基于ZigBee技术的社区家庭健康监护系统

基于ZigBee技术的社区家庭健康监护系统作者：祁国华黄海辉

来源：《数字技术与应用》2013年第12期

摘要：本文主要介绍了ZigBee技术在社区健康监护系统中的应用，利用其高可靠、低成本、低功耗、高安全性、低数据速率的特点[2]，提出了一种基于ZigBee技术的社区无线健康监护系统解决方案。本设计采用TI公司的CC2530射频单片机作为控制芯片，通过对Z-Stack 网络协议栈进行编程，实现人体生理信息数据的采集和无线传输。社区医院的医护人员通过该系统可以监测病人的身体状况，被监测者的家属也可以通过网络及时了解其身体状况。

关键词：社区监护 ZigBee CC2530 远程医疗

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）12-0020-02

1 引言

随着无线通信技术的发展，智能宽带社区的建设，医院、社区一体化医疗体系的完善，以社区医院为中心的家庭健康医疗监护将成为新的医疗模式。从目前医疗信息化的发展来看，医疗卫生社区化、保健化的发展趋势日益明显，通过装有ZigBee无线射频模块的医疗终端设备在家庭中对人体生命体征信息进行实时采集与监控，再通过社区宽带网的传输，可以实现社区医院对患者或亚健康病人的实时诊断与健康提醒，从而有效地减少和控制病患的发生与发展。

2 系统设计方案

该系统可以充分利用家庭中普遍安装的宽带网络，使用CC2530射频单片机在家庭中构建一个星型的无线传感器网络。针对不同的人群，在家中设置不同的终端传感器采集节点。对于空巢老人可以采集温度、脉搏、加速度值，来判断其身体的健康状况，是否在家中摔倒；高血压患者可以采集体温、血压值，来判断血压是否有突变，并将数据通过ZigBee无线网络和以太网或因特网远程传输并存储于社区医院的数据库中，便于医生监测高血压患者长期的血压变化情况来对其治疗方案作出科学合理的调整。该系统的系统体系结构如图1所示。

3 硬件设计

本系统由温度、加速度传感器、ZigBee传感器数据采集模块、ZigBee协调器模块、RS232转以太网模块构成。

3.1 传感器

传感器选择了TSIC506F温度传感器和ADXL345加速度传感器。

TSIC506F是单线11位数字序列信号输出的高精度温度传感器。采用TO92封装的形式，便于开发。主要测量范围-10℃～60℃，40℃范围内精度达到0.1℃。功耗极低，为45uA，是移动应用最佳的选择。具有3根引脚，1号引脚接3～5.5V电源，2号引脚为温度信号输出，3号引脚接地。[6]该温度传感器满足医疗要求。

ADXL345是三轴数字加速度传感器，具有小巧轻薄、超低功耗、可变量程、高分辨率等特点。最大可感知±16g的加速度，感应精度可达3.9mg/LSB，[5]倾角测量典型误差小于1°，典型功耗电流25～130uA。通过其内置的ADC将加速度信号转换为数字量存放在片内缓冲区，使用SPI总线读取数据。该加速度传感器可以满足人体动作加速度范围与精度要求。可以用来监测空巢老年人是否摔倒。

3.2 ZigBee数据采集终端模块和协调器模块

ZigBee的终端采集结点和协调器模块均采用TI公司推出的CC2530单芯片解决方案。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，256K闪存，8K RAM。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。[1]

终端采集模块由CC2530处理器模块、巴伦射频天线电路模块、电源供电模块、一键SOS 呼叫按钮、SPI数据采集接口、LED显示模块组成。协调器模块在终端采集模块的基础上去掉呼叫按钮和SPI数据采集接口，添加了串口电路模块。

3.3 RS232转以太网模块

RS232转以太网模块是用来将TCP/UDP数据包与RS232串口数据实现透明传输的设备，产品体积小巧，功耗低。搭载ARM处理器，速度快，响应迅速，稳定性高。内部集成了TCP/IP协议栈，利用它可以将原有串口设备升级成网络功能。将其嵌入到协调器模块中，与协调器共同构成网关。该模块可工作于局域网或者互联网，通过网络软件配置其工作模式。

4 软件设计

4.1 下位机软件设计

系统下位机软件是基于TI公司开发的ZigBee2007协议栈Z-Stack应用层编程实现的。系统下位机软件主要由CC2530传感器数据采集程序和协调器接收和传输程序组成。协调器端的数据接收程序完成数据的接收，并对接收到的数据进行进一步处理。图2给出了终端节点和协调器节点的程序流程图。

4.2 上位机软件

上位机软件负责对健康监护系统的全部节点进行可视化管理，包括传感器节点的实时监控、呼叫报警、状态异常报警、节点信息管理、社区居民信息管理、系统访问人员权限管理

等。软件采用B/S架构模式，开发语言为java，基于J2EE开发平台，采用MVC设计模式，使用SSH2 Web应用程序开源框架。数据库采用Oracel 11g，Web服务器采用Tomcat6。

5 系统测试

为了测试该社区家庭健康监护系统监测的实时性、传感器数据和报警的准确性。在室内环境对协调器和终端采集节点传输数据的丢包情况进行了实测；对人体体温和人是否摔倒分别进行了测试。系统上位机温度采集软件测试界面如图3所示。

丢包率测试：为了测试ZigBee在室内的抗干扰性能，在200平米的室内客厅放置协调器节点，在客厅和卧室分别放置传感器采集终端节点进行了丢包率测试。测试结果如表1。该测试结果表明，在家中，数据一般能够准确的传输，对于摔倒检测至关重要。

6 结语

本文设计了一套基于ZigBee技术，以社区医院为中心的家庭健康监护系统的具体实现方案，并对系统的性能进行了测试，测试结果表明ZigBee技术适用于社区家庭环境中。

参考文献

[1]王小强，欧阳骏等.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社，2013.

[2]许毅.无线传感器网络原理及方法[M].北京：清华大学出版社，2012.

[3]王志勇.基于嵌入式家庭远程医疗监护系统的设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2012.

[4]汪巍巍.多生理参数无线远程医疗健康监护系统研究[D].成都：电子科技大学，2013.

[5]崔英辉，詹林.基于三轴加速度传感器的老人摔倒检测[J].现代电子技术，2013，36（3）：130-132.

[6]TSicTM 506F Data Sheet， Rev.3.6， February 20，2007.