基于ZigBee和PLC技術的社區(qū)監(jiān)護系統(tǒng)設計

? 隨著社會老齡化的日益加劇，對老年人健康的關心已經(jīng)成為重要的社會問題。另外，一些突發(fā)性疾病和家庭保健，如心血管疾病、孕婦、胎兒、嬰兒、幼兒的保健也需要長期的家庭監(jiān)護。所以，研究基于公用網(wǎng)絡的家庭醫(yī)療監(jiān)護，建立小區(qū)醫(yī)療網(wǎng)絡，從而組成一個醫(yī)院護理系統(tǒng)網(wǎng)絡，不僅可以增加病人的安全性和改善人們的生活質(zhì)量，還能使醫(yī)院更有效地提高管理人員、醫(yī)生和護士的工作效率，協(xié)調(diào)相關部門有序工作。

　　在某些情況下，使用有線方式的監(jiān)護系統(tǒng)的實施成本將遠遠超過購買監(jiān)護設備所花費的費用。例如，在一個多社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡中，把實時監(jiān)護病人的生理參數(shù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心及所有數(shù)據(jù)的遠程備份，都是一筆龐大的開支，維護成本更是驚人。雖然引入無線監(jiān)護網(wǎng)絡，可以解決一些問題，但基于藍牙、GPRS等技術的社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)存在相應的不足之處，如無線輻射的安全性、無線終端的快速移動、無縫漫游和無線網(wǎng)絡成本等等。

　　ZigBee 技術的出現(xiàn)為傳感器信號的無線傳輸提供了新的解決方案。ZigBee節(jié)點有幾十米的覆蓋范圍，且可以增加路由節(jié)點，擴展覆蓋范圍，另外它還具無線輻射小、傳輸數(shù)據(jù)安全和成本低等優(yōu)點，因此適用于家庭住宅。同時由于生理監(jiān)護信號的數(shù)據(jù)傳輸流量不大，傳輸速率為250kbit/s的ZigBee能夠滿足生理數(shù)據(jù)傳輸要求。ZigBee傳感節(jié)點可自由靈活地加入和離開網(wǎng)絡，具有低功耗和低成本的特點。此外，電力線具有高速(骨干網(wǎng)速度已經(jīng)達到了上百Gbit/s)、以電力輸電線路作為傳輸載體(目前我國擁有全世界長度排名第二的電力輸電線路)等優(yōu)點，并且電力線載波通信被國外傳媒喻為“未被挖掘的金山”。我們可以看到，如果把ZigBee和PLC技術有機的結合起來，它不僅彌補現(xiàn)有社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的一些弊端，緩解了居民對醫(yī)療監(jiān)護的需求，還很符合并不富裕的中國。

社區(qū)監(jiān)護系統(tǒng)的總體構架

　　該社區(qū)監(jiān)護系統(tǒng)主要分為三部分，如圖1所示。第一部分由若干個基于ZigBee無線網(wǎng)絡的家庭監(jiān)護單元組成，其中，無線通訊節(jié)點根據(jù)功能不同分為：無線傳感器節(jié)點和PAN協(xié)調(diào)節(jié)點，無線傳感器節(jié)點具有用戶隨身攜帶和可移動性的特征，主要負責采集人體的重要生理參數(shù);而PAN協(xié)調(diào)節(jié)點主要負責收集重要生理參數(shù)，并通過第二部分，也就是電力線網(wǎng)絡部分將這些參數(shù)發(fā)送到監(jiān)護中心(即第三部分)，這樣，由專業(yè)的醫(yī)護人員來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和觀察，提供相關醫(yī)療咨詢和服務，達到遠程醫(yī)療的目的。

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　　社區(qū)監(jiān)護系統(tǒng)的硬件結構分為：無線傳感器節(jié)點、PAN協(xié)調(diào)節(jié)點(包括射頻通信模塊和電力線傳輸模塊)和監(jiān)護中心。系統(tǒng)的結構示意圖如圖2所示。

社區(qū)監(jiān)護系統(tǒng)的硬件設計

　　ZigBee傳感節(jié)點的硬件設計

?基于ZigBee無線網(wǎng)絡的家庭監(jiān)護單元由于應用環(huán)境主要是家庭，網(wǎng)絡覆蓋范圍小，因此可直接采用星型拓撲結構，即網(wǎng)絡主要由 3~5 個傳感器節(jié)點，即 RFD 節(jié)點(Reduce Function Device，簡稱 RFD)和一個主節(jié)點，即FFD 節(jié)點(Full Function Device)組成。雖然 RFD 節(jié)點和 FFD 節(jié)點實現(xiàn)具體功能的不同，但為了增加通用性和方便維護，傳感器節(jié)點的基本電路相同。本文采用Freescale公司推出符合ZigBee 標準的MC13192射頻芯片。由于MC13192的射頻信號采用差分方式，而倒F型天線為單端天線，所以在芯片和天線之間使用巴倫電路，以達到最佳收發(fā)效果。本方案使用了巴倫電路專用芯片LDB212G4020C。UPG2012TK是射頻開關，工作頻率為0.5~2.5GHz，具有非常低的介入損耗和很高的隔離性能;封裝形式為6引腳的短引腳小型貼片封裝，可減小電路板占用面積。

