基于ZigBee技术的养老监护系统设计

张钰 王思阳 王霁润 齐海洋 李卓 兰丽辉

摘要：针对中小型养老机构基于ZigBee技术实现了养老监护系统的设计，系统具有低功耗、低成本、易搭建的特点，可实现养老机构无线传感器网络的全覆盖，包括健康监护和安全监护两个子系统。基于CC2530和Z-Stack协议栈，在IAR平台上实现传感器网络中各节点功能开发，采用C#实现上位机端软件设计。节点采集到的数据通过管理中心进行监测与分析，可对老人的健康情况和安全活动范围进行实时监护，经反复测试系统的稳定性和可靠性达到要求，可有效提高中小型养老院的监护水平，实现科学高效管理。

关键词：ZigBee技术；监护系统；CC2530；Z-Stack协议栈

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）24-0051-03

Abstract： The design of pension monitoring system based on ZigBee technology is realized for small and medium-sized pension institutions. And wireless sensor network coverage of pension institutions includes the two subsystems of health monitory and safety positioning is realized by utilizing the characteristics of ZigBee wireless network， which are low power， low cost and easy to build. Besides， based on the CC2530 and Z-stack protocol stack， the system realizes the development of the function of each node on the IAR platform， and realizes the design of the upper computer by using C#. Then， the data collected by the system can be monitored and analyzed by the management center which can monitor the health status and safety range of the elderly in real time. After testing the stability and reliability of the system repeatedly to meet the requirements， the level of nursing care in small and medium nursing homes can be improved to realize scientific and efficient management.

Key words： ZigBee technology；pension system；CC2530；Z-stack protocol

目前，我国已经步入老龄化社会，养老机构在养老服务体系中占据着非常重要的地位，缓解养老机构中护理人员的工作压力且提高老人的护理质量是亟待解决的问题。国内外许多单位开展了智能养老监护系统的研究，但这些系统存在着操作复杂、实时性差、妨碍活动、价格昂贵等问题，不适用于中小型养老机构。中小型养老机构护工短缺，硬件设施相对较差，资金资助不充足，缺少高水平的管理人员[1]。

本文针对中小型养老机构中对老人的监护需求，研究构建基于ZigBee技术的养老监护系统[2]。系统主要包括老人的健康监护和安全监护功能，传感器节点以CC2530芯片为核心，组建覆盖养老机构区域的无线网络，通过汇聚节点将传感器节点采集的数据经互联网传至数据管理中心，数据通过管理中心进行监测与分析，如果各项数据超出设定的安全阈值系统将提示并通知护工，护工通过终端设备安装的APP软件能够实时查看老人的相关信息。系統框架结构如图1所示。系统具有成本低、搭建简单、容易维护、使用方便等优点，可以有效提高中小型养老院的监护水平。

1 健康监护子系统

健康监测系统主要功能是对老人的健康情况进行实时监测，一旦发现健康异常，会及时通知护工。健康监测主要包括对老人的血压、体温、血氧、心率等生命体征参数的采集，并将采集到的数据经ZigBee无线传感器网络传至数据管理中心，系统会对上传的数据自行进行检测比对，并可将老人的健康参数经互联网或移动网络传送至家属与护工用户终端，家属与护工通过用户终端的APP可实时获得老人的健康参数[3]。

1.1 硬件设计

数据采集节点采用TI公司的CC2530芯片作为核心板，通过配以心率传感器、体温传感器、血氧传感器来采集老人的生命体征数据，分为无线采集终端节点和无线控制终端节点两类。无线采集终端节点传感器采集老人的血氧、心率和体温等数据，无线控制终端节点接收协调器节点发送的命令，驱动报警模块[4]。硬件结构如图2所示。

