社区居家养老健康与环境传感监测系统设计

万珊

(西安航空职业技术学院 航空管理工程学院, 陕西 西安 710089)

0 引言

我国社会老龄化现象逐渐严重，由于独生子女家庭比例不断增加，对传统的家庭养老模式带来冲击，受到传统家庭伦理观念的影响，现阶段养老机构的普及率较低，且存在数量较少、费用较高等问题和不足，难以满足未来市场巨大的养老需求，迫使社区居家养老模式得到快速地发展和完善，同家庭养老模式形成优势互补，居住在家的老人仍然由子女完成主要的照料工作，同时由社区提供包括送饭上门、医疗和安全防护等必要的日常居家服务。

1 需求分析

实现安全舒适的居家养老是应对老龄化社会的重要手段， 快速发展完善的网络计算机、信息、物联网等技术为智能居家养老提供了强大的技术支撑，促使居家养老系统得到快速发展，通过无线通信、传感器、嵌入式技术手段的综合应用已使远程访问和控制功能得到有效实现(通过监控中心和手机终端即可完成)，据此可实现居家环境及老人生理参数的实时获取与监测功能，在此基础上为社区内老人提供一些实用有针对性的包括健康监测、环境安全监控和医疗等在内的服务，从而确保老人能够安心舒适地居家养老。近几年，以生物医学传感器技术为代表的传感器的应用范围不断扩大，在居家养老中通过使用基于传感器设计的穿戴式采集器实现了对老人各项生理参数与生活环境的实时采集和远程在线监控功能，性价比较高的ZigBee 无线通信技术的网络拓扑结构简单灵活，在远程自动控制领域中应用广泛，具有可嵌入各种终端、可靠性高、复杂度低、容量大等优势，将其应用到构建智能居家养老系统中可有效满足系统运行需求。本文使用ZigBee 技术设计了一种智能社区居家养老系统，实现了基于家庭内部传感网络的远程监测系统的构建，主要为社区内的老年人提供相应的养老服务，由于老年人行动不便，比较容易出现人身安全问题，本文系统以远程监测、健康医疗、智能安防功能作为设计实现的重点，实时监控居家环境信息及老人生理参数，更加贴近老年人的生活实际情况，以便更好地为社区居家养老提供高质量服务[1]。

2 智能居家养老系统总体架构设计

本文所设计的居家养老系统的总体架构，如图1所示。

图1 系统总体架构

采用星形拓扑结构的ZigBee 无线传感网络可有效降低系统网络的复杂程度，主要由协调器和终端设备节点构成，为了在降低功耗的同时提升系统的处理能力，设计采用了 ARM 智能网关。(1) 在ZigBee 技术背景下，完成基于多个终端设备节点的家庭传感网络构建，包括温湿度、安防信息等在内的室内环境数据和包括血糖、血压、脉搏等在内的老年人主要生理参数，由ZigBee 数据采集节点负责完成采集过程，家中的灯光及家电设备等由ZigBee 控制节点根据相关控制指令(由监控中心发布)完成控制过程。(2) 通过家庭传感网络完成终端设备节点的采集，实现节点与智能网关的通信。(3) 监控中心服务器主要负责实现实时监护、通信管理、异常报警功能。该系统的工作流程为：结合家庭需求对家庭传感网络进行构建，在ZigBee接收到节点信息后会与预先设置阈值间的差异进行比较和判断(发现异常立即启动警报装置)，然后向网关传送信息并由其借助网络向系统监控中心传送ZigBee 感知网络信息，从而实现对居家环境及老人健康情况的远程监控，家庭网关判断接收到的控制信息(来自监控中心)并据此控制各控制节点执行相应操作[2]。

3 智能居家养老传感系统的实现

3.1 硬件设计

(1) ZigBee 无线传感器节点，设计时选用了具有RF 收发器的优良性能的CC2530F256 芯片，包含8kB RAM和256kB可编程闪存空间，通过控制节点和数据采集节点构成终端设备节点。传感器节点结构，如图2所示。

图2 传感器节点结构示意图

不同功能的实现需要将外围传感器或者继电器开关与协调器节点相连接，主要由协议栈和应用控制程序构成的ZigBee协调器节点将接收到的信息(来自数据采集节点)同预设阈值进行比较(针对异常及时启动警报器)，协调器通过 SPI同智能网关相连并向其传输采集到的居家环境和老人生理参数信息[3]。

