基于ZigBee的空巢老人健康管理系统研究

谢 聪，姜晓红

（1.广西大学行健文理学院，南宁 530005；2.广西医科大学第一附属医院，南宁530021）

一个社会的文明程度很大一部分取决于这个社会对老人和婴童的关爱程度。养老资源的供给主体主要有老年人自身、家庭、国家、社区（集体）和社会。年轻人虽常年在外工作，但很多人经济基础薄弱，再加上来自家庭、工作的各种压力，让很多老年人健康问题无法得到保障，特别是农村的老人，很多是未富先衰，没有良好的健康管理概念，而且我国的物质财富还尚不能为那么多的老年人提供足够的物质和社会保障，因此一款能够便于老年人和患者在家里日常自行进行检测的人体健康检测系统非常具有现实意义，在医疗资源不充分的情况下能够有效对医疗资源的合理分配改善，节省一定医疗费用的同时，还能预防疾病。利用现代科学技术构建一个监护系统，于人于己，都大有裨益。古人云：老者近于父，长者近于兄；谨庠序之教，申之以孝悌之义，颁白者不负戴于道路矣！

1 现有监控系统分析

随着互联网+医疗、物联网的发展，国内健康养老平台如雨后春笋般相继出现，但是“银发产业”的市场潜力并没有被充分挖掘起来，中国目前健康服务业产值只占国内生产总值的5%左右，而美国早在2009年就已经达到17.6%，目前存在的问题是产品通用性不强，功能过于单一，也没有一个集预防、咨询、诊断为一体的综合健康管理平台，社区家庭医生的作用也没有得到充分利用。目前存在问题为：不同设备采集的数据很难进行统一的存储和关联；难以统一传送到远端专业服务器；居家养老不能与社区养老进行很好的结合。因此，一款综合管理系统显得尤为重要。

目前，监控系统GUI的开发软件众多，有QT、MFC、WinForm、WPF、enWin、Guix、LVGL、Java、Labview等。每款软件都有自己的优势，有的占用资源少廉价但是可移植性不好，比如Labview，适合单片机类的小型开发，因此嵌入式Linux跨平台系统开发，首选QT，监控界面多线程并发通信，还支持TCP、UDP双通讯模式，而且它自己提供了OpenGL模块，不需要配置环境可以直接使用，编程功能非常强大。而且对于初学者而言代码结构比较清晰，信号槽机制使得编程更加容易。自从2005年Google推出了基于Linux的Android的操作系统，因其平台开放、硬件选择丰富且等又方便接入移动互联网，因此是医疗监控智能穿戴设备软件开发平台的首选。因此本文开发平台选择QT5，利用不同的交叉编译工具，可以同时发布在不同平台上。

2 生理数据采集

从医院了解到，目前住院病人日常监护主要包括这4个方面：遥测心电监护、遥测指脉氧监测、遥测呼吸监测、遥测血压监测、遥测温度监控等。居家健康监护可以根据患者的经济水平和健康监护需要进行自由选择，毕竟不是任何人都能有条件把种类齐全的监护设备全都安装到家里，而且非重症病人也不需要那么全方位的监控，对于这一部分的人群更多关注的是某一指标的数据收集以及更好地预防，那么健康管理系统就要在这一方面给予更多的建议，这个管理平台辅助患者进行健康的管理。因此设计一款集采集、处理、分析为一体的综合管理系统在智能手机终端，在这个平台上，能够根据数据对用户进行关心和建议，并给出一些健康小贴士，还能有选择性的跟附近用户进行沟通健康相关问题。不仅可以身体上给予照料，还能从情感上予以慰藉，给予空巢老人全方位的呵护。

图1 生理数据采集框图

温度与人体的免疫力、新陈代谢、自律神经等都息息相关，无论是治疗疾病还是远离亚健康、瘦身美容，调整好自己的温度，都是我们要做的第一步。在临床实践中，通常采用直肠温度、口腔温度或者腋窝温度作为衡量机体深部的平均温度。人体温度目前家庭用的是普遍还是水银温度计、电子体温计、耳温枪、额温枪（非接触红外体温计）等。这几种温度测量方式各有自己的优势，对于人体温度监测都非常方便，然而对于需要实时监测温度的场合，这几种温度计都满足不了人们的特殊需求。比如说婴儿发高烧，我们做父母的都要熬夜帮其降温、反复测体温，悬着的心驱使我们睡不着吃不香。那么针对这种情况体温自动监测系统就显得非常重要，经调查，非接触测温有基于ARM的红外测温传感器MLX90615ESGDAA，接触式可穿戴的体温监测器，有基于蓝牙的智能手臂环或可黏贴在腋窝的体温计，比如有icooling、Smart、isee、raiing、iFever等等，主要利用热敏电阻或者新型柔性温度传感器使得接触测温变得很便利。这些都可以在手机终端提供温度变化曲线、发烧预警、用药提醒等，为家长提供建议。其信号采集原理如图2所示。

图2 传感器信息采集

心血管疾病已经成为人类健康的头号杀手，据调查大概有2.9亿人心血管疾病患者，心电监测传感器，协助“家庭医生”政策的实施，突破家庭健康监测的一道关口，心电监测领域，借助物联网及生物医学技术，已形成完善的心电监护服务体系，为用户、家庭、医疗机构、政府等提供心电监护综合解决方案，助您打开终端消费、医疗机构、政府等多方市场。互联网远程报告问诊+智能穿戴心电监测设备或是当下最合适的解决方案！通过智能心电记录仪获取心脏病患者的生理数据上传至云平台，人工智能自动预警，专职心内科医生远程判读、实时主动监护，发现异常及时通知患者或者紧急联系人，提前预防心脏风险，形成一套便携易用、高效管理的远程心电监测服务！心电传感器可以采用arduino心电传感器开发，利用单片机结合Zigbee，进行信号短距离的传输，再结合GPRS进行远距离传输。