1.2软件设计

软件设计基于Z-Stack协议栈，在IAR平台上完成，主要针对系统中的三类节点，分别为协调器节点、路由器节点和实现数据采集的终端节点（终端节点具有路由功能）。协调器节点主要负责发起建立网络，设定网络参数、管理网络中的节点以及存储网络中节点信息，路由器节点可以参与路由发现、消息转发、通过连接别的节点来扩展网络的覆盖范围，终端节点采集数据，并通过与协调器建立“绑定”将数据发送给协调器，同时接收协调器发来的控制命令[5]。传感器网络基于Z-Stack协议栈组建，实现网络参数的配置。本系统为网状拓扑结构，具有高可靠性、“自恢复”能力和灵活的信息路由规则。健康监护子系统软件设计的流程图如图3所示。

2 安全监护子系统

安全监护系统主要功能是实现老人位置自动汇报及主动查询，当老人处于院区存在安全隐患的区域时系统会发出警报，提示护工注意老人的安全。

2.1 网络结构

为实现定位功能，需在养老机构的院区内铺设一定数量的位置参考节点（锚节点），使节点之间有较高的网络连通性和数据采集的准确性，通过大规模的网络覆盖能够减少监测盲区。使用分布式的方式来处理数据，达到减小信息量的输出并降低单个节点产生的数据误差目的。由于无线网络过大会产生较多的干扰节点，因此ZigBee无线网络需具有较强的错误处理能力与自维护功能，具体采用基于测距的定位算法实现位置的确定。安全监护子系统的网络结构如图4所示。

2.2 基于RSSI的定位算法

其中，n为信号能量随着距离的增加而衰减的速率，d为距发射器间的距离，A为距离1m时的接收信号强度[6]。

基于RSSI的定位算法主要包括测距、定位和修正三个阶段，首先ZigBee节点初始化后锚节点广播信息，待测节点采集RSSI值，利用测距模型将RSSI值转换为距离。若锚节点密度符合定位条件，锚节点组成多边形区域并选定位算法进行坐标定位，对定位的坐标进行修正，最后将定位结果输出。若锚节点密度不符合定位条件则为孤立节点[7]。定位算法流程图如图5所示。

3 上位机软件设计

上位机的人机交互界面基于C#语言设计，软件设计要考虑系统的稳定性，安全性和可靠性，系统的实时操作能力，用户界面的友好性。监护系统的软件安装在监护中心的电脑上，并由养老院的相关管理人员控制，護工可以通过手持终端设备上安装的APP软件实时获取提醒信息并查询老人的相关信息。系统具有三种用户角色，分别为管理员、护工和监护人。管理员模块具有注册登录信息，对老人信息进行维护，对用户的系统权限进行设置等功能。护工可查看老人的健康信息、位置信息，接收管理中心的发送信息等。监护人可以查看老人实时信息及历史记录。上位机软件的功能模块图如图6所示，登录界面如图7所示。

4 总结

本文在对国内外智能化养老服务发展现状以及对市场现有产品应用进行充分调研基础上，结合中小型养老院的实际需求，基于ZigBee技术组建了覆盖整个养老机构的无线传感器网络，实现了老人监护系统的设计，具备健康监护和安全监护功能。系统经过反复调试可正常运行，能够实现预期功能，稳定性和可靠性达到了设计要求。上位机端软件主体功能模块均已设计完成，后续仍需对软件的附加功能继续完善，使其更符合用户的需求。

参考文献：

[1] 刘立民.基于ZigBee的居家养老监护系统的研究与应用[D].天津：天津工业大学，2017.

[2] Yin-Tang Yang，Zuo-Chen Shi，DiLi，Yu Wang. Design of a fully integrated receiver analog baseband chain for 2.4-GHz ZigBee applications[J]. Microelectronics Journal，2016，52.

[3] 刘天宇.基于ZigBee网络的智能化养老系统设计[D].杭州电子科技大学，2014.

[4] 李凌霞，李冰冰.基于ZigBee的智能居家养老系统设计[J].信息技术，2018（2）：78-81.

[5] 穆鹏娜.基于移动平台的远程健康监护系统的研究与设计[D].河北大学，2017.

[6] 叶阿勇，许力，林晖.基于RSSI的传感器网络节点安全定位机制[J].通信学报，2012，33（7）：135-142+150.

[7] 倪瑛，戴娟.ZigBee定位技术的研究[J].南京工业职业技术学院学报，2013，13（2）：43-46.

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