基于 ZigBee 技术的养老院无线呼叫系统设计论文

　　0　引言

　　随着我国人口老龄化程度不断加深,养老问题成为热点问题,养老院逐渐成为老人养老的第一选择,如今的养老院设施到位,保证了老人的居住质量,同时医疗服务也保障了老人的人身安全。但现在的养老院大多数采取有线呼叫系统,信息显示集中在医生值班室中,不利于老人与医护人员的沟通交流。本文设计一种基于ZigBee技术的无线呼叫系统,老人的呼叫信息不仅可以传输到值班室中,还可以传输到便携式应答器中,可以及时的对呼叫信息作出回应。同时系统采用的CC2530芯片具有发射功率低的特点,不会影响到别的医疗设备的正常工作。

　　1　ZigBee技术

　　ZigBee技术是一种可以进行短距离低速传输的无线网络协议,底层的媒体访问层与物理层采用了IEEE802.15.4标准规范。具有耗电低、成本低、复杂度低、可以支持多种网络拓扑和大量网络节点、低速、安全可靠等特点。由于能够自动组网且体积小,所以该技术布局十分方便；另外又因为其强调由大量节点来完成群体协作,因此网络又具有较强的自愈能力,即使有一个节点的失效也不会对整体任务的完成造成致命性影响,目前该技术已成为短距离无线呼叫技术中的主流技术。完整的ZigBee协议栈自上而下由应用层、介质接入控制子层(MAC层)、网络层(NWK)、数据链路层和物理层组成。完整的ZigBee协议栈结构如图1所示。


　　2　系统设计

　　2.1CC2530芯片的概述

　　CC2530芯片支持IEEE802.15.4标准,旨在组织ZigBeePro网络,以及基于ZigBeeRF4CE和智能能源设备的远程控制。CC2530的集成电路(IC)将射频收发器和微控制器结合在一个晶体中,并与标准8051内核不同,性能有所提高[1]。CC2530芯片上的系统用于许多实际领域。CC2530的以下典型应用可以区分：建筑自动化(供暖、通风、空调)、家庭自动化(电视遥控器、便携式设备、家用电器控制)、医学(生物传感器、患者诊断、警报按钮)、PC外围设备(键盘、鼠标、操纵杆)、工业管理和监测(设备远程控制、工业自动化)、住房和社区服务(系统监控、电力、水)、安全系统(传感器、门禁、房间控制)。CC2530芯片引脚如图2所示。

　　2.2系统主要功能

　　本文所设计的无线呼叫系统主要实现的功能如：(1)老人节点的呼叫功能。(2)值班室节点功能包括：声光报警功能和床位号显示功能。(3)协调器的串口数据传输功能。(4)信息中心的监控功能及数据传输功能。

　　系统工作流程：老人有紧急情况时,按下老人节点的呼叫按键,发出呼叫请求,同时值班室会发出声音报警和液晶显示床位号。当医生赶到床位后,按下取消按键,开始处理紧急情况。每次老人的呼叫以及医生的应答都会通过协调器的串口发送到信息中心,转存到数据库。同时,设计了便携式呼叫器,当医生不在值班室时,通过便携式呼叫器也可以及时得到老人的呼叫信息,不会耽误了紧急救援[2]。系统的整体信息流向图如图3所示：


　　3　系统实现方案
　
　　3.1核心模块

　　系统各部分均由含有TI公司的CC2530芯片的ZigBee模块完成设计。其中,值班室主控器在系统中充当协调器,利用电力线进行供电；而便携式应答器和床位呼叫器在系统中则作为终端设备,利用电池进行供电。如果老人在房间出现紧急情况时,只需按下床位呼叫器按键,ZigBee模块就会给值班室主控器发送报警信息；当值班室主控器接收到求救信息时,则会进行声音报警,同时会显示报警呼叫器的床位号。另外,便携式应答器则是由医生随身携带,如果医生不在值班室,值班室主控器转发报警信息给便携式应答器,确保医生第一时间得到报警信号[3]。借助ZigBee网络传送包括呼叫在内的多种数据信息,且具有优良的电磁兼容性能,方便了医生与老人的信息沟通,对提高养老院的护理水平具有积极意义。

