基于SPCE3200的周圍生活輔助系統(tǒng)設(shè)計

李 想 徐 蘇 武 凱

(1.蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)管理中心，蘭州 730070;2.淮海工學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，江蘇 連云港 222000)

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)(IOT)是一種源自信息和交流創(chuàng)新概念的發(fā)展，主要是指那些可以相互交流和組網(wǎng)的智能模塊。已知的網(wǎng)絡(luò)空間是從任何人、任何地點與任何人的聯(lián)系，而這一切都是通過它們來實現(xiàn)的。實現(xiàn)IOT的主要目標(biāo)是提供有價值的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是以一些正確合適的格式出現(xiàn)的[1]。當(dāng)需要這些數(shù)據(jù)時那些獨立的網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)實世界的連接就會被加強?？梢哉fIOT將會構(gòu)成未來的因特網(wǎng)，這種因特網(wǎng)將會由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)事物組成[2]。

周圍生活輔助系統(tǒng)(AAL)包含一些技術(shù)系統(tǒng)讓老人和需要特殊照顧的人在日常生活中得到幫助[3]。AAL的主要目的是支持和培養(yǎng)這些人的生活自理能力，讓他們的生活方式和生活環(huán)境變得更加的安全。AAL包括服務(wù)、產(chǎn)品、概念來增加生活質(zhì)量、健康狀況和老年人的安全,根據(jù)應(yīng)用的范圍的廣泛的現(xiàn)實，AAL將以三層的方式建立，分別是硬件、中間軟件和服務(wù)程序。

AAL是與環(huán)境智能有很強聯(lián)系的，這就與IOT有關(guān)系了。為了能夠提高生活的安全度和健康狀況，要讓我們的家會在智能模塊的幫助下變得更加智能。AAL的主要特點有即時連接、環(huán)境感應(yīng)、個人狀況的適應(yīng)和預(yù)測。IOT預(yù)計將能夠提供各種功能，這些功能主要針對于建立一個輔助生活的環(huán)境。為了滿足老年人們的需求，將會通過IOT來完成所有的功能[4]。這些功能有長期患病的監(jiān)測，按要求提供新鮮的食物或發(fā)出警告，提示服務(wù)以及可以進(jìn)行及時的與親戚通話等功能。這些都是AAL通過IOT實現(xiàn)的一些值得稱道的技術(shù)。

2 技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 凌陽32位SPCE3200處理器

主控芯片采用基于S+core架構(gòu)32位處理器SPCE3200，該處理器最大的特色是具有較強的多媒體處理能力，SPCE3200A芯片特性如下[5]：CPU 時鐘頻率可達(dá)162MHz，支持32位與16位混合指令模式以及并行條件執(zhí)行4K字的內(nèi)存SRAM，支持SDR DRAM，最大容量可達(dá)16M字節(jié)， NAND FLASH存儲容量為512M字節(jié)，滿足系統(tǒng)的存儲要求8個ADC輸入端口，并具有休眠和自動喚醒功能， 既可實現(xiàn)傳感器節(jié)點的低功耗， 又可滿足協(xié)調(diào)器節(jié)點對數(shù)據(jù)管理的要求， 同時在軟件編程方面可使用該公司開發(fā)的API函數(shù)，傳輸速度最高為10Mb/s。

2.2 ZigBee技術(shù)

作為一種新型短距離通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)是實現(xiàn)方便、廉價、高可靠的短距離通信工具的合適選擇。ZigBee技術(shù)與其他短距離無線通信技術(shù)相比具有如下特點[6]:(1)功耗更低。依據(jù)ZigBee Alliance官網(wǎng)公布，以一般電池的電力而言，ZigBee產(chǎn)品使用時間可達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年之久，這個特性使它適用于那些需要一年甚至更長時間才更換電池的設(shè)備。(2)成本低。ZigBee模塊的最初的成本在5美元左右，由于ZigBee協(xié)議簡單，大大降低了應(yīng)用成本，估計很快可以降到1.5～2.5美元。(3)網(wǎng)絡(luò)容量大。ZigBee的解決方案支持每個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器帶有255個激活節(jié)點。(4)工作頻段靈活。使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為免執(zhí)照頻段。(5)可靠。采用了碰撞避免機制和完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機制。

