基于物联网技术的孤残老人远程智能监护系统设计

何建强,陈 垚

(商洛学院,陕西 商洛 726000)



基于物联网技术的孤残老人远程智能监护系统设计

何建强,陈 垚

(商洛学院,陕西 商洛 726000)

为促进智慧养老的推广，解决小区孤残老人体检不便、养老机构数量不足等社会问题，设计了基于物联网技术的孤残老人小区式远程智能监护系统。该系统主要由ZigBee传感器网络、4G网络和监护中心3部分构成，可完成对小区孤残老人的实时定位,以及体温、血压、脉搏、血糖等体征的远程监测。通过测试，该系统实现了对孤残老人的远程监护，稳定性高，具有较好的应用前景。

ZigBee；4G；孤残老人；监护

我国人口老龄化问题日趋严重，长期以来，家庭养老一直作为我国养老模式的主要形式，但随着我国经济的转型发展，以及受计划生育基本国策长期执行的影响，家庭规模小型化已成主流，独生子女家庭结构日益普遍，导致空巢家庭数量处于递增状态[1-2]。然而，目前现有的养老机构数量不足、服务水平相对较低，尤其在三线及以下的城市，主要存在的问题有：养老机构的数量有限，能够承载的老人数量远远低于社会需求，并且其信息化水平较低，事务管理及人员管理效率低下，现代化、信息化服务设备欠缺，尤其在监管智障老人、专业护理失能老人等方面缺乏合理的有效手段，无法满足老人的护理需求。这些不仅使养老机构的管理和服务质量没有保障，也给社会带来了许多潜在的问题[3-4]。远程监护技术是近年来远程医疗中的一个研究热点，也是一个相对薄弱的环节，欧美各国一直致力于对远程监护的研究，我国近年来也开始推动其发展[5]。对自理能力较差的孤残老人的日常生活状态实施远程监护，不仅能提高护理人员的护理水平和患者的生活质量，还可以评估监护对象的独立生活能力和健康状况。

本文基于物联网技术设计了孤残老人小区式远程智能监护系统，实现了对孤残老人的远程监护，拉近了护理人员和孤残老人之间的距离，能为老人提供及时救助，在老人病情恶化时可提前预警，提高了护理人员护理的高效性和准确性，加速了我国远程医护管理和智慧养老事业的现代化进程。

1 系统总体设计

本设计通过基于ZigBee技术的无线网络和4G技术，在孤残老人活动和生活区域安装ZigBee节点对数据进行采集，经过4G网络将数据传输至监护中心，实现对孤残老人的监护[6]。

基于物联网技术的孤残老人远程智能监护系统如图1所示。对该系统主要从感知层、网络层和应用层3部分分别进行研究，并进行相关的软硬件设计实现。

1)感知层主要通过基于ZigBee的无线传感网络完成对数据的采集。通过安装在监测点的ZigBee无线网络终端节点对相关数据进行采集，采集的数据经ZigBee无线网络传输至ZigBee协调节点，协调器节点通过串口线传至以CC2530处理器为控制核心的网关模块。

2)网络层是采用4G网络来实现信息的传输。将ZigBee协调器传至网关的数据通过4G网络传至监护中心上位机。

3)应用层主要是通过Web平台设计的监护中心上位机软件来完成对生理数据的综合分析和诊断，并对数据进行存储、显示和预警，实现对老人的实时监护。

2 人员定位网络设计

本系统中人员定位是基于ZigBee技术，利用无线传感器网络实现的。该定位系统主要由腕带、基站、协调器、服务器和上位机组成，定位系统的网络架构如图2所示。在老人活动的区域部署若干传感器节点，当其中某传感节点监测到信号，则会立即发送至上层网络，通过处理，就可得出老人的位置。

定位算法本文采用改进的双重质心算法，即当某一终端S0进入监测区域后，将会接收到定位基站的信号，利用RSSI值排序，选出其中信号最强的4个节点，如SA>SB>SC>SD。以SA、SB为顶点，与SC、SD可组成2个三角形，利用公式(1)可算出2个三角形的质心，记为Za(Xa，Ya)、Zb(Xb，Yb)，然后利用公式(2)计算Za、Zb的中点坐标M(Xi，Yi)。此时该中点坐标即可视为终端S0的位置，即老人位置。

