基于MSP430單片機實驗系統(tǒng)及傳感器技術(shù)的照護系統(tǒng)

1、    基于msp430單片機實驗系統(tǒng)及傳感器技術(shù)的照護系統(tǒng)    王倩+紀金水摘要：本文主要基于msp430單片機實驗系統(tǒng)及zigbee傳感器與無線局域網(wǎng)設(shè)計了一種居家照護系統(tǒng)，該系統(tǒng)以無線通信技術(shù)來測量生理指標的傳感器為核心，設(shè)計了一種可擴展的照護系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于家庭以及醫(yī)院病房，構(gòu)成遠程的家庭、社區(qū)以及醫(yī)院的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：msp430單片機；無線傳感網(wǎng)絡(luò)； 居家照護； zigbee：tp311 ：a ：1009-3044（2015）17-0223-03a health care system based on msp430

2、 mcu experiment system and sensor technologywang qian， ji jin-shui（mathematics and computer science college of northwest university for nationalities， lanzhou 730030， china）abstract： a health care system based on msp430 mcu experiment system and zigbee sensor technology and wireless local area netwo

3、rks， which takes the wireless communication technology to measure physiological indexes as a core and design an extensible system architecture model for the care system. the system can be applied to family and hospital wards， which constitute a remote family， community and hospital health care syste

4、m.key words： msp430 mcu； wireless sensor network； health care system； zigbee1 引言近幾年社會老齡化問題凸顯，子女白天要外出工作，沒有多余的時間照顧家中年邁或病殘的父母，如何更好地照顧老人引起了社會各界的廣泛關(guān)注。而基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的zigbee技術(shù)的出現(xiàn)，為居家照護老人提供了一種全新的技術(shù)手段。采用802.15.4協(xié)議以及數(shù)據(jù)傳輸能力強、可靠性高的zigbee技術(shù)，具有近距離、低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、高度的靈活性等特點1。 這些技術(shù)不僅高效的推動了對老年人的居家照護，還對居家照護技術(shù)的發(fā)展有重要意義。

5、文獻2介紹了由zigbee傳感器，無線局域網(wǎng)構(gòu)成的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療監(jiān)護中的應(yīng)用。文獻3 中提出一套無線多參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計方案， 并對方案的軟硬件實現(xiàn)進行了詳細的闡述。將無線通信技術(shù)、嵌入式internet技術(shù)與醫(yī)療服務(wù)相結(jié)合，實現(xiàn)了對用戶進行遠程醫(yī)療監(jiān)護。文獻4 介紹了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的嵌入式遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于家庭以及醫(yī)院病房，構(gòu)成遠程的家庭、社區(qū)以及醫(yī)院的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。文獻5提出了一種基于zigbee的無線傳感器技術(shù)的病患監(jiān)護系統(tǒng)解決方案，該方案將測量到的人體脈搏數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)结t(yī)院控制中心，通過控制中心的軟件，使醫(yī)生可視化監(jiān)測病人的生理數(shù)據(jù)，并以

6、此做出診斷評估。本文主要基于msp430單片機實驗系統(tǒng)及zigbee傳感器與無線局域網(wǎng)設(shè)計了一種居家照護系統(tǒng)，該系統(tǒng)以無線通信技術(shù)來測量生理指標的傳感器為核心，設(shè)計了一種可擴展的照護系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型。系統(tǒng)中，通過終端設(shè)備來偵測老人的體溫或是否跌倒，并將信號及時傳送給看護者，即減輕了看護人員的負擔(dān)又提高了照護的品質(zhì)。2 系統(tǒng)設(shè)計方案系統(tǒng)的設(shè)計方案為：用傳感器節(jié)點對所要看護的老人進行生理信息的采集，采集到的信息經(jīng)加工處理之后通過zigbee無線通信的方式傳送到監(jiān)護服務(wù)器，如果把該系統(tǒng)接入到internet網(wǎng)絡(luò)中，老人的家屬或醫(yī)護人員就可以在其它地方登錄，隨時查看老人的身體狀況，一旦發(fā)生意外，立即援

7、救。zigbee無線系統(tǒng)的組成部分有zigbee無線傳感器節(jié)點、若干路由節(jié)點和zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點。監(jiān)護基站設(shè)備是整個zigbee網(wǎng)絡(luò)的核心，管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和設(shè)備節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布在老人居住的家里，老人可以攜帶傳感器自由活動，所以zigbee無線節(jié)點的通信距離設(shè)置為30m到60m之間，節(jié)點隨機分布，覆蓋整個活動區(qū)域。體溫、是否跌倒等生理數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)奖O(jiān)護服務(wù)器，監(jiān)護服務(wù)器負責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和采集，醫(yī)療人員和家屬可以登錄監(jiān)護服務(wù)器查看。3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計無線傳感器節(jié)點主要采集人體的生理信息，通過射頻通信的方式，將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)護基站設(shè)備。根據(jù)應(yīng)用需求，節(jié)點的設(shè)計包括：傳感器單元、處

