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

1、    基于msp430單片機實驗系統(tǒng)及傳感器技術的照護系統(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設計了一種居家照護系統(tǒng)，該系統(tǒng)以無線通信技術來測量生理指標的傳感器為核心，設計了一種可擴展的照護系統(tǒng)體系結構模型。該系統(tǒng)可以應用于家庭以及醫(yī)院病房，構成遠程的家庭、社區(qū)以及醫(yī)院的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。關鍵詞：msp430單片機；無線傳感網絡； 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注。而基于無線傳感器網絡的zigbee技術的出現，為居家照護老人提供了一種全新的技術手段。采用802.15.4協(xié)議以及數據傳輸能力強、可靠性高的zigbee技術，具有近距離、低成本、低功耗、低復雜度、低數據速率、高度的靈活性等特點1。 這些技術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，無線局域網構成的一種無線傳感器網絡在醫(yī)療監(jiān)護中的應用。文獻3 中提出一套無線多參數監(jiān)護系統(tǒng)的設計方案， 并對方案的軟硬件實現進行了詳細的闡述。將無線通信技術、嵌入式internet技術與醫(yī)療服務相結合，實現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絡技術的嵌入式遠程醫(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據通過無線傳感器網絡傳輸到醫(yī)院控制中心，通過控制中心的軟件，使醫(yī)生可視化監(jiān)測病人的生理數據，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設計了一種居家照護系統(tǒng)，該系統(tǒng)以無線通信技術來測量生理指標的傳感器為核心，設計了一種可擴展的照護系統(tǒng)體系結構模型。系統(tǒng)中，通過終端設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又提高了照護的品質。2 系統(tǒng)設計方案系統(tǒng)的設計方案為：用傳感器節(jié)點對所要看護的老人進行生理信息的采集，采集到的信息經加工處理之后通過zigbee無線通信的方式傳送到監(jiān)護服務器，如果把該系統(tǒng)接入到internet網絡中，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網絡協(xié)調節(jié)點。監(jiān)護基站設備是整個zigbee網絡的核心，管理無線傳感器網絡節(jié)點和設備節(jié)點。無線傳感器網絡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、是否跌倒等生理數據經網關傳輸到監(jiān)護服務器，監(jiān)護服務器負責數據的存儲和采集，醫(yī)療人員和家屬可以登錄監(jiān)護服務器查看。3 系統(tǒng)的硬件設計無線傳感器節(jié)點主要采集人體的生理信息，通過射頻通信的方式，將數據傳送到監(jiān)護基站設備。根據應用需求，節(jié)點的設計包括：傳感器單元、處

8、理器單元、a/d轉換單元、無線通信單元以及電源單元。節(jié)點的硬件體系結構如圖1所示：傳感器單元對監(jiān)護對象進行相應的測量并采集數據，供處理器分析、處理；處理器管理整個網絡；無線通信單元負責與其它節(jié)點通信；電源則負責給各個電源供電。傳感器節(jié)點的設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、數模轉換模塊、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)點的設計中，處理器是核心單元之一。 處理器單元負責節(jié)點的信息處理、信息傳輸的路由選擇和無線傳感器網絡的形成。根據具體應用的需求，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，是唯一結合單片機技術和射頻通信技術的基于ieee 802.15.4/zigbee的soc解決方案。cc2430模塊可組成各種網絡，并且可以通過增加一些外設組成功能更為強大的無線傳感器網絡。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，數模轉換模塊選用ads1100。ads1100是精密的連續(xù)自校準數模轉換器，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次以進行轉換，有增益放大器，允許對微小的信號進行測量，設計簡單，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、數據的傳輸速率和可編程的增益放大器設置，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，電橋輸入的電壓應經tl431穩(wěn)壓，為了得到高強度的信號，電橋的輸出信號

11、應經過兩級運算放大后再輸入到a/d轉換模塊。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、信號調理和溫度補償技術生產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。網關主要用于兩個高層協(xié)議不同的網絡連接。網關又稱網間連接器或協(xié)議轉換器，是一個網絡連接到另一個網絡的關口。在此，網

12、關對收集到的信息進行整理，并將信息傳輸到遠程的監(jiān)護服務器。介于數據處理能力，在此選擇數據處理能力強的基于arm9的網關。監(jiān)護服務器的設計主要實現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)護服務器主要包括：存儲器、人機交互部分、通信部分和數據庫等。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，在通信部分設置多種通信接口，如r232接口、射頻接口和modem接口。在使用當中，監(jiān)護服務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)行相應的采集動作，采集到相應的生理信息經一定的處理之后，再傳輸到

13、監(jiān)護服務器，監(jiān)護服務器對接收到的信息存儲并在適當時顯示。4 系統(tǒng)的軟件設計在硬件設計完成之后，開始進入軟件設計的環(huán)節(jié)，軟件是整個系統(tǒng)的核心，靈活性強，根據具體的應用和功能應運而生。在此根據居家照護系統(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計與實現。當一個無線傳感器網絡建立成功之后，傳感器節(jié)點需要加入到這個網絡中，節(jié)點申請加入網絡成功之后，就處于接受測量相應的生理信息命令狀態(tài)之中，由監(jiān)護服務器發(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ad轉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發(fā)到監(jiān)護

14、基站設備。節(jié)點加入網絡流程圖及信息采集流程圖分別見圖7和圖8。一個網絡建立成功后，路由節(jié)點申請加入，監(jiān)護基站設備一旦同意其加入，路由節(jié)點就處于無線監(jiān)控狀態(tài)下，路由節(jié)點負責數據的路由和轉發(fā)，數據經過若干個路由節(jié)點最終到達監(jiān)護基站設備或者直接達到監(jiān)護基站設備。路由節(jié)點加入及數據轉發(fā)流程圖見圖9。在此監(jiān)護基站設備相當于協(xié)調器，監(jiān)護基站設備負責網絡的建立，可以決定節(jié)點能否加入無線傳感器網絡并管理節(jié)點及數據傳輸信道的選取。如果網絡建立成功，監(jiān)護基站設備就處于監(jiān)聽狀態(tài)，接受來自遠程監(jiān)護服務器的生理信息采集的命令，并傳遞給相應的傳感器節(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絡的核心。監(jiān)

15、護基站流程圖見圖10。網關是一種連接器，可以連接兩種不同的網絡以達到無縫傳送的效果。在此，網關連通監(jiān)護服務器和zigbee無線傳感器網絡中的監(jiān)護基站設備，監(jiān)護服務器可以通過網關向傳感器節(jié)點下達命令，而被采集到的保存在監(jiān)護基站設備緩沖區(qū)的信息則可以通過網關傳輸到監(jiān)護服務器，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。網關工作流程圖見圖11。監(jiān)護服務器負責啟動無線傳感器節(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。老人的信息放在數據庫，家屬或醫(yī)療人員通過查看數據庫，獲取老人的信息，若發(fā)生意外可采取及時的援救。監(jiān)護服務器工作流程圖如圖12所示。5 結束語本設計的目的是提高老人生活質量，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。老人可以在家中自由活動，減少了局限性，提高了靈活性，對構建健康和諧社會有重要的現實意義和社會意義。參考文獻：1 張大蹤，楊濤，魏東海. 一種低功耗無線傳感器網絡節(jié)點的設計j.儀表技術與傳感器， 2006（10）：54-57.2 羅惠謙， 任毅， 石道生. 基于zigbee技術的無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)研究j. 中國水運， 2007， 5（