(2) 智能网关设计，主要负责将内部传感网络转换为外部通信网协议，用于管理网络数据通信及传感器网络，先启动 ZigBee 协调器完成无线网络的创建，基于所形成的星型无线网络实现无线通信，ZigBee协调器节点将接收采集到的信息通过网关向远程监控中心发送，监控中心将相应的控制指令经网关和ZigBee 控制节点传输给各终端设备节点。选用工作频率高达72 MHz的STM32微处理器作为智能网关的主处理器，针对ZigBee 家庭内部感知网使用接口(以太网和 GPRS)连接公共网络实现双向数据传输功能，用户在PC端或手机中安装该系统即可远程实时查看居家老人具体情况。智能网关结构[4]，如图3所示。

图3 智能网关结构图

(3) ZigBee 网络结构设计，负责创建和管理网络的ZigBee 协调器节点将由终端节点获取的数据向已建立起无线连接(通过 GPRS、以太网模块)的网关传送，实现同Internet间的连接，以确保监控中心准确高效地接收到数据信息，协调器与终端设备节点间借助CC2530 射频模块来实现无线通信过程。

3.2 软件设计与实现

(1) 在MyE-clipse平台通过 Java 语言的使用完成监控中心应用软件设计开发，根据居家老人主要生理指标(包括血压、心跳、体温等)以及居家环境(包括温湿度、安防、烟雾等)的实时监测信息实现更有针对性的实时监护功能，对监测信息进行动态显示，为监护人处理危险情况提供依据；针对数据库的管理可以通过相应的管理系统对数据信息进行统计，手机客户端对监控中心进行访问便可以实现双向通信；在检测到室内环境有异常或老人某项生理指标超过阈值时发出语音报警提示，提醒监护人员及时应对异常情况[5]。

(2) 无线传感网络软件设计流程，如图4所示。

图4 无线传感网络软件设计流程

基于ZigBee 无线传输协议的终端节点通过传感模块实现同协调器间的采集信息和指令的收发功能[6]。

(3) 基于STM32微处理器的智能网关软件设计，将TCP/IP(采用Z-Stack-CC2530协议栈)和ZigBee协议栈嵌入到STM32中以确保网络协议转换过程的有效实现，协调器节点向STM32微控制器发送传感器数据，再通过Z-Stack-CC2530协议栈向监控中心传送ZigBee传感网络的信息，监控中心返回相应的控制指令[7]。通过嵌入式Linux平台设计网关来提高集成度，同时降低了系统能耗，开机后自动执行负责创建各子系统命名管，通过submit命令将其向CGI文件传送，主程序会快速找到对应程序(通过switch语句完成)[8]。

社区监测中心通过Internet连接嵌入式Web服务器，据此执行主要功能处理操作(无需安装专用软件)，降低智能终端资源消耗且提高了维护升级的便利性。

3.3 系统测试

以某一具体的家庭环境作为本文系统的实验测试场所，为测试本文系统采集数据的准确性，采用重复和对比的测试方式，在室内安装监控中心，并且构建无线传感网络，对室内老人的主要生理参数进行采集，以四位居家老人为例，对其体温、血压等进行监测，与传统的测试结果进行比较。实验数据结果，如表1、表2所示。

表1 生理参数测量值与传统测量结果

表2 室内环境测量值与传统测量结果

该系统的测量结果与传统单一测量模式的结果基本吻合，说明该系统具有良好的监测功能和无线传输功能，传感器节点和监控中心在室内出现生理参数异常及煤气泄漏等异常环境时均能够及时发出警报提示，具有一定的实际应用价值[9]。

4 总结

为实现对居家老人健康的全面监测，本文通过使用ZigBee 感知网络设计了一种居家养老系统，通过安装布置的终端设备节点完成对相关信息及设备(包括室内环境、老人各项生理参数、家电设备等)的采集和控制功能，传感器节点的数量及功能可根据实际需要进行拓展，系统监控中心负责处理实时接收到的采集信息，一旦发现异常能够及时发出报警提示，通过无线传感网络实现对居家老人健康与安全的远程高效监测过程。测试结果表明本文系统的监测和报警功能均得到有效实现，具有较高的可扩展性、安全性和稳定性，功耗较少且响应及时。