運用ZigBee RFID技術建置長期照護管理系統

運用 ZigBee RFID 技術建置長期照護管理系統

陳啟東、游志峰、陳志聰、潘其琛 林英豪

亞洲大學資訊工程學系 亞洲大學資訊科學與應用學系

chi9695@asia.edu.tw g94251004@ms1.asia.edu.tw

摘要 者的生活缺乏家人的照顧，必需依賴醫療

照護人員協助照顧。

隨著醫療科學的進步及人口高齡化 的影響，需要接受照護的人逐漸增加，長 期照護的問題愈來愈多且日益嚴重，長期 照護之需求，成為二十一世紀的一個主要 健康問題。

目前長期照護之醫療照護人員有 限，需要被長期照護的人口日漸增加，加 重了醫療照護人員的負擔，因此一位醫療 照護人員，須照護許多的病患，於是研究 思考出一個可以減少人力，又能提高醫療 照護效率及容易監控的系統。

因此迫切需要發展出一個可以減少 人力提高醫療照護效率及容易監控的系 統，為日益高齡化的社會，提供護理之 家、安養院與家庭在長期照護上更為便 利。

本文提出一個運用 ZigBee RFID 技術 之長期照護管理系統，藉由結合 ZigBee 與 RFID 之優點，克服 ZigBee 記憶體容量 太小與無辨識功能之缺點，解決 RFID 受 限於距離限制與無法擷取更多資訊之問 題，來進行辨識與監控被照護者的活動範 圍，感測與記錄生理訊號是否正常，並加 入數位監控系統與 GSM 傳訊系統，可即 時觀看患者影像，當生理訊號異常時，系 統自動出現警示與發出預先設定行動號 碼之簡訊。

本文使用ZigBee與無線射頻辨識 (RFID)技術建置一個具有自動辨識、數位 監控、門禁管制、人員追蹤與紀錄人員生 命跡象之管理系統。

關鍵詞：長期照護、無線感測網路、

ZigBee、無線射頻辨識

Keyword: Long-Term Care, Wireless Sensor Network, ZigBee, RFID

二、技術背景 一、緒論

2.1 無線感測網路

無線感測網路是由一群感測器節點 所組成，感測器節點密集的部署在區域 裡，它們能應用於監控或觀察。一個感測 網路基本架構如圖1。

由於科技及醫學之進步，人類壽命愈 來愈長，加上目前某些現代的年輕族群，

不想生育下一代，或是只有一胎化的情況 下，造成社會年齡層分佈不均，使得高齡

圖 1 感測網路基本架構[8]

圖 2 感測器硬體架構圖

感測器節點由 4 種不同的元件所組成 如圖 2，分別為感測單元、處理單元、電 力供應單元與傳輸單元[1]。

◎ 感測單元（Sensing Unit）

感測單元分為兩個部份：感測元件

（Sensor）和訊號轉換元件ADC

（Analog-to-Digital），感測單元負責去感 測四周環境資料，並將蒐集的資料用類比 訊號表示；訊號轉換元件ADC負責將感測 元件所感測的類比訊號經取樣，然後轉換 成數位訊號並將資料送到處理單元加以 處理。

◎ 處理單元（Processing Unit）

處理單元可以分成處理元件

（Processor）和儲存元件（Storage）這兩

部份，處理元件的功能就像電腦中的中央 處理器（CPU），負責執行使用者下載到 處理元件的程式碼，並且去分配和控制感 測器之間不同的元件；儲存元件的功能類 似硬碟等儲存裝置，主要是存儲經過A/D 轉換後的資料，以及儲存處理元件中需要 暫時保留的資料。

◎ 傳輸單元（Transceiver Unit）

傳輸單元是每個感測器間互相通訊 的橋樑，主要負責將處理單元需要的收發 資料透過介質傳送或接收。

◎ 電力供應單元（Power Unit）

電力供應單元負責供應感測器所需 要的電源的元件，若沒有電力供應單元，

則感測器就無法工作，所以電力供應單元 是很重要的。

2.2 ZigBee

ZigBee為無線感測網路所發展的技 術，是一種智慧型家庭區域網路，用來取 代市面上獨立遙控器而設計。當初發展 ZigBee是為了滿足支援低資料速率、高安 全性、低電力與低成本無線網路，為了解 決這些需求，ZigBee聯盟在IEEE

802.15.4，開發了標準化的應用軟體。

ZigBee將作為ZigBee設備的官方測試 和認證部門，且是唯一滿足絕大部份遠端 檢測、控制和感測器網路應用的標準技 術。

滿足ZigBee標準的產品，工作授權頻 段在全球有包括2.4GHz（全球）、902到 928MHz（美洲）和868MHz（歐洲）。在 2.7GHz（16個通道）可以達到250Kbps的 原始資料吞吐率，在915MHz（10個通道）