3 設(shè)計方案

3.1 結(jié)構(gòu)介紹

系統(tǒng)框圖如圖1：

整個系統(tǒng)通過基于ZigBee技術(shù)的無線傳輸模塊實現(xiàn)可靠的無線通信，并結(jié)合凌陽處理器的高效處理功能，實現(xiàn)實時的獲取用戶身體的各項數(shù)據(jù)。并在緊急情況下發(fā)出警報信號，通知醫(yī)護(hù)人員和親屬，從而實現(xiàn)對需要貼身醫(yī)療服務(wù)的老人和患者提供監(jiān)護(hù)。

整個系統(tǒng)中,由于終端采用的是ZigBee技術(shù)，具有低能耗、高可靠的特點,所以使用者可以一年到一年半左右的時間才需要更換電池，十分方便耐用，而且一個家庭可以有多人使用。在成為實際產(chǎn)品前，還可以對整個系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，縮小體積，讓病人可以隨身攜帶。由于系統(tǒng)具有高度靈活度，可以根據(jù)實際情況加減其他功能使它成為一個多功能的終端。

本系統(tǒng)軟件中包括下面程序模塊：

主程序：初始化系統(tǒng)涉及到的硬件模塊，如：ZigBee、TFT模組等，獲取按鍵值并進(jìn)行相應(yīng)處理。

TFT驅(qū)動程序：初始TFT控制器，創(chuàng)建窗口并繪制圖形等，實現(xiàn)TFT的驅(qū)動。

Tounch Panel驅(qū)動程序：初始化觸摸屏并獲取鍵值，實現(xiàn)觸摸屏的驅(qū)動。

ZigBee驅(qū)動程序：實現(xiàn)了創(chuàng)建、加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并收發(fā)數(shù)據(jù)的功能。

主機流程圖與從機流程圖如圖3和圖4。

主程序流程如圖3。程序運行后，首先進(jìn)行初始化，然后，進(jìn)入主循環(huán)，不斷查詢ZigBee網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，這時候如果有數(shù)據(jù)發(fā)送，則接收并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機，同時會檢測串口是否接收完一幀數(shù)據(jù)，接收完畢后進(jìn)行相應(yīng)處理。

3.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊由兩部分構(gòu)成：第一部分是A/D轉(zhuǎn)換，每間隔5分鐘執(zhí)行一次溫度采樣操作，每次采樣執(zhí)行18次A/D轉(zhuǎn)換；在IRQ5_2Hz中斷服務(wù)程序中完成。第二部分是A/D處理，A/D處理又包括兩方面內(nèi)容，一是濾波處理，二是實際溫度轉(zhuǎn)換。由于存在電路噪聲、干擾以及隨機錯誤等，在采樣過程中，會產(chǎn)生采樣信號不能夠正確反映真實信號的現(xiàn)象，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的信號偏差。為了減小誤差，在實際采樣時，測量18個采樣點，然后再除去其中偏差較大的兩個點，即一個最大值和一個最小值，再對剩余的16個點取均值，這樣就可以得到比較接近實際值的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)理流程圖：

數(shù)據(jù)處理是整個系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，它的原理是先由專業(yè)的相關(guān)人員構(gòu)建出一個算法模型。當(dāng)用戶開始使用是，感應(yīng)器將數(shù)據(jù)測得后，通過用戶終端發(fā)到接收端處先進(jìn)行數(shù)據(jù)處理檢查整個過程是否正常，挑選出有效的數(shù)據(jù)再傳給算法進(jìn)行計算，得出參數(shù)值。在此期間，相關(guān)的專業(yè)人員要隨時跟蹤，及時發(fā)現(xiàn)問題保證數(shù)據(jù)的可靠。得出可靠的參數(shù)后再將參數(shù)回傳給感應(yīng)模塊。