传统质心算法计算公式：

(1)

式(1)中，n为构成多边形的节点数;xi，yi表示各个节点坐标。

双重质心算法计算公式：

(2)

3 系统硬件设计

本系统硬件主要由传感器模块、前端调整电路模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。传感器模块主要负责数据的采集；处理器模块主要负责整个节点的操作、数据存储和处理；无线通信模块主要完成与ZigBee网络管理器的通信、数据的收发和控制信息的交换；电源模块为整个节点提供能量[7]。硬件平台体系结构如图3所示。

3.1 数据处理模块设计

数据处理模块负责控制整个节点，处理器采用CC2530芯片[8]。CC2530是ZigBee新一代真正的片上系统(SoC)解决方案，满足ZigBee对低成本、低功耗的要求，支持2.0～3.6 V的供电电压，有唤醒模式、睡眠模式和中断模式3种电源管理方式[9]。

3.2 电源模块设计

由于ZigBee具有低功耗特性，通常2节5号电池的电量就可给ZigBee模块供电长达半年之久。考虑到工作持久、体积小等因素，采用5 V锂电池进行供电，CC2530芯片工作电压约为1.8 V和3.3 V。为了产生1.8 V和3.3 V 2种电压，选用具有过流和温度保护的LM1117系列芯片将5 V电压转换为1.8 V和3.3 V为CC2530供电。电源电路设计图如图4所示。

4 系统软件设计

4.1 传感器节点软件设计

终端传感器节点的流程图如图5所示。

传感器节点首先对相关硬件进行初始化，然后对传感器采集到的数据利用定时器中断进行间隔性的提取。完成一次采集后，等待下一个定时周期开始后，开启无线发送与接收，对ZigBee协议栈初始化，并发送入网请求信号，等待协调器响应。当产生定时器中断时，立即从休眠状态进入工作状态，将SD卡中存储的相关数据发送至协调器。若数据发送成功则进入休眠状态，等待下一次中断唤醒，否则重新发送数据，直至成功[10]。这种工作模式降低了功耗，延长了设备使用寿命。

传感器节点由采集存储模式转到发送模式的主要代码如下：

void main( )

{

init_board( ); //对传感器、SD卡、时钟芯片等初始化

while(1)

{

If(count==3000) //定时30 s，利用定时器中断实现count++

{

Count=0;

Write_SDCard (des_addr,read_sensor( ),read_time( ));//关中断、提取并向SDCard写数据、开中断

}

If(check_key( )==True) Break; //检测按键是否按下

}

…… …… //协议栈初始化，入网，发送数据

}

4.2 协调器节点软件设计

网络协调器主要实现网络的配置与建立、数据的汇总与向上传输等功能。协调器获取数据的方式是通过天线将电磁波转换为电信号，所获得的数据类型有2种。一种是根据协调器的应答来决定是否授权的终端传感器节点入网请求信号。另一种是终端传感器节点发送的数据，通过接收的节点ID协调器来识别用户，然后将用户身份信息和采集到的数据进行打包，构成新的数据包，利用4G移动网络将数据发送至监护中心。对于本系统的网络采用实现节点自组织和数据多点跳传的通信协议，虽然有一定的缺点，但比较适合本平台应用的拓扑结构[11]。协调器节点流程图如图6所示。

4.3 监护中心软件设计

监护中心的主要功能是实现对ZigBee和4G网络传输的数据进行分析、处理和显示，供监护人员分析、做出诊断。该软件系统是基于C#语言编写的界面将数据进行显示，整个软件系统包括系统登录、人员基本信息、位置、生理数据等信息实时显示，历史数据查询，参数设置，预警设置和诊断结果显示等部分[12]。监护中心软件设计结构图如图7所示。

5 系统测试

本系统的实验测试是利用终端传感器节点构成星型ZigBee网络在某居民小区中进行的。体温传感器采用深圳Med-Linket公司YSI-400系列医用温度传感器进行体温数据采集，体温传感器实物图如图8所示；血氧饱和度采用透射法双波长光电检测技术进行测量，选用深圳Med-Linket公司的指压式血氧传感器进行采集，血氧传感器实物图如图9所示。

