闫可欣

(延安大学 物理学和电子信息学院，陕西 延安 716000)

1 基于Zigbee的无线养老护理监控系统设计研发的意义

1.1 社会效益

当前我国人口的老龄化问题十分突出，社会养老已然成为我国社会民生领域的焦点问题。养老问题是关乎社会和谐稳定以及人民生活幸福指数的头等大事，应用现代化的信息技术和无线通信技术来完善老年人养老护理监控系统，对于整个社会打造高质量养老模式具有十分重大的现实意义。

科学、完善的养老无线护理监控系统不仅仅能够为老年人提供多层次、多元化、可靠性的定位管理服务，也能够提供个性化的服务需求。护理人员和老年人是养老机构中的核心使用群体，基于物联网Zigbee技术下的无线养老护理监控系统，采用信息技术手段来实现低能耗、高应用、高可靠性的呼叫管理功能，即符合当前社会对养老智能化改革的整体需求，也对养老模式的信息化发展进程有着极大的推动作用[1]。

1.2 经济效益

无线养老护理监控系统是以Zigbee短程无线通信技术为基础。这是一种定位信号强度极强的新型定位系统，它能够解决室内、校区GPS无法实现全覆盖的根本性问题，有效弥补GPS以及手机网络定位系统的室内定位精度不足的弊端。使用Zigbee技术的用户不需要安装任何专门软件就能够实现终端上网，使得该套系统具有极强的应用推广优势，再加上通信设备和前端网关的高可靠性、自组网、低功耗的特性，使得该通信系统具备较高的经济价值[2]。

此外，基于Zigbee技术的无线养老护理监控系统不仅能够帮助养老机构实现老年人智能化定位服务和健康状态监测护理的精细化管理职能，其管理成本十分低廉，管理效率高，在保障养老机构服务质量和安全保障的基础上缩减安装成本和运行成本，在我国养老服务的应用中具有广阔的前景。

1.3 研究价值

基于Zigbee技术的无线养老护理监控系统是无线定位系统应用的一种革命性突破，它将传统的信息管理系统与物联网技术进行了高效的融合，能够帮助养老机构同时实现健康监测和智能化定位服务职能。基于Zigbee技术的无线养老护理监控系统这种创新型的系统设计思路能够给养老产业的其他应用开发设计提供参考思路，为提升我国养老模式的创新和研发能力提供助力。此外，基于Zigbee技术的无线养老护理监控系统在理论与技术层面的不断完善对于归纳总结学术上的定位算法，推进养老产业发展具有十分现实的指导意义[3]。

2 zigbee技术及无线传感网络定位技术概述

2.1 zigbee技术概述及特点介绍

Zigbee技术是一种低功耗、低数据速率、低复杂度、近距离、低成本的双向无线通信技术。Zigbee技术主要适用于远程控制领域和自动控制领域。同时，Zigbee技术可以嵌入到各种设备的芯片当中，实现地理定位的功能。由于Zigbee的最高数据传输效率为250 kbit/s，极其适用于传输速率的应用。Zigbee技术具有低功耗、响应时延短、工作频段灵活、短距传输及布网灵活、高安全性、高可靠性、抗干扰性能突出、低成本以及组网能力强大而灵活的诸多特性，与无线传感网络定位技术的结合能够帮助养老行业实现老年人护理监控系统的搭建，且具有十分广阔的应用发展前景，养老机构的监护人员可以利用手机或者平板等智能化设备，通过路由器或网关等设备以互联网连接的形式实现对Zigbee智能设备的终端远程控制，提升养老护理的质量和效率。

2.2 无线传感网络定位技术概述

Zigbee、WiFi、NFC、UWB等现代化通信技术的广泛应用给无线传感技术的发展提供了良好的契机，在物联网时代背景下，无线传感技术得到了质的飞跃。无线传感技术在获取位置信息的监测领域上具有较为突出的应用优势，已然成为定位领域的主流技术，其部署简易、低功耗、传输速率高、容错性强、支持自组网和高安全性的特点，使其相比于GPS卫星定位系统更加适用于养老机构的室内定位市场需求。无线传感网络定位技术主要分为测距定位技术和非测距定位技术，两者的主要区别在于：测距定位技术对节点的距离坐标需要进行直接测量；而非测距定位技术需要依靠网络连通来实现节点坐标和距离的估算。两种定位技术还具备不同的特点，前者具有高精度定位的优势，而后者具有功耗和成本控制上的优势。

