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Zigbee-based IPv6 居家照護網路之設計

A Zigbee-based IPv6 homecare system over IPv6

梁棨棠 亞洲大學電腦與通訊研究所 g93254002@ms1.asia.edu.tw

黃秀園 亞洲大學電腦與通訊研究所

syhuang@asia.edu.tw

摘要

本文研究與設計居家照護網路，本文利用

新一代網際網路協定（IPv6）以及短距離無線傳輸（WPAN）做結合，用以打造適合老人居家照護的智慧型環境。由於 IPv6 有高移動性、IP 位址多、高安全性以及容易擴充等優點，以 IPv6 作為居家照護網路的平台，達到隨時隨地即時掌握受照護者的情況。我們將以

心電圖為例，運用嵌入式系統實際開發無線生

理訊號量測裝置。本實驗所使用的傳輸技術為

IEEE802.15.4 Zigbee 技術，其優點在於低電量、低功率、傳輸距離長，相當適合應用在居

家照護的領域上，並且透過實驗，來驗證本構

想的可行性。

關鍵詞：IPv6、WPAN、心電圖、無線生理訊號量測裝置、IEEE802.15.4 Zigbee

Abstract

This paper presents an intelligent home-based healthcare networks based on the combinations of Internet Protocol Version 6 (IPv6) and Wireless Personal Area Networks (WPAN) for elderly people. This proposal comes from the fact that IPv6 provides ubiquitous health-monitoring due to its advantages of higher mobility, more IP address、and better personal privacy. We take electrocardiogram (ECG) as an example and develop an embedded system for wireless biomedical signal measurements. Transmission technologies involved in our development is IEEE802.15.4 Zigbee providing low power consumption and long transmission distance advantages that is particularly suitable for home healthcare application.

Keywords: IPv6, WPAN, ECG, wireless biomedical signal measurements, IEEE802.15.4 Zigbee.

1、緒論

世界各國出生率持續低迷，醫療進步的情

況下，人類平均壽命也得以延長。根據聯合國

定義，一個國家的老年人口佔總人口的 7%以上者，稱為「高齡化國家」。由下圖各國人口

比例圖的觀察，我們可以發現除了中國大陸及

韓國的老年人口比例較低之外，其他歐美各國

及日本的老年人口早已超過 10%。根據聯合國推計，至 2050 年各國老年人口比重，至少都會超過 23%，顯示 50 年後，各國平均每 3至 5 人即有 1 個是老年人口。

台灣從民國八十二年九月起，六十五歲以

上老年人口比率便達到總人口的 7%，正式邁入高齡化國家。根據經建會推估，預計 2050年我國老年人口將達 657 萬 9 千人，占總人口之 29.8％。在高齡化社會中，對於老年人口的照護是不容忽視的，如何打造適合老人的生活

環境以及完善的醫療服務是刻不容緩的[4]。

（圖 1：各國老年人口佔總人口比例圖）

高科技時代的來臨，讓我們可以將照護產

業與之結合，透過科技的力量去關懷更多的老

年人，豐富他們的生活，並積極參與社會。因

此，發展老人居家照護並結合網路通訊，進而

打造 e-healthcare 的居家照護環境是本論文的出發點。

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2、研究目的

將科技結合居家健康照護，對於台灣是未

來發展的重點之一，由於台灣社會結構漸漸走

向高齡化，因此如何利用科技去結合照護系

統，變成一項重要的課題。

本論文將整合無線通訊、網際網路、感測

器、嵌入式系統，使其融入及隱藏於受照護者

的環境之中，並且自動化的照護，對於個人的

保健以及老人的照護將有莫大的助益，亦可節

省國家的醫療照護支出。為避免受照護者之抗

拒[13,15]，本論文的特色就是在於，以不刻意在受照護者身上外加配備，而是在其起居的環

境中如牆壁、家具、浴室、臥房、冰箱、電視，

和受照護者的日常用品等…在重要卻不容易發現的地方加裝無線感測器，並將感測器微小

化，隨時偵測受照護者的生理資訊。

而這些感測節點將會結合 IPv6 的網路通訊功能，利用 IPv6 的定址功能、隨插即用、高安全性、以及高擴充性等優點，建構一個資

訊化健康照護展示環境（ E-health Show Room），來完整呈現 IPv6 應用在健康居家照護系統的優勢。由於 IPv6 具有相當高的可移動性（mobility），受照護者可利用此特性，在任何地方只要有網際網路，即可受到照護，相