测试中对测试对象每隔3 min进行一次体温、血氧和血压等数据采集。一次采集完成后，按下S1键，将采集至SD卡中存储的数据包通过ZigBee网络、4G网络传送至监护中心，监护中心系统软件对相关数据进行显示。对于超出正常生理指标范围的数据，可发出报警信号，监护人员观察数据后采取相应措施来确保用户健康。数据显示界面如图10所示。

6 结论

本系统基于物联网技术，利用ZigBee具有低功耗、自组网的显著特点，采用CC2530芯片，以网络协调器作为网关，实现了利用ZigBee网络与4G网络的互联来完成对小区孤残老人的实时定位，以及体温、血压、脉搏、血糖等体征的远程智能监测。在本系统设计中，硬件和软件设计均采用模块化结构实现，旨在使系统可以适用于不同规模和不同要求的养老机构。测试结果证明，本系统稳定、可靠，具有很强的实用性[13]。本系统的实现，能够很好地解决目前城市养老面临的压力，改变传统的养老监护模式，对智慧养老体系的逐步形成和推广，具有很高的指导价值。

[1] 张波.我国居家养老模式研究综述与展望[J].四川理工学院学报(社会科学版).2013,28(4):6-10.

[2] 陈建兰.中国城市养老模式研究[D].南京：南京大学,2012.

[3] 伍海霞.中国农村网络家庭中养老支持的趋势与变迁[J].中国农业大学学报(社会科学版),2016,33(1):118-125.

[4] 张郧,黄晓瑞.机构养老服务需求影响因素的实证研究[J].统计与决策,2016(4):103-105.

[5] 袁腾,李秋红,杨国斌,等.基于ZigBee和3G技术的WSNs环境监控系统设计[J].传感器与微系统,2012,31(6):128-129.

[6] 滕志军,何鑫,赵雷,等.基于ZigBee的孕产妇围产期监测系统[J].东北的电力大学学报,2014,34(1):90-93.

[7] 陈均,王忆文.基于ZigBee的定位和人体跌倒检测系统[J].电子技术应用,2012,38(12):31-35.

[8] 庞海娟,赵建平.基于ZigBee技术的矿井人员管理系统设计[J].通信技术,2010,43(8):187-189.

[9] 樊静,王建明.基于CC2530的博物馆状况无线监测系统设计[J].电子测量技术,2011,34(6):105-109.

[10] 周跃,沈捷,花魁.基于SD卡的数据存储系统设计[J].化工自动化及仪表,2012,39(1):95-98.

[11] 滕志军,屈银龙,王中宝,等.基于ZigBee的高压带电体温度在线监测系统[J].电工电能新技术,2011,30(3):80-83.

[12] 段登,邱意敏,周力.基于ZigBee技术+3G网络的多电梯远程监控系统[J].计算机系统应用,2012,21(3):185-189.

[13] 王玲芝,李春茂,袁立行.基于ZigBee技术的高压设备温升监测系统[J].测控技术,2010,29(12):1-3.

(责任编辑 吴鸿霞)

Design of Remote Intelligent Monitoring System for Lonely and Elderly with Disabilities Based on IOT Technology

HeJianqiang,ChenYao

(Shangluo University,Shangluo Shanxi 726000)

In order to promote the popularization of intelligent care for old people,solve the social problems as inconvenience of physical examination for the lonely and disabled old man in community and shortage of the endowment institutions, a set of the community-based remote intelligent monitoring system for the lonely and disabled old man has been designed.The system consists of ZigBee sensor network,4G network and the monitoring center of three parts,which can realize the real-time positioning for the old and remote monitoring for physical signs such as temperature,blood pressure,pulse and blood glucose.Through testing,the system realizes the remote monitoring of the lonely and disabled old man and it has high stability and good prospects.

ZigBee;4G;lonely and elderly with disabilities;monitoring

2017-04-02

商洛学院科研项目(项目编号：15SKY008)；陕西省商洛市科技局项目(项目编号：SK2014-01-16)。

何建强，助教，硕士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.03.002

TN92

A

2095-4565(2017)03-0005-05