基于Zigbee的遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護系統(tǒng)的應(yīng)用研究

　　隨著社會老齡化的加劇，解決長期慢性病的監(jiān)護成為重要的社會問題。一些突發(fā)性疾病和家庭保健，如心血管疾病、老人的日常護理、孕婦、胎兒、嬰兒、幼兒的保健也需要長期的家庭監(jiān)護。由于我國醫(yī)療資源緊缺，研究基于公用網(wǎng)絡(luò)的家庭醫(yī)療監(jiān)護，建立小區(qū)醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)，可以提高醫(yī)療服務(wù)水平，減輕病人負(fù)擔(dān)。以往的解決方案是采用有線方式或簡單的無線數(shù)據(jù)發(fā)射接收方式。被監(jiān)護者身上安裝的傳感設(shè)備難以自由靈活地移動和接入，系統(tǒng)沒有擴展性，成本高。Zigbee 技術(shù)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，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250kbps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(luò)，具有低功耗和低成本的特點。

　　Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的上述特點使其在個人生理信號監(jiān)測和遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護方面將有很好的應(yīng)用前景。本文在分析Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對其在移動監(jiān)護的應(yīng)用進行了研究。

　　1 基于Zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)家庭監(jiān)護系統(tǒng)架構(gòu)

　　1．1 遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的要求

　　家庭監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)需要考慮能耗、覆蓋面、傳輸速率和互聯(lián)網(wǎng)進行通信等因素。本研究采用基于Zigbee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)在室內(nèi)對生理信號的采集，通過互聯(lián)網(wǎng)將生理數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/遠(yuǎn)程">遠(yuǎn)程監(jiān)護服務(wù)器。人體攜帶可移動生理信號傳感器終端，在網(wǎng)絡(luò)的可覆蓋范圍內(nèi)活動，通過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的路由節(jié)點接入互聯(lián)網(wǎng)。Zigbee網(wǎng)絡(luò)具有自組織、動態(tài)路由、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點少等特點。同時Zigbee網(wǎng)絡(luò)考慮了節(jié)點的能量節(jié)約，減少節(jié)點處理器的計算負(fù)擔(dān)等問題。醫(yī)院或社區(qū)的醫(yī)生可以隨時通過互聯(lián)網(wǎng)查看患者的生理信息，可以對生理傳感器的采集方式進行控制。同時也可以獲得無線網(wǎng)絡(luò)中其他監(jiān)護設(shè)備的信息。

　　1．2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　IEEE 802．15．4協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種類型：星形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)和族狀結(jié)構(gòu)．如圖1所示。其中網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)和族狀結(jié)構(gòu)屬于點對點的結(jié)構(gòu)。在802． 15．4網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力可以分為全功能設(shè)備(FFD)和精簡功能設(shè)備(fIFD)。FFD設(shè)備之間以及FFB設(shè)備與RFD設(shè)備之間可以直接通信。RFD之間不能直接通信。在IEEE 802．15+4網(wǎng)絡(luò)中，有一個稱為PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的FFD設(shè)備，是傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主控制器。每個網(wǎng)絡(luò)僅有一個主控制器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器除了直接參與應(yīng)用以外，還要完成成員的身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等功能[6][7]。

　　星形網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都與中心協(xié)調(diào)器通信，節(jié)點間不能直接通信，中心節(jié)點的能量消耗大。適合于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點較少、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、小范圍的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。而點對點網(wǎng)絡(luò)中只要通信雙方都在其輻射范圍之內(nèi)，任何兩個設(shè)備之間都可以通信。點對點網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息，認(rèn)證設(shè)備身份等功能。點對點網(wǎng)絡(luò)支持Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，且可以構(gòu)造更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

　　在家庭監(jiān)護系統(tǒng)中，被監(jiān)護對象可能在多個房間內(nèi)活動，為了能隨時擴大覆蓋范圍，且方便以后功能擴展，選用族狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在與互聯(lián)網(wǎng)的連接方面，建立zi鹵ee無線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的網(wǎng)橋，將監(jiān)護信息傳送到監(jiān)控服務(wù)器，實現(xiàn)監(jiān)護信息的共享。

　　1.3 家庭監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

　　基于上述分析，本文設(shè)計的遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。Zigbee無線系統(tǒng)主要由Zigbee無線傳感器節(jié)點(脈搏傳感器節(jié)點)、若干個具有路由功能的無線節(jié)點和zigbee中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(連接家庭無線網(wǎng)橋)組成。無線網(wǎng)橋連接zigbee無線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)，是家庭無線網(wǎng)絡(luò)的核心部分，負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和設(shè)備節(jié)點的管理。圖中A、B、C、D為具有路由功能的FFD節(jié)點，傳感器節(jié)點與路由節(jié)點自主形成一個多跳的網(wǎng)絡(luò)。

　　脈搏傳感器節(jié)點可以通過A、B、C、D節(jié)點向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)。由于被監(jiān)護者在家庭內(nèi)自由活動，所以其攜帶的傳感器節(jié)點的路由可能是動態(tài)變化的。所設(shè)計的 Zigbee無線節(jié)點的室內(nèi)通信距離為30～60m，A、B、C、D節(jié)點可根據(jù)房間的分布進行布置，以能夠最大程度地覆蓋活動區(qū)域。

　　脈搏生理數(shù)據(jù)經(jīng)過家庭網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)護服務(wù)器。遠(yuǎn)程監(jiān)護服務(wù)器負(fù)責(zé)脈搏生理數(shù)據(jù)的實時采集、顯示和保存。其他的監(jiān)護信息如監(jiān)護圖像、安全設(shè)備狀態(tài)等也可以傳輸?shù)椒?wù)器。醫(yī)院監(jiān)護中心和醫(yī)生可以登錄監(jiān)護服務(wù)器查看被監(jiān)護者的生理信息．也可以遠(yuǎn)程控制家庭Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)中的傳感器和設(shè)備，從而在被監(jiān)護病人出現(xiàn)異常時，能及時檢測到并采取搶救措施。被監(jiān)護者的親屬等也可以登錄監(jiān)護服務(wù)器隨時了解被監(jiān)護者的健康狀況。

　　2 Zigbee家庭無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)護系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　對于傳感器節(jié)點，需要具有小尺寸、低功耗、適應(yīng)性強的特點。根據(jù) Zigbee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee設(shè)備發(fā)射輸出為0~3．6dbm，通信距離為30~60m，能夠檢測能量和鏈路質(zhì)量。根據(jù)這些檢測結(jié)果，可自動調(diào)整設(shè)備的發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗設(shè)備能量。目前市場上的無線發(fā)射，接收芯片典型的有Chipcon公司和Freeseale公司的產(chǎn)品。本文選用Freescale的13193作為系統(tǒng)的射頻芯片。此芯片可以結(jié)合Freescale公司的控制器GT60一起組成低功耗的無線模塊。無線傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。