基于无线传感网络的老年智能健康系统研究

南楠

摘要：针对中国老龄人口快速增长和空巢老人难于照顾的现状，设计一种基于ZigBee无线传感器网络技术的老年人健康监测系统。该系统将ZigBee技术、城市网格化管理、虚拟现实技术结合到一起，建立一个实时、精确、精细的老年人健康监测系统，从而全面提高社区老年健康管理的效率、质量和水平。

关键词：无线传感网络 ZigBee技术 实时监控 老年人健康

中图分类号：TP277 文献标识法：A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00

Abstract：According to the present situation of the aging population and the rapid growth of Chinese Empty Nester difficult to take care of the design of a health monitoring system based on ZigBee wireless sensor network technology of the elderly. The system combines ZigBee technology， urban grid management， virtual reality technology to build a real-time， accurate and fine elderly health monitoring system， so as to improve the efficiency， quality and level of the elderly health management in the community.

Keywords：Wireless sensor network；ZigBee；Real-time monitoring；Old people's health

随着中国经济和科技的高速发展，退休制度的改革，空巢老人增多、失能和半失能老年人比例加大等现象的出现使人口老龄化问题日益凸显，养老资源严重不足。老龄社会的标准是60岁以上老人占总人口的10%，65岁以上人口达到7%，而我国早在1999年已进入老龄社会[1]。同时根据最新的研究报告指出，到2020年中国将迎来“养老年”的一个小高峰，到2050年，中国老龄化人口将达到总人口的三分之一，75岁以上的高龄老人现以100万/每年的速度再增长。

虽然现已提出的有养老院养老、社区养老、以老养老等，但高昂的费用、短缺的人手、无制度化的监管问题都使老人的生活、护理、医疗保健等无法有效实现。因此，研究设计新型高效的老年智能健康监控系统迫在眉睫。本文提出一种基于ZigBee技术的主动监测老人生命体征和运动安全状况的系统，提高老年健康服务质量。

1 Zigbee技术

ZigBee技术是近几年发展起来的一种适用于短距离范围、结构简单、传输速率较低、成本低廉的连接各种电子设备的无线通讯技术。ZigBee的基础协议是基于IEEE802.15.4进行工作，把整个协议架构划分为四层：物理层、MAC层、网络层和应用层，支持星型、网状和树形三种基本网络结构。良好的扩展性和安全性使其应用范围广泛，常被用于工业、商业、农业、健康医疗、家庭、电玩业等许多领域[2]。

无线传感器网络包含的传感器节点由数个到数千万个，高密度的分布方式使网络具有高可靠和高稳定的数据传输能力，ZigBee技术与无线传感器网络的结合将双方的应用领域无限扩宽。ZigBee网络中节点设备分为两类：全功能设备和半功能设备。全功能设备具有网络中所有类型设备的功能，可随意转换，一般在使用时作为路由器、协调器或终端设备。Zigbee协调器作用是建立无线网络，选择空闲信道以及一个PANID构建基础网络，等待周边传感器节点的请求加入，同时在 网络层中建立安全管理应对应层的各种绑定请求。网络构建完成后，协调器的功能转变为路由器，收集节点采集到数据并通过路由算法计算后转发至网关节点，上传到管理系统中。路由器扩大了网络的覆盖范围，允许多个节点加入网络，工作过程中可不间断扩展信号的传输范围。终端设备在不工作时处于休眠状态，当发现检测目标后被激活，相对于电力的消耗极小一般可持续工作半年到二年。

2 老年智能健康系统设计

系统设计结合先进的计算机技术与科学的管理手段，注入人文关怀因素调动周边的人力物力所有资源。将一定范围内老年人建立起自查网络，对每位老年人建立单独管理模式，监测其日常行为、医疗护理、健康基本参数（如血压、体温、脉搏等），与系统设定基础值对比，分析、预测、警示潜藏的危险因素，全面提高老年人群的生活质量，更好保障老年人群身体、心理的健康发展 [3]。

老年智能健康系统是老人生活医疗保障的重要组成部分，主要以ZigBee技术为基础，融合嵌入式、通信、计算机等技术，全面监控老年人的日常行为、健康指标、心理素质、病情发展等参数，分析对比生成数据结果提出预警报告，实现提高老年人生活质量、保障身体健康长寿的目的。研究重点在于监测老年人生命体征与运动状况，并根据个体情况提出相应的健康生活方式预案或出现异常情况时及时发出报警信号。

整个系统主要包括无线传感器网络、网格化管理平台、智能健康监护系统、可视化服务界面。无线传感器网络中包括采集节点和传感器节点，协调器控制处理各个节点采集数据建立绑定，其他路由器或者传感器设备节点自动发现该网络，并加入该网络；传感器设备节点采集来的老人生命体征数据通过GPRS模块或外网传输至PC端，由上位机软件进行解析；经过解析后的数据，以图形的方式在PC机上显示，供监控中心的管理人员查看老人的身体健康状况，提出针对性的预警方案，具体的系统结构如图1所示。

3 系统硬件设计与实现

系统的硬件设备主要包括ZigBee无线传感器节点、PC机、GPRS模块、网卡、嵌入式服务器。ZigBee无线网络的建立主要包括采集节点和传感器节点两种类型。采集节点的主要功能有两种：一是作为协调器，选择信道建立新的ZigBee无线网络；一是作为路由器，与PC机建立连接，接受上位机软件的指令，发给节点同时接受节点信息反馈给上位机分析处理。传感器节点作为终端设备，设计为可佩带式便于老年人携带，网络检测到终端设备会自动绑定该节点，实时采集老年人脉搏、血压、体温等数据，通过GPRS模块或网关发送数据，显示在PC机上位机软件上，供专业人士分析、处理[4]。

