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

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