情況分類表：

病人狀況正常輕微波動病情加重緊急狀態(tài)發(fā)出的數(shù)據(jù)00011011

系統(tǒng)的主要目的就是根據(jù)感應(yīng)器感應(yīng)到數(shù)據(jù)信息并按時發(fā)出警告，當(dāng)超出警戒閾值時則立即發(fā)出警告。而這個過程中需要一些參數(shù)，這些參數(shù)是可以劃分等級的，如觸發(fā)報警的閾值、超出正常的波動范圍不多、及在正常范圍內(nèi)。每個病人的閾值和參值將由先前五個傳來的病人數(shù)據(jù)決定。最初的閾值將由醫(yī)生來檢查，他對算法的基本可靠度負(fù)責(zé)。而之前的算法是專門負(fù)責(zé)這方面的人員提供的。這些算法將會用來檢查閾值有沒有超標(biāo)。然后每一個進(jìn)來的數(shù)據(jù)都用這些算法檢查出于什么狀況。而且測得的數(shù)據(jù)會自動每天發(fā)送，這些就會成為醫(yī)生的一個事件表中的一個事件。每個星期不管有沒有事情，都會收集病人情況。同時醫(yī)生們還可以將病人先進(jìn)行分類如普通病人、高危病人等。這樣在進(jìn)行監(jiān)護(hù)的時候會比較有針對性，提高效率。服務(wù)中心會將病人的數(shù)據(jù)存儲并進(jìn)行分析，為將來的醫(yī)療服務(wù)工作積累經(jīng)驗。

4 結(jié)論

即時保持接觸技術(shù)和貼身醫(yī)療服務(wù)的結(jié)合是充分考慮到一些特殊病人遭遇緊急情況而設(shè)計的,但本系統(tǒng)也有一些技術(shù)問題有待解決，例如，如何確定在收到什么樣的數(shù)據(jù)的情況下才發(fā)出警報，這一類閾值問題是需要醫(yī)生大量臨床研究確定的，而且一個標(biāo)準(zhǔn)并不能適用于每個人(個人的身體體征是不一樣的)。還有如終端傳感器抗干擾的性能，因為人體的信號是十分微弱的，如何分辨數(shù)據(jù)是否是有效數(shù)據(jù)是影響整套系統(tǒng)能否正常工作的重要標(biāo)準(zhǔn)。

即時保持接觸技術(shù)與貼身醫(yī)療服務(wù)的結(jié)合將會得到更多老人的使用，并通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)貼身醫(yī)療的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。居住在裝有智能芯片家中的老人將可以與不同的醫(yī)生進(jìn)行隨時聯(lián)系，得到他們的各種建議。應(yīng)用于AAL的IOT技術(shù)方面，一個廣泛被接受的標(biāo)準(zhǔn)將會在將來被指定。最終，更多更智能的器件將會應(yīng)用到其中，從而最終實現(xiàn)社會醫(yī)療及福利體系的巨大進(jìn)步。

[1]David Ley, Becta. “Ubiquitous Computing.” Emerging Technologies for Learning Volume 2,2007:64～79.

[2]Haller,Stephan,Stamatis Karnouskos,and Christoph Schroth. “The Internet of Things in an Enterprise Context.” Vienna: Springer (Berlin-Heidelberg),2008：14～28.

[3]Takács, Barnabás, and Dávid Hanák. “A Mobile System for Assisted Living with Ambient Facial Interfaces.” International Journal on Computer Science and Informations Systems,October 2007,(2):33～50.

[4]Pinsker,M.,et al. “Experiences Using Mobile Phones as Patient-terminal for Telemedical Home Care and Therapy Monitoring of Patients Suffering from Chronic Diseases.” 2008:1305～1312.

[5]唐潔媛.多媒體微處理器SPCE3200的應(yīng)用研究[J].電子元器件應(yīng)用, 2008,(6):5～9.

[6]吉誠.低速無線個域網(wǎng)能量有效性的研究[D].上海:上海交通大學(xué)學(xué)位論文,2007.