8、理器單元、a/d轉(zhuǎn)換單元、無線通信單元以及電源單元。節(jié)點的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：傳感器單元對監(jiān)護對象進行相應(yīng)的測量并采集數(shù)據(jù)，供處理器分析、處理；處理器管理整個網(wǎng)絡(luò)；無線通信單元負責(zé)與其它節(jié)點通信；電源則負責(zé)給各個電源供電。傳感器節(jié)點的設(shè)計主要有以下幾個單元：msp430系列單片機及其外圍電路、zigbee無線通信模塊、電源模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器節(jié)點以及加速度傳感器節(jié)點。在無線傳感器節(jié)點的設(shè)計中，處理器是核心單元之一。 處理器單元負責(zé)節(jié)點的信息處理、信息傳輸?shù)穆酚蛇x擇和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的形成。根據(jù)具體應(yīng)用的需求，在此選擇msp430系列單片機6。msp430處于最小系統(tǒng)下的外圍電路以及

9、復(fù)位電路分別見圖2和圖3。 zigbee無線通信模塊選擇的是chipcon公司推出的cc2430，該模塊具有低功耗，靈活性高的特點，是唯一結(jié)合單片機技術(shù)和射頻通信技術(shù)的基于ieee 802.15.4/zigbee的soc解決方案。cc2430模塊可組成各種網(wǎng)絡(luò)，并且可以通過增加一些外設(shè)組成功能更為強大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。電源模塊選擇tps73033芯片，該芯片輸出3.3v的電壓和200ma的電流，可以滿足需求，具體的電路連接如圖4所示。為了獲得最精確的測量值，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊選用ads1100。ads1100是精密的連續(xù)自校準數(shù)模轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入，高達16位的分辨率，封裝為小型的sot23-6，

10、低電流消耗，低噪聲，單周期轉(zhuǎn)換，按比例進行，依電源電壓為基準，每秒采樣8，16，32或128次以進行轉(zhuǎn)換，有增益放大器，允許對微小的信號進行測量，設(shè)計簡單，極易配置。ads1100的方框圖如圖5所示。用戶可以通過8位的配置寄存器來控制ads1100的工作方式、數(shù)據(jù)的傳輸速率和可編程的增益放大器設(shè)置，表1為配置寄存器：在體溫測試中選取pt100溫度傳感器，pt100溫度傳感器具有精度高，穩(wěn)定性好、抗振動、耐高壓、外形小巧以及即插即用等特點，利用電阻值隨溫度的變化而變化的原理進行測試，并選擇惠斯頓電橋，為了保證獲取信號的穩(wěn)定性，電橋輸入的電壓應(yīng)經(jīng)tl431穩(wěn)壓，為了得到高強度的信號，電橋的輸出信號

11、應(yīng)經(jīng)過兩級運算放大后再輸入到a/d轉(zhuǎn)換模塊。電路圖如圖6所示。在測試老人是否跌倒時采用加速度傳感器mma7260，它是借助于單級低通濾波器、信號調(diào)理和溫度補償技術(shù)生產(chǎn)的電容式三軸加速度傳感器。任一物體的運動可以被分解為x軸，y軸和z軸上的運動矢量，而mma7260就是通過運動物體在這三軸上的加速度來判斷身體姿勢的變化。人在運動過程中，重力起到關(guān)鍵的作用，在水平運動過程中，不小心發(fā)生意外跌倒，在x軸或y軸上加速度、速度及位移肯定發(fā)生變化，在x軸還是在y軸上發(fā)生變化，取決于跌倒的姿勢。網(wǎng)關(guān)主要用于兩個高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡(luò)連接。網(wǎng)關(guān)又稱網(wǎng)間連接器或協(xié)議轉(zhuǎn)換器，是一個網(wǎng)絡(luò)連接到另一個網(wǎng)絡(luò)的關(guān)口。在此，網(wǎng)

