操作,進(jìn)而將是否報(bào)警的命令傳遞給傳感器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行.

圖4 CC2530終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 CC2530 terminal node flow chart of program design

圖5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)界面Fig.5 Database design interface

(2) 數(shù)據(jù)收集及監(jiān)測. 基于Zigbee技術(shù)的家庭成員健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制終端，可采用智能手機(jī)、觸摸屏、PC終端對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)端控制.可穿戴設(shè)備上的 CC2530將采集數(shù)據(jù)通過 Zigbee技術(shù)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至終端電腦.研究過程中,使用電腦端串口調(diào)試助手對(duì)通過 MySQL軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄收集,并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸檢測, 數(shù)據(jù)庫建立界面見圖5.

4 結(jié)論

本系統(tǒng)以Zigbee技術(shù)為核心實(shí)現(xiàn)了家庭成員健康數(shù)據(jù)日常監(jiān)測及無線傳輸?shù)墓δ?該系統(tǒng)具有功能先進(jìn)、技術(shù)可靠、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等特點(diǎn).此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可使患者在日常生活中捕捉到健康問題,為病人的電子健康記錄提供有價(jià)值的數(shù)據(jù),緩解醫(yī)療資源.

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