基于ZigBee技术的老年求助呼叫系统的教育方式

　1 前言
　　项目背景 随着我国逐渐进入老龄化社会，老年人数量越来越多，许多老年人患有各种老年性疾病，严重者会失去生活自理能力而长期卧床，而子女和家人不可能时刻伴随着老人。基于ZigBee技术的无线紧急呼叫系统，就是在此背景下进行研究和开发的。当老人需要帮助，而家人又不在身边时，可以通过手持终端上的按键发送求助信息，家人看到灯闪或听到声音就明白老人需要帮助，可及时前往而有效地利用时间。
　　ZigBee技术简介 ZigBee协议是2001年6月成立的ZigBee联盟专门为实现家庭及办公室自动化的控制系统、医疗保健设备及自动化检查系统的通信应用而开发的一种无线通信标准。与其他无线通讯协议相比，具有低速率、近距离、短时延、高安全、免执照频段等特点，是以低复杂度、低成本、低功耗为目标的一种无线通讯协议。老年求助呼叫系统对数据传输可靠性要求很高，但每次需要传输的数据信号容量很小，要求呼叫端设备的重量和体积较小，这些应用要求与ZigBee协议的特点很吻合[1]。
　　2 系统总体结构设计
　　ZigBee网络通常由协调器、路由器、终端设备三个节点构成，每个ZigBee网络需要且只需要一个协调器，用来创建ZigBee网络，并为最初加入网络的节点分配地址；路由器节点有转发数据功能，起到路由的作用；终端设备节点之间，只能与协调器节点通信，通常只周期性地发送数据[2]。本系统用于家庭网络，研究表明，一般家庭面积25*25 m2内，ZigBee在此范围的通讯误包率基本为零[3]，因此不设ZigBee路由节点。本系统由一个协调器节点和五个终端设备节点形成一个星型网络拓扑结构。
　　系统由病人呼叫器、协调器、应答器构成。系统总体结构如图1所示。其中，中控器在网络中充当协调器，负责建立和管理网络、信号的转发。呼叫器和应答器在网络中充当终端设备。呼叫器用来发送呼叫请求和取消  。
　　3 系统硬件及软件设计
　　系统硬件设计
　　1）中央处理器模块。本研究选用德州仪器的CC2530 F256集成芯片，该芯片集成了增强型8051微控制内核与的2.4 GHz的RF收发器，具有256 K的内存，系统内包括可编程闪存、8 KB RAM、A/D转换器以及许多其他功能。同时具有网络节点功能强大、唤醒与休眠工作模式多样、材料成本低廉的特点，使得它更适应超低功耗要求的系统[2]。本系统节点主要由CC2530片上系统接收发射模块、电源模块、下载接口模块（同时兼顾仿真接口）、发光二极管显示模块和独立按键模块等组成[6]。同时结合该公司开发的ZigBee协议栈（Z-Stack）为用户提供了一个较好的ZigBee应用解决方案，可在此协议栈基础上开发特定应用场合下的应用程序。选用CC2530，可相对简化并降低硬件系统的设计难度。
　　2）协调器设计。网络协调器是ZigBee簇状网内各节点通信的核心，在网络建立之初，每个网络有且仅有一个协调器节点，主要负责网络的发起、参数的设定、信息的管理及维护。根据所选择的微处理器，硬件总体设计方案如图2所示。协调器节点主要由处理器模块、射频模块、电源管理模块、复位电路、蜂鸣器、IDC10下载器插槽、串口等各外部接口等组成。因协调器要根据需要不停地查询网络中的信息，因此要外接稳定的电源，在终端的电源模块基础上增加了外部稳压源接口。CC2530芯片作为射频模块，用于数据处理、接收和发射信号；蜂鸣器和LED指示灯分别用于声、光报警。