　　3.2值班室主控器

　　值班室主控器是作为协调器存在的,因为值班室主控器是安装在值班室中,所以可以用电力线供电,也是整个系统最核心的部分。其中作为射频模块的CC2530芯片,在该系统中起到发射信号、接收信号和处理数据的作用；蜂鸣器用来进行声光报警；LED灯起到显示作用；串口MAX3232C模块用于与PC机通信。老人的呼叫信息由床位呼叫系统传输到协调器中,信息同时传输到PC机中存储起来。值班室主控器的结构框图如图4所示。

　　3.3床位呼叫器和便携式应答器

　　由于床位呼叫器与便携式应答器都是可移动设备,故选择使用电池供电。CC2530芯片耗电量低的特点决定了设备并不会耗电快,此方案是最为简捷环保的方案。床位呼叫器与便携式应答器两者的硬件设计方案一样,不一样是安装的程序不同。床位呼叫器和便携式应答器的结构框图如图5所示。

　　3.4无线呼叫系统电路连接图

　　利用Multisim软件进行各个模块的连接,使用软件仿真来检测电路是否正常工作,通过仿真,电路连接无误,功能齐全。无线呼叫系统电路连接图如图6所示。


　　4　床位呼叫系统软件设计

　　4.1软件开发环境

　　本文设计的养老院无线呼叫系统采用IAREmbeddedWorkbench软件开发平台,由ZigBee联盟制定的网络层、应用层和安全规范为基础,形成了一个完整的协议栈,选择Z-stack协议栈[4]。ZigBee技术有强大的组网能力,可以形成3种基本的拓扑网络结构：网状型、星型和树型网。其中树型拓扑结构中,网络由一个协调器、多个路由器和终端节点组成,协调器连接一个或多个路由器和终端节点,可以使网络有多个层,符合本系统的通信模式,故选择树型网络拓扑结构。
　
　　4.2系统软件设计

　　系统的软件设计主要是根据无线床位呼叫系统中所设计的硬件设备,对Z-stack协议栈进行修改和简化,同时使用C语言进行编程,下载到芯片上加以实现[5,6]。单个床位的工作流程如图7所示。总控部分的工作流程如图8所示。

　　整体工作流程为：当按下床位呼叫器的呼叫按键时,会自动向值班室主控器发送呼叫信息；当值班室主控器接收到来自床位呼叫器的呼叫信息时,主控器发出声光报警,点亮LED灯,同时蜂鸣器工作。医生按下已收到的按键,蜂鸣器停止工作同时LED灯灭。如果值班室主控器接收到呼叫信息15s之后,并未有回应,则会将信息自动转到便携式应答器中,医生按下随身携带的应答器按键后,信息会被传输到值班室主控器中,蜂鸣器停止工作及LED灯灭。

　　5　结语

　　本文给出了基于ZigBee技术的养老院无线呼叫系统的整体设计方案以及每个模块具体的设计方案,通过仿真实验证明该系统稳定可实现。实验结果表明,该系统的实现不仅可以弥补有线呼叫系统的缺点,还可以使养老院和老人的关系更加紧密,老人安全得以保障；与此同时,养老院的护理能力与竞争力都会增强,能取得更大的经济效益。该系统拥有易于安装与拓展、生产成本低、可靠性强的优点,极大程度上可以降低维护和管理成本,符合养老院的发展特点。

　　参考文献

　　[1]张二珂.基于ZigBee的无线呼叫系统的设计与实现[D].郑州:解放军信息工程大学,2012.

　　[2]陈加林,杨怀德,陈俞强.基于ZigBee的病房无线呼叫系统[J].数字技术与应用,2017(4):204-206.

　　[3]黄玲.基于Zigbee的医院病房呼叫系统设计[D].荆州:长江大学,2015.

　　[4]彭晓宇,杜露露,谢扬.基于ZigBee技术的无线医院病房呼叫系统设计[J].江苏通信,2021,37(4):69-71.

　　[5]黄龙飞,黄晓峰.基于ZigBee的无线医用呼叫系统设计[J].数字技术与应用,2016(2):184-185+189.

　　[6]董婉青.基于Zigbee的病人呼叫系统的设计[D].北京:北方工业大学,2015.


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