楊 剛，馮鵬博，史玉希，王 超

(西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710121)

目前，老人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)大多是采用無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)的方式進(jìn)行體征監(jiān)測(cè)。無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)是一種以人體為中心，由布置在人體體表、體內(nèi)及周?chē)鷧^(qū)域的微型傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器等設(shè)備通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接而構(gòu)成的新型應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)[1]。由于無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議始終沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而使得老人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的形式也變得豐富多樣[2]。

溫川雪等人[3]設(shè)計(jì)的基于智能手機(jī)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，其中采集終端集成了多種傳感器模塊和藍(lán)牙模塊，可以將多種生理參數(shù)通過(guò)藍(lán)牙上傳至手機(jī)端，從而進(jìn)行分析處理。楊三偉等人[4]設(shè)計(jì)的基于A(yíng)ndroid平臺(tái)的健康信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集終端集成了溫度、脈搏、心電、加速度傳感器，信息通過(guò)藍(lán)牙、音頻模塊傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)終端，從而進(jìn)行可視化處理。上述兩種系統(tǒng)采用藍(lán)牙通信方式，采集終端集成了多個(gè)傳感器，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)體積過(guò)大，功耗增加，同時(shí)不方便攜帶。李建輝等人[5]設(shè)計(jì)的生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，感知層各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)間采用ZigBee協(xié)議進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)人體心電、血壓和體溫等生理數(shù)據(jù)的采集。劉超等人[6]設(shè)計(jì)的穿戴式智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，感知層也采用ZigBee協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、血壓及心率的監(jiān)測(cè)。上述兩種系統(tǒng)采用Zigbee協(xié)議將傳感器節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，一定程度上縮小了節(jié)點(diǎn)體積，提高了系統(tǒng)的靈活性。但是，由于Zigbee協(xié)議棧的復(fù)雜性，節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)協(xié)議棧開(kāi)銷(xiāo)隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)功耗增大。另外，Zigbee設(shè)計(jì)之初主要是面向如樓宇自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化等需要大范圍傳感器網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)域，然而近年來(lái)也被應(yīng)用于健康監(jiān)護(hù)領(lǐng)域。這類(lèi)系統(tǒng)中Zigbee終端節(jié)點(diǎn)由于電池使用壽命較短，在低功耗模式下電池使用壽命大約是143 h，將其應(yīng)用于人體環(huán)境并不合適，尤其是對(duì)于老人來(lái)說(shuō)，頻繁更換電池顯然十分不方便。同時(shí)，Zigbee組網(wǎng)成本也較高，不適合應(yīng)用于人體小范圍監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

因此，本文提出了一種采用簡(jiǎn)單高效的超低功耗ANT無(wú)線(xiàn)協(xié)議搭建無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)的方法，并且在A(yíng)ndroid Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)了一款用于生理信息監(jiān)測(cè)的手機(jī)APP，同時(shí)基于騰訊云服務(wù)器和VUE前端開(kāi)發(fā)框架設(shè)計(jì)完成了一套老人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ANT無(wú)線(xiàn)協(xié)議組建無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)，不僅可以有效降低系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的功耗，提高電池的使用壽命，而且可以靈活地增減網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，提升網(wǎng)絡(luò)的靈活性，非常適合應(yīng)用于人體小范圍監(jiān)測(cè)。

1 ANT協(xié)議

ANT協(xié)議工作在2.4GHz頻段上，其OSI模型如圖1所示，主要包括用戶(hù)自己定義的應(yīng)用層部分和ANT協(xié)議棧封裝的部分，這兩部分之間通過(guò)串行接口進(jìn)行消息傳遞。相對(duì)于Zigbee協(xié)議來(lái)說(shuō)，ANT協(xié)議棧顯得更加簡(jiǎn)單高效。

ANT協(xié)議棧內(nèi)部完整封裝了網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。用戶(hù)無(wú)需自己設(shè)計(jì)底層結(jié)構(gòu)，只需要在應(yīng)用層上編寫(xiě)接口程序就可實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。這種消息分層傳遞的方式，使得節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)僅需要2 KB的外部處理器資源，可以極大地降低系統(tǒng)功耗和成本。另外，ANT協(xié)議可靠性高，采用跳頻通信技術(shù)避免其他2.4 GHz無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備的干擾，使用基于時(shí)分多址的自適應(yīng)信道接入技術(shù)，保證信道內(nèi)無(wú)線(xiàn)通信的可靠性[7]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