為40Kbps，868MHz（1個通道）為20Kbps。

傳輸距離為10公尺到75公尺，取決於輸出 功率和環境參數，表1 為ZigBee基本規格 [2]。

表 1 ZigBee 基本規格

頻段

全球的 2.4 GHz ISM 頻段、

歐洲的 868 MHz 頻段，以及 美國的 915 MHz 頻段

鏈結數

支援主從式或點對點方式運 作，同時最多可 255 個裝置 鏈結

接取方式

直列展頻技術DSSS 支援低延遲感應設備 內建載波偵聽多工存取碰撞 避免調節機制（CSMA-CA）

動態位址分配 網路架構 Star、Mesh、Hybrid

傳輸速率

2.4 GHz頻段最高250 Kbps 915MHz頻段最高40kbps 868MHz頻段最高20kbps 傳輸距離 30公尺（依耗電量之不同，

可提昇至100公尺）

可使用頻 道數

在2.4GHz的ISM頻段，可使 用的通道數為16個

在915MHz頻段的ISM，可使 用的通道數為10個

在歐洲的868MHz頻段，可使 用的通道數為1個

2.3 無線射頻辨識

RFID(Radio Frequency Identification) 是一種無線射頻辨識技術，由讀取器 (Reader)、感應器 (Transponder)與中介軟 體系統整合(Middleware & System

Integration)所組成的架構；動作原理是由 RFID 讀取器發射特定頻率之無線電波給 感應器，用以驅動感應器之電路將晶片 內部之資料傳回，RFID 讀取器便可以接 收到資料。

關於讀取器、感應器、中介軟體系統 的詳細說明，分別如下[3]：

◎ 讀取器

利用高頻電磁波傳遞能量與訊號，電 子標籤的辨識速率每秒可達50個以上。可 以利用有線或無線通訊方式，與應用系統 結合使用。

◎ 感應器

一般也可以稱為電子標籤 (tag)，是由 一 組 耦 合 元 件 與 一 個 電 子 晶 片組 合 而 成，其特點如表2 所示[4]。

表 2 RFID 感應器類型比較 被動式標籤

(passive)

主動式標籤 (active) 能量來源 透過電磁感

應獲取

本身配載電 池

有效範圍 3~5 公尺 可達 100 公 尺

儲存容量 通 常 小 於 128 bits

可 達 16K bits

訊號強度要

求 較高 較低

平均重量 約 0.5~5 克 約 50~200 克

平均價格 較 低 ， 約 0.5~10 美元

較 高 ， 約 20~70 美元 平均壽命 較長 2-4 年

◎ 中介軟體系統

這是一個介於使用者與RFID設備之 間的軟體系統設計，可以讓RFID設備端得 到的訊息，透過系統的運作，能夠有效的 收集、整理與回報，系統使用者能夠藉此 系統了解整個環境狀況，是一種使用者與 RFID設備端溝通的橋樑。

依 據 使 用 電 波 頻 率 頻 帶 範 圍 的 不 同，RFID設備大致可分為下列三類[5]：

(1) 30-300kHz 低 頻 （ low frequency ， LF）。

(2) 3-30MHz高頻（high frequency，HF）

RF radio frequency。

(3) 300MHz-3GHz 超 高 頻 （ ultra high frequency，UHF）或高於3GHz的微波。

各頻帶的優缺點如表 3 所示，其中，

135KHz 以下的頻帶是 RFID 發展最久以 及產品數量最多；13.56MHz 則運用在許 多不同的領域，此一頻帶的產品主要是以 管理物品為主；2.45GHz 與 UHF 頻帶的 產品特性大致相同，但 UHF 具有通信距 離較長的優點。

表 3 RFID 使用頻帶優缺點比較[6]

頻率 優點 缺點

低頻

(low frequency 125~ 134 KHz)

可 廣 泛 佈 署 、 金 屬 干擾低

可 讀 取 範 圍 小 ( 約 1.5 m 以 內)

高頻

(high frequency, 13.56 MHz)

可 廣 泛 佈 署 、 濕 氣 影響低

可 讀 取 範 圍 小 ( 約 1.5 m 以 內)，易受 金屬干擾

超高頻

(ultra high frequency,

UHF)

部 署 廣 泛 、 通 訊 範 圍 高 於 其他標準

易 受 溼 氣 影響、標籤 之 間 太 靠 近時，容易 產 生 頻 差

（ detuning

）

微波

(Microwave 2.45GHz)