网络的形成主要通过Zigbee协调器，在物理层和控制层编写硬件驱动程序完成两层的控制操作，在编写网络层和应用层编码。通过键盘接收命令，当用户按下XM1传感器节点被设定为协调器，初始化网络并使用通用接口与网关交换数据，当不设置时节点作为路由设备完成路由功能。键盘按下XM2时，首先对网络初始化，将每个采集节点绑定到协调器自建网络中，采集数据时作为终端设备使用，当数据需要跳转节点配置为路由器，实现寻址和转发消息功能。Zigbee硬件设备配置流程如图2。

每个硬件节点设备具有独立参数，相同协调器自建网络中设备的配置参数值相同，组网时终端设备发出请求等待回应，允许加入系统会自动分配地址给终端节点（16位短地址或64位长地址），当所有终端节点都加入网络后，上位机即可发出指令采集数据信息 [5]。

硬件整体上分为两大块：感知生命体征的硬件设备和组网硬件设备。感知生命体征硬件设备包括血压测量设备、体温监测设备、脉搏监测设备和监测老年人日常行为的三轴加速传感器。嵌入式血压仪采用华科的HKB-08测压模块，可直接使用USB接口与PC机连接，更方便用户按需二次开发。体温和脉搏传感器采用HKT-09A和HK2000G集成脉搏传感器，二者都具有良好的复用性和稳定性。三轴加速传感器对监测物体未知方向下运动轨迹有显著作用，可测量老年人行动空间速度，监测到跌倒状态，这里采用BMA220传感器，体积小、功耗低，可嵌入到随身佩戴设备中。组网硬件设备包括MCU、PC机、网卡、GPRS传输模块，本系统中无线MCU使用的是TI公司的CC2630，是一款经济高效型超低功耗2.4GHz 的微控产品，适用于在系统处于休眠模式时连接外部传感器或自主采集模拟和数字数据。PC机要求至少为安装window7.0以上版本的操作系统，500G以上硬盘空间，具有无线接收模块，具有USB接口和RS232串口，主频为1.7GHz以上。嵌入式服务器构建在嵌入式处理器上，采用的是TI公司的MSP430FR2433混合信号微控制器，是一款低功耗高性能的微处理器。GPRS模块采用华为GTM900-C型号，具有高灵敏度、低功耗、传输速率好等特点。

4 系统软件设计与实现

系统中信息化管理平台设计以网格化技术为基础，将空间信息、时间信息和管理信息划分成标准的单元格，建立相对独立的监管、预警、协助模式，积极主动的利用生命体征测试器和传感器跟踪检测老年人生命体征和行为状况。平台的建立充分运用仿真技术，构架一个模拟真实环境的集成单元网格数据、立体空间环境数据、部件管理数据、位置编码数据等多种数据资源，同时结合无线传感网络、GPS、远程预警、虚拟现实等多种技术，建立科学高效、界面友好的综合化信息管理平台[6]。

在科技社区的网格化管理和老年健康监护中，系统的可视化管理也越来越受关注。本系统主要采用虚拟现实技术集成计算机图形、计算机仿真、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，设计开发一款老年健康监测可视化管理系统，运行在管理端的PC机上。

系统软件整体架构在此设计为4层结构：基础设施层、信息层、网络层和应用层。系统中所有CC2630节点的软件开发都是基于TI公司Z-Sack协议栈设计的。Z-Stack软件允许用户自定义功能程序代码、ZigBee协议标准等。程序设计的功能是实现协调器自建网络，当终端设备需提交信息时自动加入到网络中，网络在随机分配一个16位IP地址供发送信息，这一部分我们归纳为基础设施层。采用嵌入式处理器和PC机搭建嵌入式WEB服务器，及可以传输信息给上位机软件，同时作为下位机接受信息并可以保存，实现功能归为信息层。网络层主要是GPRS模块和网卡实现的实时通讯功能，信息转接发功能和定位信息监测功能。应用层主要包括专业人员管理系统、老年健康档案管理系统、老年健康实时监测系统和预警子系统组成，完成后期具体工作。最终形成的健康监测监控系统流程如图3所示。

5结语

本文通过构建老年智能健康系统，保证社区内老人在日常生活和运动中遇突发情况时能得到及时救助，并通过统计分析老年人的日常健康体征数据，发出疾病预警信号，结合有效的生活方式干预方案保障老年人身体健康发展，提高社区老年医疗健康服务水平，对基层社区医疗卫生事业的发展有着长远的意义。

参考文献

[1]崔恒展.老龄化背景下的养老内容研究[J].山东社会科学，2012，（04）：20-35.

[2]刘小钦.基于ZigBee的老年健康监护系统的研究[D].安徽理工大学，2012（06）.

[3]罗铮，周林，李小华 等.基于ZigBee的养老院医疗监护系统的设计[J].数字技术与应用，2013（12）.

[4]仇明.基于物联网ZigBee技术的智能社区居家养老系统[J].佛山科学技术学院学报，2015（03）.

[5]水博.绿色养老住区评价系统研究[D].西安建筑科技大学，2014（06）.

[6]赵恒，袁正道.基于北斗定位和ZigBee组网技术的养老院监护系统[J].数字技术与应用，2014（06）.