老人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示，可分為三個(gè)部分:感知層網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)端和服務(wù)器端。

感知層網(wǎng)絡(luò)由腳踝處兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和腰部中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)ANT協(xié)議組建而成，主要實(shí)現(xiàn)血氧、心率、加速度等參數(shù)的采集與上傳。中心節(jié)點(diǎn)與手機(jī)端通過(guò)藍(lán)牙5.0進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

手機(jī)端可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及位置查詢(xún)。

服務(wù)器端可以實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)信息管理、用戶(hù)狀態(tài)信息查詢(xún)、位置信息查詢(xún)及異常情況預(yù)警。當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，服務(wù)器會(huì)向監(jiān)護(hù)人手機(jī)和后臺(tái)網(wǎng)頁(yè)端發(fā)送通知，告知用戶(hù)的位置，以便及時(shí)進(jìn)行救助。

2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)由主控模塊、射頻模塊、傳感器模塊和電源模塊組成，如圖3所示?？紤]到體積要求，節(jié)點(diǎn)部分選擇已經(jīng)集成了射頻模塊的系統(tǒng)級(jí)芯片作為主控，一方面可以使節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)得更小，另一方面使網(wǎng)絡(luò)配置變得簡(jiǎn)單，便于管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

主控芯片采用Nordic公司推出的新款超低功耗系統(tǒng)級(jí)芯片的nRF52832[8]，內(nèi)嵌32位ARM Cortex-M4F CPU，具有512 kBFlash及64 kB RAM，同時(shí)片上集成了2.4 GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，支持藍(lán)牙低功耗(BLE)，ANT和2.4 GHz私有協(xié)議棧。運(yùn)動(dòng)傳感器選擇MPU6050來(lái)獲取三軸加速度和三軸角度值。它集成了3軸加速度傳感器和3軸陀螺儀，并自帶內(nèi)置濾波算法的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP，可輸出六個(gè)關(guān)鍵參數(shù):繞X、Y、Z軸的角速度分量和加速度分量[9]。節(jié)點(diǎn)部分采用紐扣電池進(jìn)行供電。主控芯片、運(yùn)動(dòng)傳感器外圍電路和電源電路分別如圖4~圖6所示。

圖5 MPU6050外圍電路

圖6 電源電路

MPU6050的INT、SCL和SDA引腳分別與nRF52832的26，25，27引腳相連。

中心節(jié)點(diǎn)新增血氧傳感器來(lái)采集人體心率、血氧，結(jié)構(gòu)如圖7所示。它可實(shí)現(xiàn)以下功能:①采集運(yùn)動(dòng)、心率和血氧數(shù)據(jù)；②配對(duì)腳踝處的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)，建立ANT網(wǎng)絡(luò)；③ANT協(xié)議與藍(lán)牙協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)端。

圖7 中心節(jié)點(diǎn)

血氧傳感器選擇美信公司生產(chǎn)的一種高靈敏度的血氧傳感器MAX30102[10]，內(nèi)部含有紅光LED和紅外光LED、光電檢測(cè)器，可緊貼在手指、手腕和耳垂等處皮膚進(jìn)行測(cè)量，被廣泛應(yīng)用在可穿戴領(lǐng)域。模塊采用1.8 V電源和3.3 V電源用于內(nèi)部LED的供電，采用標(biāo)準(zhǔn)I2C通信接口與主控通信。血氧傳感器外圍電路如圖8所示，Max30102的INT、SCL和SDA引腳分別與nRF52832的引腳6、7、8相連。

圖8 Max30102外圍電路

2.3 通道配置

ANT協(xié)議的使用是基于節(jié)點(diǎn)和通道的，節(jié)點(diǎn)是ANT網(wǎng)絡(luò)的基本單元，通道是ANT網(wǎng)絡(luò)中最基本、最直接的信息交換的渠道。

系統(tǒng)包含兩個(gè)ANT通道，分別是兩個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸通道。節(jié)點(diǎn)間選擇雙向通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)類(lèi)型選擇應(yīng)答數(shù)據(jù)類(lèi)型。中心節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的通道配置參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 中心節(jié)點(diǎn)配置