高 讀 取 範 圍

普 及 化 速 度緩慢、缺 乏 統 一 規 格標準、實 作有難度 2.4 感測器

感測器是指以感應人體之生命跡象 做為基礎，然後經由電子元件檢測人體生 命跡象所表現出來之訊號，而認定這個電

子元件叫做感測器。利用這些電子元件，

再添加支援這些電子元件的元件或者設 備之後，就成為所謂的感測器或感測系統 [7]。

三、系統架構

運用ZigBee RFID 技術，設計長期照 護管理系統於護理之家、安養院與家庭之 使用，架構如圖3。

圖 3 長期照護管理系統架構 各元件功能說明如下：

ZigBee RFID 感應器：是一塊搭載有主動 式 RFID 晶片以及接收 IC 的晶片組，射頻 為 2.4GHz，射頻範圍最高可達 100 公尺，

可安裝在天花板作為固定感應器。

ZigBee RFID 感測器：包含生理訊號感測 器、主動式 RFID 晶片與接收 IC 的晶片 組，可佩戴於人員身上作為感測訊號及發 送訊號。本系統使用 2 種 ZigBee RFID 感 測器，分別為心跳感測器與血壓感測器。

ZigBee RFID Server：收集 ZigBee RFID 感測器之資料。

Database Server：儲存人員基本資料、環 境地圖資料與生理訊號。

攝影機：安裝在人員活動的區域，將畫面 訊號傳回數位監控系統。

數位監控系統：即時顯示攝影機所拍攝之 畫面，並儲存攝影機傳回之畫面訊號，可 調閱與查詢歷史畫面。

GSM 傳訊系統：當人員生理訊號異常時，

系統自動出現警示與發出預先設定行動 號碼之簡訊；或是人員使用無線緊急按 鈕，啟動傳訊系統送出簡訊。

SWITCH HUB：連結 ZigBee RFID Server、Database Server、數位監控系統、

GSM 傳訊系統與 Internet。

Internet：系統與 Internet 連接後，遠端查 詢可利用 PC 或是使用無線網路之筆記型 電腦、PDA 與 3G 手機等裝置，經由 Internet 連接長期照護管理系統。

LBMS：醫療照顧服務系統(Location Based Medicare Services) 。

當人員戴上 ZigBee RFID 感測器，感 測器便開始擷取人體的生理訊號。人員走 動在布建 ZigBee RFID 感應器的環境時，

感測器的接收 IC 會接收到由感應器的主 動式 RFID 晶片所發出的訊號，並透過感

測器中的主動式 RFID 晶片，將此訊號與 生理訊號發送回 ZigBee RFID Server，

ZigBee RFID Server 會依照訊號的強弱，

計算出人員與感應器之間的距離，利用資 料庫的環境地圖資料，將此資訊呈現為人 員的動態，若人員移動超出環境地圖範圍 時，系統立即出現警示。而生理訊號儲存 後，系統立即與預設之正常值比對是否異 常，若異常則立刻警示與發出簡訊通知醫 療照護人員或家屬。

數位監控系統包含攝影機、數位影像 監控卡與 PC，將攝影機拍攝之畫面訊號 傳回 PC 並儲存，以區域網路連接 ZigBee RFID Server 與 Database Server，經由系統 查詢可顯示人員所在位置之畫面。

長期照護管理系統與 Internet 連接 後，醫療照護人員或家屬可以藉由 PC 或 是使用無線網路之筆記型電腦、PDA 與 3G 手機等裝置，可遠端查詢人員的現狀，

包含心跳、血壓與人員所在區域之畫面。

系統功能模組如圖 4。

圖 4 系統功能模組圖

四、系統建置

ZigBee RFID 系統

◎ ZigBee RFID 感應器

採用源立電通 CA3 產品，搭載主動式 RFID 晶片以及接收 IC 的晶片組，射頻為 2.4GHz，射頻範圍最高可達 100 公尺，提 供 RS232/RS485 及 LAN 兩種傳輸介面(圖 5)。

圖 5 ZigBee RFID 感應器

◎ ZigBee RFID 感測器

心跳與血壓感測器為美國哈佛大學 CodeBlue 研發團隊所設計，其體積極小且 可穿戴(圖 6、圖 7)。

圖 6 心跳感測器

圖 7 血壓感測器

◎ ZigBee RFID Server

採用源立電通 CZ5 產品，該產品為低 功率並符合 IEEE802.15.4 的傳輸標準，

提供 Ethernet、WLAN、USB 及 RS232 對

Zigbee 等多種傳輸介面，使用頻率為 ISM band 2.4GHz，是目前工業無線網路主流 標準(圖 8)。

圖 8 ZigBee RFID Server 數位監控系統

◎ 攝影機

室內：艾凡特 IT-45IIR 高解析紅外線 室內型彩色攝影機(圖 9)。

圖 9 艾凡特 IT-45IIR

室外：艾凡特 IT-60OIR 高解析紅外 線室外型彩色攝影機(圖 10)。

圖 10 艾凡特 IT-60OIR

◎ PC 與數位影像監控卡

採用艾凡特 T-650/16 Cam DVR 數位 監控系統，可以接上 16 支攝影機，可利 用監控主機的螢幕或透過 TCP/IP 網路經 由遠端監看(圖 11)。