指脉氧传感器是监测人体血氧的一个重要传感器，可以判断病人是否有缺氧症状。而血氧饱和度直接反映人体呼吸功能及氧含量是否正常的重要生理参数，严重缺氧会导致窒息、休克、死亡等悲剧。心脏病、高血压、糖尿病人，特别是老人都会有呼吸方面的问题，监测血氧指标可以很好地了解自己的呼吸、免疫系统是否正常，因此血氧指标已成为普通家庭日常监测的重要生理指标，一般认为血氧饱和度低于94%以下为供氧不足。

呼吸监测传感器，许多健身追踪器和类似的装置可以测量活动量，例如距离、速度和步数，但用来测量身体反应的能力通常仅限于心率。呼吸率以及呼吸方式是更有用的性能指标，但正如我们看到的那样，其测量装置也更加复杂。

血压监测传感器主要有电容式的和压阻式的，感应的是脉搏的震动。长期的高血压使得血管壁变窄，会引起不同部位的血管爆裂，影响心脏、肾脏、大脑、眼睛瞪众多部位，直接危及生命安全，因此对血压的监控就显得尤唯重要，但是，日常监护中，量了血压之后没有一个自动管理平台，都是短时间的人手动记录变化趋势，对于长时间的健康预测是非常不利的。因此信息如何共享到智能手机管理系统，就是人们迫在眉睫需要解决的方案。

3 无线数据发送

随着无线通信技术的快速发展，无线通信技术逐渐应用在远程医疗当中，家庭监护数据得以传输到医院监护中心。国外远程医疗发展较早，大部分是通过 WIFI、蓝牙、UWB、NFC、Zigbee 等无线通信技术。ZigBee是国际通行的无线通信技术，工作在2，4GHz频段，网络可以容纳的工作节点理论多达6.5万多个，而目前广泛使用的蓝牙可以组网连接到一个无线局域网，但它在一个局域网内同一时刻只能寻址8个设备，其中1个为主设备，其它7个为从设备，wifi又难以满足便携式的场合，难以集成到网状结构中，因此本设计研究采用ZigBee技术作为室内的无线传输技术。ZigBee目前广泛应用在智能抄表、智能家居、远程医疗等场合，因为它符合可移动、低功耗、节点灵活等优点。ZigBee传感节点设备分成3个部分：协调器、路由器、终端节点，目前也支持3种网络拓扑结构：星型、树型、网状，根据不同的应用领域选择不同的拓扑结构。

图3 ZigBee无线传感器拓扑图

监测的生理数据能够通过ZigBee与GPRS移动通信网络结合，直接把数据传输到远程医疗诊断中心。ZigBee节点之间选择mesh网络实现数据双向传输、点播、组播通信。协调器发送指令使终端设备休眠或唤醒，设计开发节点监控管理系统，能够监视生理数据、电池电量等。设计采用CC2530芯片对老人的生理信息进行采集与传输，整个系统包括健康监护终端、ZigBee局域网、智能终端、远程监护中心几部分组成。利用ZigBee通信，首先要进行组网，在同一个局域网内，要保证3种设备的IEEE物理地址是一致的，其次要分配好网络地址。ZigBee协调器是整个网络的主控节点，负责发起网络，设定网络参数，管理网络中的节点以及存储网络中的节点信息等，在网络形成后可充当路由器，实现人体生理信息无线监控终端和监控中心的相互通讯。一旦实现通讯接口的统一，终端节点可以根据需要进行选择，还可以扩展到智能家居领域。

图4 ZigBee系统节点框图

4 监控系统设计

管理平台可以包括呼叫中心，用于监测老人生理状态的智能监测终端以及安装在老人身上智能移动终端的第一客户端，第一客户端通过互联网连接呼叫中心，第一客户端将其本身获取的位置信息以及接收来自智能监测终端的生理信息及救助信息通过互联网一并发送至呼叫中心：还包括安装于亲属智能移动终端上的第二客户端，第二客户端通过互联网与呼叫中心连接，向呼叫中心发送身份信息并获取智能监测终端所检测到的生理信息、位置信息以及救助信息。

软件监控平台搭建和传感器的通讯采用QT5编程工具实现，相关的数据存储在内嵌的SQLite数据库，通过跨平台编译可移植在手机终端APP上，管理平台模块化如图5所示。

图5 监控平台模块化设计

5 结束语

本文首先从空巢老人养老健康监控的关键问题着手，即生理数据的采集和信息的传输，查询大量资料对传感器的选择进行了简单的分析，并进行实际调研，根据医院老人在医院的的实际监控数据进行考虑监控方案，并选择目前比较热门的居家监控的物联网技术ZigBee进行信息的传递，当代社会老龄化很严重空巢老人人数居多，开发出一个实用的监控系统，有着重大的意义，再结合智能家居，可以联动社会上一切有利的力量，让我们的生活变得越来便利。技术是保障，再加上社区、社会以及整个国家的努力，一定会为空巢老人或者受监护者提供一个温馨而又健康的环境，希望老人们“年垂九十身犹健，竹屋荆扉不厌低”。