表2 傳感器節(jié)點(diǎn)配置

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為4個(gè)部分:數(shù)據(jù)采集、節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、手機(jī)端功能設(shè)計(jì)和服務(wù)端功能設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)據(jù)采集原理

①運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

人體簡(jiǎn)化模型如圖9所示，設(shè)ax、ay、az為三軸加速度值，則合加速度幅值S可通過(guò)式(1)求得，

圖9 人體簡(jiǎn)化模型

S用來(lái)描述人體的運(yùn)動(dòng)變化，人體跌倒時(shí)，各方向上的加速度矢量發(fā)生變化，通過(guò)預(yù)先設(shè)定合適的合加速度閾值(設(shè)為0.5 gn)，當(dāng)合加速度值超過(guò)閾值時(shí)，即可判定是否發(fā)生跌倒。

描述人體狀態(tài)的另一個(gè)特征就是傾角，直立狀態(tài)時(shí)，軀干與重心方向的傾角小于60°，處于水平狀態(tài)時(shí)，傾角接近90°。在跌倒時(shí)，軀干從直立狀態(tài)變?yōu)榻咏降臓顟B(tài)。通過(guò)對(duì)加速度和角速度的雙重判定，可以提高判斷的正確率。

②心率、血氧采集

MAX30102血氧、心率生物傳感器的采樣頻率設(shè)置為100 Hz，采樣精度設(shè)置為18 bit原始數(shù)據(jù)。根據(jù)k個(gè)周期內(nèi)紅外光光源的反射光信號(hào)各個(gè)相鄰波峰之間的平均采樣數(shù)計(jì)算出心率。計(jì)算公式如下[11]:

peaki(i＝1，2，…，k)表示k個(gè)周期的峰值橫坐標(biāo)，peak_interval表示在k個(gè)周期內(nèi)相鄰兩波峰間的平均值，fs表示采樣頻率。

根據(jù)朗伯-比爾定律計(jì)算血氧飽和度，需要從PPG信號(hào)中準(zhǔn)確定位極值點(diǎn)，從而計(jì)算上下包絡(luò)線(xiàn)，準(zhǔn)確提取出交流分量和直流分量。已知具體的血氧飽和度計(jì)算公式如下[12]。

A，B為待定系數(shù)，γ1，γ2是波長(zhǎng)為660 nm和812 nm的紅外及近紅外光的波長(zhǎng)，IAC和IDC分別代表PPG信號(hào)中交流和直流分量。

3.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖10所示。傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)上電后，首先對(duì)各個(gè)外設(shè)模塊進(jìn)行初始化，完成后配置ANT通道參數(shù)并打開(kāi)通道。然后利用運(yùn)動(dòng)傳感器采集三軸加速度和三軸角速度數(shù)據(jù)，設(shè)置定時(shí)時(shí)間更新數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到ANT消息或事件時(shí)，MCU會(huì)進(jìn)行相應(yīng)處理，否則暫時(shí)進(jìn)入空閑狀態(tài)，在定時(shí)休眠結(jié)束后喚醒MCU。

圖10 傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖

中心節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖11所示，系統(tǒng)上電后，首先對(duì)各個(gè)外設(shè)模塊進(jìn)行初始化，完成后依次配置并打開(kāi)兩個(gè)ANT通道，進(jìn)入搜索狀態(tài)。當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)建立通道后，將接收到運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)與自身采集的運(yùn)動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。最后將處理后的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、血氧和心率數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送至手機(jī)端進(jìn)行顯示。

圖11 中心節(jié)點(diǎn)流程圖

3.2 手機(jī)軟件功能設(shè)計(jì)

采用Android操作系統(tǒng)作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，應(yīng)用軟件在A(yíng)ndroid Studio集成軟件開(kāi)發(fā)工具中進(jìn)行編程設(shè)計(jì)[13]。手機(jī)端包括登錄注冊(cè)模塊、血氧心率模塊、跌倒檢測(cè)模塊和定位模塊，可以實(shí)現(xiàn)生理數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示及歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、位置信息查詢(xún)。手機(jī)與中心節(jié)點(diǎn)間通過(guò)藍(lán)牙5.0進(jìn)行通信。