　　另外，由于TI MSP430 系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，其中包括一系列器件，針對不同的應用而由不同的模塊組成。這些微控制器可用電池供電，而且使用時間長。具有16 位 RISC 結構，CPU 中的16個寄存器和常數(shù)發(fā)生器使 MSP430 微控制器能達到最高的代碼效率;靈活的時鐘源可以使器件達到最低的功耗;數(shù)字控制的振蕩器(DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于6s的時間內(nèi)激活到活躍的工作方式。是一種低功耗類型的單片機，特別適合于電池應用的場合或手持設備。其中，MSP430F449單片機內(nèi)部集成了60kB FLASH 存儲模塊，2kB RAM，6個I/O端口以及12位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC12等。較小的封裝和極低的功耗使其可以理想地與MC13192 結合，作為基于ZigBee 技術的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。

　　MSP430F449和MC13192 通過SPI 總線連接。MSP430F449的SPI 接口工作在主機模式，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品?MSP430F449設為從機模式。MSP430F449通過4 線SPI接口對MC13192 的內(nèi)部寄存器進行讀寫操作，從而完成對MC13192 的控制以及數(shù)據(jù)通信。

　　電力線調(diào)制解調(diào)器

　　力合微電子具有電力線通信與控制基于多載波快速跳頻的專利技術，專門針對國內(nèi)電網(wǎng)環(huán)境而設計，具有較好的抗干擾性能，實現(xiàn)電力線可靠數(shù)據(jù)傳輸與控制。其專用芯片LME2200使用靈活、方便，為各種電力線通信與控制應用提供了一款優(yōu)化的芯片方案。因此本文采用了LME2200芯片，調(diào)制解調(diào)器的硬件框圖如圖3所示。

　　該電路由信號發(fā)送電路、信號接收電路和過零檢測電路等組成，基本電路如圖4所示。

???? ??? 從圖4可以看出，發(fā)送電路由一個低通濾波器和一個功放構成。低通濾波器的作用是濾除高頻信號成分并平滑DAC輸出信號的波形，功率放大器(PA)的輸出通過一個耦合變壓器連接到電力線上，濾波器的帶寬由使用的載波頻率所決定。對功率放大器的要求是經(jīng)過變壓器后在2～100歐姆的阻抗下獲得1-2Vrms的信號電平。另外，LME2200C支持半雙工工作模式。當發(fā)送時(TX_BUSY低電平)用于打開功放，而在接收時(TX_BUSY為高電平)關閉功放以提高接收阻抗。而在接收通路中，經(jīng)耦合變壓器獲得的信號送片內(nèi)放大器放大，然后經(jīng)片外帶通濾波器后送芯片RXIN輸入端，由片內(nèi)接收機完成數(shù)據(jù)包的接收。過零檢測電路輸出一個方波信號,它的上升沿在工頻信號的過零處，此信號被用作LME2200C的SYNC同步輸入，并作為收發(fā)同步的基準。

軟件設計

　　① ZigBee傳感節(jié)點的軟件設計

　　ZigBee傳感節(jié)點主要負責采集被監(jiān)護人的生理數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器，同時，接收來自協(xié)調(diào)器的相關指令，并根據(jù)這些指令進行相關操作(包括自動發(fā)送生理參數(shù)命令以及提示按時服藥等命令)。當沒有執(zhí)行相關指令時，轉(zhuǎn)入休眠模式，節(jié)點功耗降到最低。ZigBee傳感節(jié)點的軟件流程如圖5所示。

　　②PAN協(xié)調(diào)節(jié)點的軟件設計

　　PAN協(xié)調(diào)節(jié)點作為整個網(wǎng)絡中唯一的協(xié)調(diào)器，按功能可分為兩個部分，網(wǎng)絡維護功能和數(shù)據(jù)傳輸功能。網(wǎng)絡維護方面主要是負責組建ZigBee網(wǎng)絡、分配網(wǎng)絡地址及維護綁定表。

　　數(shù)據(jù)傳輸方面主要轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)護中心對ZigBee傳感節(jié)點的命令，以及定時要求地ZigBee傳感節(jié)點將生理數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)給它，并轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)護中心。PAN協(xié)調(diào)節(jié)點基本流程，如圖6所示。

　　③監(jiān)護中心軟件設計

　　由于本系統(tǒng)還處于實驗階段，所示只是把監(jiān)護中心軟件作為性能測試的演示系統(tǒng)。只是采用VC++6.0對該系統(tǒng)用戶界面和數(shù)據(jù)庫部分進行編程，它采用循環(huán)輪詢的方式顯示各個監(jiān)護終端設備發(fā)來的生理參數(shù)，主界面如圖7所示。

結語

　　社區(qū)監(jiān)護系統(tǒng)在小規(guī)模實驗中的調(diào)試結果表明:該系統(tǒng)能夠準確地實現(xiàn)家庭醫(yī)療監(jiān)護功能，通信質(zhì)量可靠穩(wěn)定，抗干擾能力強，功耗小，成本低，個人監(jiān)護終端設備體積小巧。在實驗室內(nèi)，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)設備和個人監(jiān)護終端設備之間的距離可達70m，并且滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、高效性的要求。本文社區(qū)監(jiān)護系統(tǒng)的實現(xiàn)，為社區(qū)監(jiān)護系統(tǒng)的研究和發(fā)展提供了實驗平臺，也為其發(fā)展奠定了一定的基礎。