基于ZigBee和PLC技术的社区监护系统

随着社会老龄化的日益加剧，对老年人健康的关心已经成为重要的社会问题。另外，一些突发性疾病和家庭保健，如心血管疾病、孕妇、胎儿、婴儿、幼儿的保健也需要长期的家庭监护。所以，研究基于公用网络的家庭医疗监护，建立小区医疗网络，从而组成一个医院护理系统网络，不仅可以增加病人的安全性和改善人们的生活质量，还能使医院更有效地提高管理人员、医生和护士的工作效率，协调相关部门有序工作。

在某些情况下，使用有线方式的监护系统的实施成本将远远超过购买监护设备所花费的费用。例如，在一个多社区医疗监护网络中，把实时监护病人的生理参数传输到远程监控中心及所有数据的远程备份，都是一笔庞大的开支，维护成本更是惊人。虽然引入无线监护网络，可以解决一些问题，但基于蓝牙、GPRS 等技术的社区医疗监护系统存在相应的不足之处，如无线辐射的安全性、无线终端的快速移动、无缝漫游和无线网络成本等等。

ZigBee 技术的出现为传感器信号的无线传输提供了新的解决方案。ZigBee节点有几十米的覆盖范围，且可以增加路由节点，扩展覆盖范围，另外它还具无线辐射小、传输数据安全和成本低等优点，因此适用于家庭住宅。同时由于生理监护信号的数据传输流量不大，传输速率为250kbit/s的ZigBee能够满足生理数据传输要求。ZigBee传感节点可自由灵活地加入和离开网络，具有低功耗和低成本的特点。此外，电力线具有高速(骨干网速度已经达到了上百Gbit/s)、以电力输电线路作为传输载体(目前我国拥有全世界长度排名第二的电力输电线路)等优点，并且电力线载波通信被国外传媒喻为“未被挖掘的金山”。我们可以看到，如果把ZigBee和PLC技术有机的结合起来，它不仅弥补现有社区医疗监护系统的一些弊端，缓解了居民对医疗监护的需求，还很符合并不富裕的中国。

社区监护系统的总体构架

该社区监护系统主要分为三部分，如图1所示。第一部分由若干个基于ZigBee无线网络的家庭监护单元组成，其中，无线通讯节点根据功能不同分为：无线传感器节点和PAN协调节点，无线传感器节点具有用户随身携带和可移动性的特征，主要负责采集人体的重要生理参数;而PAN协调节点主要负责收集重要生理参数，并通过第二部分，也就是电力线网络部分将这些参数发送到监护中心(即第三部分)，这样，由专业的医护人员来实现对数据的统计和观察，提供相关医疗咨询和服务，达到远程医疗的目的。

社区监护系统的硬件结构分为：无线传感器节点、PAN协调节点(包括射频通信模块和电力线传输模块)和监护中心。系统的结构示意图如图2所示。

社区监护系统的硬件设计

ZigBee传感节点的硬件设计

基于ZigBee无线网络的家庭监护单元由于应用环境主要是家庭，网络覆盖范围小，因此可直接采用星型拓扑结构，即网络主要由 3~5 个传感器节点，即 RFD 节点(Reduce Function Device，简称 RFD)和一个主节点，即FFD 节点(Full Function Device)组成。虽然 RFD 节点和 FFD 节点实现具体功能的不同，但为了增加通用性和方便维护，传感器节点的基本电路相同。本文采用Freescale公司推出符合ZigBee 标准的MC13192射频芯片。由于MC13192的射频信号采用差分方式，而倒F型天线为单端天线，所以在芯片和天线之间使用巴伦电路，以达到最佳收发效果。本方案使用了巴伦电路专用芯片LDB212G4020C。UPG2012TK是射频开关，工作频率为0.5~2.5GHz，具有非常低的介入损耗和很高的隔离性能;封装形式为6引脚的短引脚小型贴片封装，可减小电路板占用面积。

另外，由于TI MSP430 系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件，针对不同的应用而由不同的模块组成。这些微控制器可用电池供电，而且使用时间长。具有 16 位 RISC 结构，CPU 中的16个寄存器和常数发生器使 MSP430 微控制器能达到最高的代码效率;灵活的时钟源可以使器件达到最低的功耗;数字控制的振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6s的时间内激活到活跃的工作方式。是一种低功耗类型的单片机，特别适合于电池应用的场合或手持设备。其中，MSP430F449单片机内部集成了60kB FLASH 存储模块，2kB RAM，6个I/O端口以及12位高精度模数转换模块ADC12等。较小的封装和极低的功耗使其可以理想地与MC13192 结合，作为基于ZigBee 技术的无线传感器网络节点。