12、關(guān)對收集到的信息進行整理，并將信息傳輸?shù)竭h程的監(jiān)護服務(wù)器。介于數(shù)據(jù)處理能力，在此選擇數(shù)據(jù)處理能力強的基于arm9的網(wǎng)關(guān)。監(jiān)護服務(wù)器的設(shè)計主要實現(xiàn)對傳輸來的信息進行收集、保存以及顯示，以便醫(yī)療人員和被監(jiān)護者家人登陸到該系統(tǒng)查看信息。監(jiān)護服務(wù)器主要包括：存儲器、人機交互部分、通信部分和數(shù)據(jù)庫等。人機交互部分包括用戶可以輸入指令的鍵盤以及顯示結(jié)果和操作過程的顯示器。為了兼容性和適用性，在通信部分設(shè)置多種通信接口，如r232接口、射頻接口和modem接口。在使用當(dāng)中，監(jiān)護服務(wù)器可以通過命令的形式來啟動傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點接收到命令開始執(zhí)行相應(yīng)的采集動作，采集到相應(yīng)的生理信息經(jīng)一定的處理之后，再傳輸?shù)?/p>

13、監(jiān)護服務(wù)器，監(jiān)護服務(wù)器對接收到的信息存儲并在適當(dāng)時顯示。4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計在硬件設(shè)計完成之后，開始進入軟件設(shè)計的環(huán)節(jié)，軟件是整個系統(tǒng)的核心，靈活性強，根據(jù)具體的應(yīng)用和功能應(yīng)運而生。在此根據(jù)居家照護系統(tǒng)所要達到的目的和特定的環(huán)境，描述它的重要模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。當(dāng)一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立成功之后，傳感器節(jié)點需要加入到這個網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)成功之后，就處于接受測量相應(yīng)的生理信息命令狀態(tài)之中，由監(jiān)護服務(wù)器發(fā)出采集生理信息的命令，傳感器節(jié)點的無線通信模塊接受到指令，啟動傳感器模塊，傳感器模塊采集信息，經(jīng)ad轉(zhuǎn)換模塊處理之后進入處理器模塊，處理器模塊對采集到的信息進行分析，最后由無線通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)護

14、基站設(shè)備。節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)流程圖及信息采集流程圖分別見圖7和圖8。一個網(wǎng)絡(luò)建立成功后，路由節(jié)點申請加入，監(jiān)護基站設(shè)備一旦同意其加入，路由節(jié)點就處于無線監(jiān)控狀態(tài)下，路由節(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)經(jīng)過若干個路由節(jié)點最終到達監(jiān)護基站設(shè)備或者直接達到監(jiān)護基站設(shè)備。路由節(jié)點加入及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程圖見圖9。在此監(jiān)護基站設(shè)備相當(dāng)于協(xié)調(diào)器，監(jiān)護基站設(shè)備負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立，可以決定節(jié)點能否加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并管理節(jié)點及數(shù)據(jù)傳輸信道的選取。如果網(wǎng)絡(luò)建立成功，監(jiān)護基站設(shè)備就處于監(jiān)聽狀態(tài)，接受來自遠程監(jiān)護服務(wù)器的生理信息采集的命令，并傳遞給相應(yīng)的傳感器節(jié)點，同時接受傳感器節(jié)點和路由節(jié)點的申請，它是整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心。監(jiān)

15、護基站流程圖見圖10。網(wǎng)關(guān)是一種連接器，可以連接兩種不同的網(wǎng)絡(luò)以達到無縫傳送的效果。在此，網(wǎng)關(guān)連通監(jiān)護服務(wù)器和zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的監(jiān)護基站設(shè)備，監(jiān)護服務(wù)器可以通過網(wǎng)關(guān)向傳感器節(jié)點下達命令，而被采集到的保存在監(jiān)護基站設(shè)備緩沖區(qū)的信息則可以通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)奖O(jiān)護服務(wù)器，在兩通信者之間起到橋梁的作用，并可以對收集來的信息進行融合。網(wǎng)關(guān)工作流程圖見圖11。監(jiān)護服務(wù)器負責(zé)啟動無線傳感器節(jié)點采集信息，并對傳輸來的信息保存及顯示，可以同時對多個老人進行監(jiān)護。老人的信息放在數(shù)據(jù)庫，家屬或醫(yī)療人員通過查看數(shù)據(jù)庫，獲取老人的信息，若發(fā)生意外可采取及時的援救。監(jiān)護服務(wù)器工作流程圖如圖12所示。5 結(jié)束語本設(shè)計的目的是提高老人生活質(zhì)量，節(jié)省子女照顧老人的時間，并且加進了醫(yī)療人員，能夠針對老人身體狀況提出專業(yè)指導(dǎo)。老人可以在家中自由活動，減少了局限性，提高了靈活性，對構(gòu)建健康和諧社會有重要的現(xiàn)實意義和社會意義。參考文獻：1 張大蹤，楊濤，魏東海. 一種低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計j.儀表技術(shù)與傳感器， 2006（10）：54-57.2 羅惠謙， 任毅， 石道生. 基于zigbee技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)研究j. 中國水運， 2007， 5（