　　3）呼叫器和应答器设计。呼叫器和应答器均为无线可移动设备，由电池供电。其电路框图如图3、图4所示。CC2530芯片作为射频模块，用于数据处理、接收和发射信号；呼叫器的按键1、按键2可根据需要设置成不同需求的按键，如“卫生”“服药”等，LED指示灯用于报警提示。
　　系统软件设计 系统由1个协调器、1个呼叫器和4个应答器共6个节点组成一个星型网络，由于本文使用TI公司的CC2530芯片进行硬件设计，故在软件设计时采用了与之配套的，同为TI公司的Z-Stack协议栈，开发环境选用IAR7.60，TI Z-STACK协议栈可方便地组建自己的无线通信网络。在ZigBee协议栈中，已经实现了协调器、路由器以及呼叫器的程序，在此基础上，根据无线呼叫系统的硬件设备的实际情况，用IAR Embedded Workbench软件开发工具编写相应的应用程序并进行调试，最终下载到芯片上加以实现。
　　1）协调器。协调器的工作流程如图5所示。协调器上电后，首先进行设备初始化，包括硬件电路初始化、寄存器初始化、协议栈初始化、操作系统初始化。然后进入执行操作系统，进入无限循环的任务执行程序中。系统定义了“UARTGetchar（）”函数，负责接收呼叫终端发送过来的字符，ZigBee将接收到的字符传给此函数。
　本项目定义一个变量，通过if语句来判断老人是否发送了请求。当条件满足后，才会执行控制函数，从而控制协调器上LED警示灯闪烁[7]。
　　2）呼叫器与应答器。作为ZigBee网络终端节点的呼叫器、应答器的初始化过程与协调器基本类似。如图6所示，呼叫节点首先进行系统初始化，然后加入网络，进入休眠模式；当有呼叫请求时，按键中断唤醒，把请求信息发送给协调器。在CC2530开发板本身设计的3个按键中任选一个按键，定义“key_get（）”函数，用来判断按键是否被按下，若按下了，则通过“uart_puts（）”函数把设定好的字符通过UART串口给发送出去。与此同时，执行“BuzzerSound（）”求助警铃函数，通过定时器来控制声音。在接收到控制命令数据后，发送数据到协调器，若发送不成功，将延迟1 s后重发。
　　如图7所示，应答器工作流程与呼叫器基本一致，不再赘述。
　　测试结果 通过抗干扰能力测试，ZigBee通信网络数据传输可靠性高，基本不受家庭中各种家用设备的干扰[3]，在普通的家庭环境中误包率基本为零。
　　4 结束语
　　本文利用ZigBee自组网络技术，采用CC2530作为射频收发芯片，设计了老年呼叫系统，创新点在于呼叫器可根据老人不同需求发出不同信号。老人求助终端不仅适用于家里的老人，其他因伤、病、残等原因造成行动不便而需要被人照顾饮食、卫生、就医等病人也可使用该功能。系统能耗低，价格便宜，有较好的市场应用前景。
　　参考文献
　　
　　[2]蔡丽婷，陈平华，罗彬，等.基于CC2530的ZigBee数据采集系统设计[J].计算机技术与发展，2012（11）：197-200.
　　[3]赵锦萌，吴效明，张莉莉.面向家庭的ZigBee医疗监护网络研究[J].计算机测量与控制，2012，20（3）：780-783.
　　[4]邹劼，陈盛云.一种基于ZigBee技术的病房无线呼叫系统的研究与设计[J].郑州轻工业学院学报：自然科学版，
　　2011（12）：95-98.
　　[5]翁慧，郭裕顺.基于ZigBee技术的无线呼叫系统设计[J].杭州电子科技大学学报，2009（6）：40-43.
　　[6]刘毅力，焦尚彬.基于CC2530无线传感网络系统的设计[J].现代电子技术，2013（2）：43-46.
　　[7]罗回彬，钟伟洲.基于ZigBee技术的门铃及老人求助系统[J].单板机与嵌入式应用，2012（4）：73-74.