MSP430F449和MC13192 通过SPI 总线连接。MSP430F449的SPI 接口工作在主机模式，是数据传输的控制方;MSP430F449设为从机模式。MSP430F449通过4 线SPI接口对MC13192 的内部寄存器进行读写操作，从而完成对MC13192 的控制以及数据通信。

电力线调制解调器

力合微电子具有电力线通信与控制基于多载波快速跳频的专利技术，专门针对国内电网环境而设计，具有较好的抗干扰性能，实现电力线可靠数据传输与控制。其专用芯片LME2200使用灵活、方便，为各种电力线通信与控制应用提供了一款优化的芯片方案。因此本文采用了LME2200芯片，调制解调器的硬件框图如图3所示。

该电路由信号发送电路、信号接收电路和过零检测电路等组成，基本电路如图4所示。

从图4可以看出，发送电路由一个低通滤波器和一个功放构成。低通滤波器的作用是滤除高频信号成分并平滑DAC输出信号的波形，功率放大器 (PA)的输出通过一个耦合变压器连接到电力线上，滤波器的带宽由使用的载波频率所决定。对功率放大器的要求是经过变压器后在2～100欧姆的阻抗下获得 1-2Vrms的信号电平。另外，LME2200C支持半双工工作模式。当发送时(TX_BUSY低电平)用于打开功放，而在接收时(TX_BUSY为高电平)关闭功放以提高接收阻抗。而在接收通路中，经耦合变压器获得的信号送片内放大器放大，然后经片外带通滤波器后送芯片RXIN输入端，由片内接收机完成数据包的接收。过零检测电路输出一个方波信号,它的上升沿在工频信号的过零处，此信号被用作LME2200C的SYNC同步输入，并作为收发同步的基准。

软件设计

① ZigBee传感节点的软件设计

ZigBee传感节点主要负责采集被监护人的生理数据，并将这些数据传送给协调器，同时，接收来自协调器的相关指令，并根据这些指令进行相关操作(包括自动发送生理参数命令以及提示按时服药等命令)。当没有执行相关指令时，转入休眠模式，节点功耗降到最低。ZigBee传感节点的软件流程如图5所示。

②PAN协调节点的软件设计

PAN协调节点作为整个网络中唯一的协调器，按功能可分为两个部分，网络维护功能和数据传输功能。网络维护方面主要是负责组建ZigBee网络、分配网络地址及维护绑定表。

数据传输方面主要转发监护中心对ZigBee传感节点的命令，以及定时要求地ZigBee传感节点将生理数据发送数据给它，并转发到监护中心。PAN协调节点基本流程，如图6所示。

③监护中心软件设计

由于本系统还处于实验阶段，所示只是把监护中心软件作为性能测试的演示系统。只是采用VC++6.0对该系统用户界面和数据库部分进行编程，它采用循环轮询的方式显示各个监护终端设备发来的生理参数，主界面如图7所示。

结语

社区监护系统在小规模实验中的调试结果表明:该系统能够准确地实现家庭医疗监护功能，通信质量可靠稳定，抗干扰能力强，功耗小，成本低，个人监护终端设备体积小巧。在实验室内，网络协调设备和个人监护终端设备之间的距离可达70m，并且满足数据传输的实时性、高效性的要求。本文社区监护系统的实现，为社区监护系统的研究和发展提供了实验平台，也为其发展奠定了一定的基础。

参考文献：

[1] 李尚林, 吴效明, 韩俊南. 医疗监护系统中的ZigBee传感网络研究[J].微计算机信息, 2009

[2] 汤效军. 电力线载波通信技术的发展及特点[J].电力系统通信.2003(1):22～24

[3] 郭劲松, 焦培峰. 一种通过电力线载波通讯传输生理数据的方法[J].医疗卫生装备, 2003(10):96～98

[4] 代永陆, 唐晓英. 基于嵌入式系统的便携式多参数健康监护仪设计[J].电子技术应用, 2006(9):55～58

[5] 孟祥敏, 侯德文. 基于 ZigBee技术的智能家居系统的研究[J]. 网络与通信, 2009.2

作者：和思铭 程继航 裘昌利 朱孟忠 空军航空大学   时间：2009-12-11

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