圖 11 艾凡特 T-650/16 Cam DVR GSM 傳訊系統

採用特邁通訊 G360 產品，內建 SIMCOM GSM 模組，附加無線緊急按 鈕，預防緊急狀況時可按鈕發出簡訊(圖 12)。

圖 12 特邁通訊 G360

本系統相關開發語言與軟體資訊如 表 4：

表 4 開發語言 Visual Basic.NET 作業系統 Windows XP

資料庫 Microsoft SQL 2005

硬體介面 源立電通 ZigBee RFID 模組 使用之作業系統為 Windows XP ，利 用 Microsoft SQL 2005 建立資料庫，並以 VB.NET 之應用程式做連結，再進行存 取、計算、比對與判斷。

ZigBee RFID 系統可即時讀取人員資 料與生理訊號，然後將資料儲存於資料庫 中，經由比對資料庫內之資料來判斷生理 訊號是否異常，依據訊號強弱計算出人員 所在位置，當判斷結果為異常與不在限制 範圍內時，系統則出現警示與發出簡訊通

知醫療照護人員或家屬，系統流程設計如 圖 13 所示。

圖 13 系統流程圖 五、系統畫面

長期照護管理系統之主要功能包含 人員辨識、感測生理訊號、可移動範圍與 畫面監控。

主畫面

由此進入與離開系統，主畫面如圖 14 所示。

圖 14 系統主畫面

基本資料查詢 生理訊號異常顯示 此畫面顯示人員基本資料、生理訊

號、所在位置與連絡人資料，可新增與刪 除，並利用姓名或統一編號做查詢，畫面 如圖 15 所示。

若心跳與血壓異常，則出現警示符號 與顯示訊息，畫面如圖 17、18 所示。

圖 15 資本資料查詢 圖 17 心跳異常 可移動範圍

人員可以移動的範圍，畫面如圖 16 所示。

圖 18 血壓異常 圖 16 可移動範圍

遠端數位監控畫面

六、結論 畫面包含登入系統、系統管理與攝影

機畫面，畫面如圖 19、20 所示。

此系統設計運用 ZigBee RFID 之技術 藉由克服 ZigBee 與 RFID 之缺點，進行辨 識被照護者與監控被照護者的活動範 圍，感測與記錄被照護者生理訊號，並判 斷是否正常，若生理訊號異常時，系統立 即出現警示，並經由 GSM 傳訊設備發出 簡訊通知醫療照護人員或家屬，以及利用 數位監控系統，可即時觀看患者影像。

圖 19 登入畫面

因此護理之家、安養中心與家庭藉由 本系統的使用，可減少人力、提高醫療照 護效率與減輕醫療照護人員及家屬的負 擔，得以在長期照護上更為便利。

未來若能在社區建置完整的長期照 護管理系統，並連接醫療照顧服務系統 (Location Based Medicare Services)，讓家 與社區成為養護中心或安養院，使高齡者 不需離開自己居住的地方，直接在家中接 受照護，享受家庭溫暖，即符合居家照護 的「就地安置」與「就地老化」之原則。

圖 20 系統管理與攝影機畫面

七、 參考文獻

[1] 吳健豪、尹華強、許獻聰，“感測網

路的技術與進展＂，通訊雜誌，第 116 期，2003.

[2] 許績偉，“新興短距離無線通訊技

術–ZigBee 與 UWB＂，零組件雜 誌，第 136 期，pp.107-116，2003.

[3] 刁建成，“RFID 原理與應用＂，台

灣，全華科技圖書股份有限公司，

2005.

[4] 陳宏宇，“RFID 系統入門-無線射頻

辨識系統＂，台灣，松崗電腦圖書有 限公司，2004.

[5] 蕭榮興、許育嘉，“無線射頻技術的 應用與發展趨勢＂，電子商務導航，

第六卷，第 13 期，2004.

[6] 邱瑩青，“RFID 實踐非接觸式智慧

晶片系統開發＂，台灣，學貫行銷股 份有限公司，2005.

[7] 曹永偉，“感測器技術入門＂，台

灣，全華科技圖書股份有限公司，

2001.

[8] Sensor Network - Basic Function &

Validation.doc