3.3 服務(wù)端功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于騰訊云服務(wù)器搭建后臺(tái)應(yīng)用，采用瀏覽器/服務(wù)器模式(Bowser/Server，B/S)架構(gòu)[14]，接收手機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的狀態(tài)信息，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，允許用戶(hù)遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)歷史數(shù)據(jù)。后臺(tái)主要包括登錄注冊(cè)模塊、用戶(hù)信息管理模塊、設(shè)備管理模塊、狀態(tài)顯示及報(bào)警模塊。當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，服務(wù)器會(huì)用短信的方式將用戶(hù)的位置信息發(fā)送至監(jiān)護(hù)人手機(jī)端，以便及時(shí)進(jìn)行救助。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試

①實(shí)際佩戴效果示意

終端的實(shí)際佩戴效果如圖12所示，使用繃帶將兩個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)固定在腳踝處，將中心節(jié)點(diǎn)固定到腰間。腳踝處的運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)如圖13所示，負(fù)責(zé)采集人體的加速度和角速度數(shù)據(jù)，并通過(guò)ANT協(xié)議發(fā)送至中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)如圖14所示，負(fù)責(zé)接收運(yùn)動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)，并且可以實(shí)現(xiàn)血氧、心率的測(cè)量，通過(guò)將手指放在血氧傳感器模塊上采集脈搏波，然后利用公式得出血氧心率值。

圖12 實(shí)物佩戴示意圖

圖13 運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)

圖14 中心節(jié)點(diǎn)

②功耗測(cè)試

利用nRF Connect Power Profiler功率分析應(yīng)用程序測(cè)量設(shè)備在廣播和數(shù)據(jù)傳輸期間的電流消耗，具體步驟如下:(a)打開(kāi)nRF Connect Power Profiler軟件。(b)通過(guò)SEGGER J-Link調(diào)試器連接好設(shè)備，設(shè)置采樣周期和采樣時(shí)間。(c)點(diǎn)擊開(kāi)始，設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)如圖15所示，時(shí)間間隔為7 s時(shí)，其測(cè)量電流最大值為13.95 mA，平均電流約為880μA。

相關(guān)文獻(xiàn)表明，Zigbee節(jié)點(diǎn)工作時(shí)的最大電流為32 mA，平均工作電流約為1.82 mA[15]，這與ANT節(jié)點(diǎn)的最大工作電流和平均工作電流相比明顯更大。因此選擇ANT協(xié)議搭建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以極大降低節(jié)點(diǎn)的能耗，提高節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

4.2 ANT通道測(cè)試

驗(yàn)證ANT網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能，通過(guò)ANTwareII工具查看數(shù)據(jù)。配置好通道參數(shù)，分別打開(kāi)通道0和通道1。如圖16、圖17所示，通道0和通道1分別用來(lái)傳輸傳感器節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中最后一個(gè)字節(jié)表示傳輸?shù)募铀俣葦?shù)據(jù)。

圖16 通道0數(shù)據(jù)

圖17 通道1數(shù)據(jù)

4.3 手機(jī)端功能測(cè)試

手機(jī)軟件包含注冊(cè)登錄、藍(lán)牙搜索配對(duì)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和位置信息查詢(xún)等功能，其中主要的功能界面如下所示。

狀態(tài)信息界面如圖18所示，包括系統(tǒng)時(shí)間、血氧、心率及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。當(dāng)發(fā)生跌倒時(shí)，會(huì)顯示用戶(hù)位置信息，如圖19所示，并且會(huì)發(fā)送短信通知監(jiān)護(hù)人前往指定地點(diǎn)進(jìn)行救助，短信通知界面如圖20所示。手機(jī)端也可以查詢(xún)用戶(hù)歷史狀態(tài)信息，圖21為用戶(hù)血氧歷史數(shù)據(jù)。

圖18 狀態(tài)信息

圖19 位置信息

圖20 短信通知

圖21 血氧歷史數(shù)據(jù)

4.4 服務(wù)端功能測(cè)試

老人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)端主要包括用戶(hù)信息管理、用戶(hù)狀態(tài)信息管理和位置信息管理及預(yù)警等功能，其中主要功能界面如下所示。