3 基于Zigbee无线养老护理监控系统的设计

3.1 基于Zigbee无线养老护理监控系统的总体设计

该系统主要由Zigbee无线传感网络、智能网关以及监控中心等三个部分组成。研究设计的无线养老监控系统设计采用星型拓扑结构作为Zigbee无线传感网络的拓扑结构，在结构中有协调器和诸多的终端设备组成。终端设计节点主要有两种形式：一种为Zigbee数据采集节点；另一种为Zigbee数据控制节点。由于ARM微处理器具有低功耗且较为强大的处理功能，因此，无线养老护理监控系统设计所采用高的智能网关为ARM。系统总体结构示意图如图1所示。

图1 系统总体架构图

(1)一个Zigbee协调器和多个Zigbee终端设备节点构成了基于Zigbee技术的无线养老护理监控系统的内部传感网络。Zigbee数据采集节点主要采集老人的主要生理参数，如：血压、血糖、温度、脉搏等。同时，采集护理室内的环境数据，如：温度、湿度、安全情况等。Zigbee数据控制节点主要遵从监控中心的控制台，控制台通过指令来实现对老人房间家电设备、灯光、护理设备的无线控制。

(2)老年护理中心内部传感网络的构建和维护是通过协调器节点进行的，协调器节点可以收集Zigbee终端设备节点上所出现的各种信息，借此实现Zigbee终端设备与智能网关之间的无线通信。

(3)老年护理中心的内部传感网络与外部通信网络协议之间的转换是通过ARM进行的，Ethernet模块以及GPRS/GSM模块是智能网关向外部传输的主要渠道。

(4)监控中心服务器所需实现的具体功能都是通过计算机终端或者移动终端的管理软件实现，具体包含：实施监护功能、通信管理功能、数据库管理功能以及异常报警功能等。

系统设计完成后，其主要的工作流程为：首先，老年护理中心采用星型拓扑结构的传感网络、Zigbee终端设备节点将采集到的老年人护理相关信息传输至协调器，协调器以系统设计的阈值为基准与采集值进行比较，系统判定是否需要启动报警装置。然后，相关信息通过Zigbee协调器传输至网关，网关在通过互联网将Zigbee感知的网络信息传输至监控中心，监控中心台的监护人员再通过远程控制对老年人进行相应的护理工作。最后，通过控制台发出控制信息，老年护理中心网关对控制信息作出及时的响应和判断，相应的Zigbee控制节点以此信息为指令做出相应的控制动作。

3.2 基于Zigbee无线养老护理监控系统的硬件设计

该设计的原理是Zigbee无线养老护理监控系统内部传感网络的智能网关采用ARM，该系统主要由：STM32F107VCT6型号的ARM微处理器、Zigbee协调器、Ethernet模块、GPRS/GSM模块以及Zigbee的终端设备节点(数据采集节点和数据控制节点)。

3.2.1 Zigbee无线传感器节点

图2 Zigbee传感器节点结构图

本文采用德州仪器公司的CC2530F256 芯片作为Zigbee的无线传感器节点，CC2530具备的最大优点就是在低成本和低功耗的同时，还能够结合RF发射器的优良性能，系统内可编程闪存256kB空间，8kB RAM 和其他强大的功能。Zigbee的网络节点包含数据采集节点和数据控制节点，数据采集节点主要通过传感器采集老年人的体温、脉搏、血糖、血压等重要生理参数，还采集老年人居住的室内湿度、温度、危险报警信息等；Zigbee的控制节点对智能网关经协调器发出的命令是通过2.4 Ghz天线来进行接收的，这些控制命令主要是实现老年人居住空间的灯光、家电、警报等模块控制。具体的Zigbee传感器节点结构如图2所示。

协调器通过SPI与智能网关相连，当其接收到Zigbee数据采集节点发送来的采集信息后，与系统预先设计的阈值进行比较，判定是否启动报警装置，并将数据传输至智能网关，进而实现了老年护理中心老年人生理信息采集、环境信息采集的数据采集、存储以及无线收发的全过程。此外，Zigbee协议栈和应用控制程序是Zigbee协调器节点软件设计的主要组成。

