基于ZigBee和PLC技術的社區監護系統設計

? 隨著社會老齡化的日益加劇，對老年人健康的關心已經成為重要的社會問題。另外，一些突發性疾病和家庭保健，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護。所以，研究基于公用網絡的家庭醫療監護，建立小區醫療網絡，從而組成一個醫院護理系統網絡，不僅可以增加病人的安全性和改善人們的生活質量，還能使醫院更有效地提高管理人員、醫生和護士的工作效率，協調相關部門有序工作。

　　在某些情況下，使用有線方式的監護系統的實施成本將遠遠超過購買監護設備所花費的費用。例如，在一個多社區醫療監護網絡中，把實時監護病人的生理參數傳輸到遠程監控中心及所有數據的遠程備份，都是一筆龐大的開支，維護成本更是驚人。雖然引入無線監護網絡，可以解決一些問題，但基于藍牙、GPRS等技術的社區醫療監護系統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、無縫漫游和無線網絡成本等等。

　　ZigBee 技術的出現為傳感器信號的無線傳輸提供了新的解決方案。ZigBee節點有幾十米的覆蓋范圍，且可以增加路由節點，擴展覆蓋范圍，另外它還具無線輻射小、傳輸數據安全和成本低等優點，因此適用于家庭住宅。同時由于生理監護信號的數據傳輸流量不大，傳輸速率為250kbit/s的ZigBee能夠滿足生理數據傳輸要求。ZigBee傳感節點可自由靈活地加入和離開網絡，具有低功耗和低成本的特點。此外，電力線具有高速(骨干網速度已經達到了上百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，它不僅彌補現有社區醫療監護系統的一些弊端，緩解了居民對醫療監護的需求，還很符合并不富裕的中國。

社區監護系統的總體構架

　　該社區監護系統主要分為三部分，如圖1所示。第一部分由若干個基于ZigBee無線網絡的家庭監護單元組成，其中，無線通訊節點根據功能不同分為：無線傳感器節點和PAN協調節點，無線傳感器節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;而PAN協調節點主要負責收集重要生理參數，并通過第二部分，也就是電力線網絡部分將這些參數發送到監護中心(即第三部分)，這樣，由專業的醫護人員來實現對數據的統計和觀察，提供相關醫療咨詢和服務，達到遠程醫療的目的。

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　　社區監護系統的硬件結構分為：無線傳感器節點、PAN協調節點(包括射頻通信模塊和電力線傳輸模塊)和監護中心。系統的結構示意圖如圖2所示。

社區監護系統的硬件設計

　　ZigBee傳感節點的硬件設計

?基于ZigBee無線網絡的家庭監護單元由于應用環境主要是家庭，網絡覆蓋范圍小，因此可直接采用星型拓撲結構，即網絡主要由 3~5 個傳感器節點，即 RFD 節點(Reduce Function Device，簡稱 RFD)和一個主節點，即FFD 節點(Full Function Device)組成。雖然 RFD 節點和 FFD 節點實現具體功能的不同，但為了增加通用性和方便維護，傳感器節點的基本電路相同。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個寄存器和常數發生器使 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位高精度模數轉換模塊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絡節點。

　　MSP430F449和MC13192 通過SPI 總線連接。MSP430F449的SPI 接口工作在主機模式，是數據傳輸的控制方;MSP430F449設為從機模式。MSP430F449通過4 線SPI接口對MC13192 的內部寄存器進行讀寫操作，從而完成對MC13192 的控制以及數據通信。

　　電力線調制解調器

　　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，專門針對國內電網環境而設計，具有較好的抗干擾性能，實現電力線可靠數據傳輸與控制。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化的芯片方案。因此本文采用了LME2200芯片，調制解調器的硬件框圖如圖3所示。

　　該電路由信號發送電路、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，經耦合變壓器獲得的信號送片內放大器放大，然后經片外帶通濾波器后送芯片RXIN輸入端，由片內接收機完成數據包的接收。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，并作為收發同步的基準。

軟件設計

　　① ZigBee傳感節點的軟件設計

　　ZigBee傳感節點主要負責采集被監護人的生理數據，并將這些數據傳送給協調器，同時，接收來自協調器的相關指令，并根據這些指令進行相關操作(包括自動發送生理參數命令以及提示按時服藥等命令)。當沒有執行相關指令時，轉入休眠模式，節點功耗降到最低。ZigBee傳感節點的軟件流程如圖5所示。

　　②PAN協調節點的軟件設計

　　PAN協調節點作為整個網絡中唯一的協調器，按功能可分為兩個部分，網絡維護功能和數據傳輸功能。網絡維護方面主要是負責組建ZigBee網絡、分配網絡地址及維護綁定表。

　　數據傳輸方面主要轉發監護中心對ZigBee傳感節點的命令，以及定時要求地ZigBee傳感節點將生理數據發送數據給它，并轉發到監護中心。PAN協調節點基本流程，如圖6所示。

　　③監護中心軟件設計

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

結語

　　社區監護系統在小規模實驗中的調試結果表明:該系統能夠準確地實現家庭醫療監護功能，通信質量可靠穩定，抗干擾能力強，功耗小，成本低，個人監護終端設備體積小巧。在實驗室內，網絡協調設備和個人監護終端設備之間的距離可達70m，并且滿足數據傳輸的實時性、高效性的要求。本文社區監護系統的實現，為社區監護系統的研究和發展提供了實驗平臺，也為其發展奠定了一定的基礎。