用戶(hù)信息管理界面如圖22所示，管理員可以查看用戶(hù)的賬號(hào)信息并可對(duì)其基本信息和綁定手機(jī)號(hào)進(jìn)行修改。

圖22 用戶(hù)信息管理

用戶(hù)狀態(tài)信息界面如圖23所示，其中包含用戶(hù)設(shè)備信息(終端Mac地址)和生理狀態(tài)信息(主要有心率血氧、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置信息)。當(dāng)用戶(hù)出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)彈出預(yù)警信息，顯示出用戶(hù)的位置信息，并向其監(jiān)護(hù)人手機(jī)發(fā)送短信通知，如圖所示。

圖23 狀態(tài)信息管理

系統(tǒng)的位置信息管理界面如圖24所示，顯示了在線(xiàn)狀態(tài)用戶(hù)的位置信息，管理員可以點(diǎn)擊相應(yīng)的菜單查看不同用戶(hù)的位置信息。

圖24 位置信息管理

4.5 系統(tǒng)可靠性測(cè)試

①跌倒檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

邀請(qǐng)3名志愿者完成常見(jiàn)的日常活動(dòng)(站立、步行、慢跑、俯身、上樓和下樓)和跌倒姿勢(shì)(向前跌倒、向后跌倒、向左跌倒、向右跌倒)，每種動(dòng)作共進(jìn)行30次實(shí)驗(yàn)。首先，將節(jié)點(diǎn)布置在測(cè)試者身上，打開(kāi)終端設(shè)備，等待設(shè)備初始化連接，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)與手機(jī)端建立連接后，開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 跌倒檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出，站立、步行和發(fā)生跌倒時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確率為100%，當(dāng)處于慢跑、俯身、上樓、下樓等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確率略顯不足，基本在80%至86%之間。結(jié)果表明，系統(tǒng)可以區(qū)分日常行為和跌倒，基本能達(dá)到預(yù)期效果，可實(shí)現(xiàn)發(fā)生跌倒時(shí)的及時(shí)預(yù)警，因此，將其應(yīng)用于實(shí)際是十分有效、可行的。

②血氧、心率對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，將設(shè)計(jì)好的節(jié)點(diǎn)與市面上成熟的華為手環(huán)6進(jìn)行對(duì)比，手環(huán)型號(hào)為FRA-B29，檢測(cè)對(duì)象為同課題組的同學(xué)，測(cè)試在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行，手環(huán)佩戴位置選擇測(cè)試者左手手腕處，本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)測(cè)試位置選擇左手食指，取5次測(cè)量的平均值作為結(jié)果，手環(huán)測(cè)量值作為標(biāo)準(zhǔn)值，本系統(tǒng)測(cè)值作為測(cè)量值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如表4和表5所示。

表4 血氧對(duì)比結(jié)果

表5 心率對(duì)比結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)與手環(huán)的血氧測(cè)量誤差約在2%以?xún)?nèi)，心率測(cè)量誤差約在4次/分以?xún)?nèi)，血氧相對(duì)誤差在2%以?xún)?nèi)，心率相對(duì)誤差在4%以?xún)?nèi)。因此，利用本系統(tǒng)測(cè)量人體血氧和心率的結(jié)果是有效的，具有一定準(zhǔn)確性和參考意義。

③系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間

取一個(gè)完整的測(cè)試過(guò)程，分別讀取和估算各個(gè)環(huán)節(jié)的系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，具體結(jié)果如表6所示。

表6 系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用WBAN架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種基于超低功耗無(wú)線(xiàn)ANT協(xié)議的老人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)利用ANT協(xié)議搭建了感知層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)血氧、心率和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集和處理。同時(shí)，基于A(yíng)ndroid Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了一款A(yù)ndroid手機(jī)應(yīng)用軟件，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)生理數(shù)據(jù)與短期歷史記錄查詢(xún)、位置信息查詢(xún)等功能。另外，系統(tǒng)基于騰訊云服務(wù)器和VUE前端開(kāi)發(fā)框架搭建了后臺(tái)網(wǎng)頁(yè)端應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)用戶(hù)位置信息查詢(xún)、用戶(hù)狀態(tài)信息管理和異常狀態(tài)下預(yù)警等功能。最后，通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性、系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的低功耗特性以及系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間。結(jié)果表明，利用ANT協(xié)議組建無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)可以有效降低節(jié)點(diǎn)功耗，提高網(wǎng)絡(luò)靈活性，適合應(yīng)用于人體體征監(jiān)測(cè)。