3.2.2 智能网关设计

图3 智能网关结构图

内部网络协议与外部通信网络之间的转换是通过网关来实现的。在本系统设计中，智能网关主要是实现老年护理中心内部传感网络与外部通信网络的转换。本文所设计的无线养老护理监控系统智能网关采用的CPU是Sa-msung公司基于ARM920T 内核研发的STM32微处理器芯片，与公共网络能够通过GPRS接口和以太网接口实现连接，进而帮助系统实现Zigbee护理中心内部感知网的双向数据传输，护理人员通过控制中心的计算机终端或者移动终端就可以对护理中心老年人进行健康查询和控制。此外，该部分硬件组成还包含：GPRS模块、以太网模块、存储模块、LCD显示模块、程序调试接口以及Zigbee模块接口等，具体智能网关结构如图3所示。

3.2.3 Zigbee网络结构设计

在本文的设计中，无线传感网络中的Zigbee终端节点通过协调器节点将采集到的数据信息传输至网关，网关的无线连接通过GPRS模块或者以太网模块实现构建，并最终与Internet实现连接，数据通过此流程传输至监控中心的系统控制平台。系统中的网络创建和管理是通过协调器实现的，通过CC2530 的射频模块实现与终端设备节点的无线通信，并通过网关实现与外部网络的通信。

3.3 基于Zigbee无线养老护理监控系统的软件设计

3.3.1 控制中心软件设计

图4 无线传感网络软件设计流程 图5 网关工作流程

控制中心的应用软件设计采用在MyE-clipse平台开发的Java语言，护理中心老年人的数据信息存储采用MySQL 数据库，具体的控制软件服务功能包含：

(1)实施监护：对护理中心老年人的重要生理指标和居住室内环境参数进行实时地监测，并进行及时地动态反应，以便监护人员能够及时地发现危险并采取有效处理措施。

(2)数据库管理：将护理中心老年人的一切生理信息和居住环境信息进行采集、存储、查询和修改管理。

(3)通信管理：控制中心服务台能够通过服务器和串口通信实现与Zigbee网关节点的双向数据传输通信，并实现计算机终端和移动终端的访问、控制功能。

(4)异常报警：当护理中心老年人的一切生理指标或环境指标与系统设置的阈值异常时，自动驱动扬声器发出警报，提醒控制中心护理人员异常出现。

3.3.2 无线传感网络

本文无线养老护理监控系统设计采用Zigbee无线传输协议作为无线传感网络的终端节点，基于Zigbee的无线传输协议具有自组织、近距离、低功耗、低复杂度、低成本以及低数据速率的优势。此外，终端节点还设有传感模块、终端节点与协调器之间可以实现数据的双向传输，具体软件设计流程如图4所示。

3.3.3 网关软件设计

护理中心的内部传感网络与外

部通信网协议的转换是通过网关启动协调器，建立无线传感网络而实现的。因此，网关的处理能力就成了设计的重中之重。本文设计的无线养老护理监控系统采用STM32 微处理器，将Zigbee协议栈以及TCP/IP镶嵌其中，进而实现Zigbee网络与TCP / IP 协议的转换，本文采用德州仪器公司Z-Stack-CC2530型号协议栈作为TCP / IP 协议栈，网关的具体工作流程为：协调器节点以STM32 微处理器为核心将终端节点发送的传感器数据进行接收，并发送至STM32 微处理器之中，并将Z-Stack-CC2530 协议栈镶嵌至STM32 中，这样，Zigbee传感网络就能够实现与控制中心数据的双向传输，实现采集信息与控制指令的传递，具体工作流程如图5所示。

4 结语

总之，随着我国人口老龄化问题的日益严重，养老问题成为我国民生领域面临的主要问题，现代信息技术的飞速发展为我国养老机构的养老模式改革提供了全新的发展契机，信息化发展成了养老机构发展的主旋律。基于Zigbee技术的无线养老护理监控系统具有大容量、高性能、低功耗、低速率、高稳定性等诸多优点，基于Zigbee技术对无线养老护理监控系统进行设计和开发具有十分重要的现实意义、应用意义、经济意义和学术意义，对提升我国养老服务水平、提高我国养老服务质量具有极大的推动作用。