當方便。對於 IPv6 用於 E-health 對於改善現今居家照護系統或是照護中心有著相當大的

幫助。

E 化的照護環境，可以基於個別化需求與人性化關懷，提供更便捷服務，便可以使家屬

能不受時空限制，能快速、方便、隱密的探望

親人的狀況並能與之交談，促進受照護者與家

屬親情維繫配合研發照護相關設施計畫，發展

視訊探望，讓家屬透過網路資訊探望，以解親

情相思之苦。健康情形也可以因為自動化的紀

錄，使得追蹤病情更加準確迅速。

3、居家照護網路系統建置

由於年輕人口外移，老年人口增加，為了

使單獨在家的老人，或是一般罹患慢性病的老

年人，能更方便在家進行照護，透過網路電

話，與在異鄉的親人聯繫情感，以及進行各種

生活行為的通知。因此，本論文主要是以 IPv6為網路基礎，打造居家照護智慧生活環境，在

老人的生活環境加裝感測節點，可以隨時偵測

各種生理資訊(如：心電圖、血壓、血氧濃度、腦波、體溫…等)，萬一發生緊急狀況可立即通知配合的醫療機構，做第一時間的處理

[6]。以下是完整架構圖：

（圖 2：居家照護智慧生活空間架構圖）

圖 2 所示為居家照護網路架構，分別敘述如下：

3.1、居家照護部份

（一）無線生理訊號量測裝置

在家中設置多重生理訊號感測裝置主機端（Host 端），透過放置在老人身上的無線傳輸設備來偵測其各項生理訊號（如：心電圖、

血壓、血氧濃度、腦波、體溫…），所擷取到的資訊，將會傳送至主機端（Host 端），由於本文設計理念是架構在 IPv6 之上，所以擁有IP 高移動性（mobility）的特色，因此，在老人平日所出入的活動中心架設資訊站，只要佩

戴用戶端（Slave 端）的感測裝置，亦可隨時測量。

（二）VoIP/Video 結合 IPv6 遠距照護裝置

IPv6 有較高的 Qos、位址節點多，是其最

大的優勢，將網路電話及視訊（VoIP/Video）

與 IPv6 做結合形成遠距照護裝置，透過網路

電話及視訊，與親人做面對面的溝通及對談，

達到聯絡情感的效果；若是身體有任何不適，

也可透過此裝置與照護中心及搭配的醫院做

求救或簡單的看診。

（三）睡眠照護裝置

為了讓受照護者有良好的睡眠品質，我們

還結合了生理訊號感測系統來偵測受照護者

的睡眠品質。我們將微小化的各種感測器安裝

在床邊，透過感測器與伺服器的連結，經由

IPv6 的傳送，使遠端使用者能及時查詢與監控，不僅提醒睡眠時間，更能觀察即時的生理

訊息，達到照護的目的。

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（圖 3：睡眠照護架構圖）

（四）用藥提醒紀錄裝置

許多的老人都有長期服藥的習慣，本裝置

利用 RFID 結合老人專用的藥櫃，並且核對老

人的身分及是否正確用藥，若延遲用藥或是使

用者錯誤，便會發出警訊提醒使用者，並且會

透過網路發送簡訊給預設的親人。

（圖 4：用藥提醒架構圖）

3.2、戶外定位部份

用無線傳輸的發射端與接收端來對人體

進行位置的追蹤，可以即時得知攜帶者的位置

來進行急救、搜尋、追蹤、照顧…等，增加其

存活率及減少尋找的時間。並配合居家安養之

無線定位，落實定位追蹤，方便親人為失智、

失能老人、患有慢性病或重大病患危險之老人

安裝此系統，來增加存活率及方便尋找，結合

無線 Wi-Fi 與 WiMax 來實現。

（圖 5：戶外定位追蹤架構圖）

4、無線生理訊號感測裝置之實作

4.1、IEEE802.15.4 Zigbee 簡介

目前 Zigbee 工作在三種不同的頻段，分別是 2.4GHz、915MHz 以及 868MHz，頻段較高的 2.4 GHz 是使用 QPSK 調變，915MHz 以及 868MHz 則是使用 BPSK 調變，前者是降低其工作週期，以減少消耗功率，後者則是因為

處於低頻的頻段，故無線傳播之損失較低，使

其傳輸距離變長。在媒體存取控制（Media Access Control；MAC）層方面，主要是沿用WLAN 中 802.11 系列標準的 CSMA/CA 方式，以免發生碰撞。網路層部份可支援 Star、Cluster Tree 與 Mesh 三種網路架構，使其連接功能更加完整。[11]

在 節 點 方 面 ， 可 分 為 全 功 能 設 備

（Full-Function Device；FFD）與精簡功能設備（Reduced-Function Device；RFD），RFD之電路較為簡單且記憶體較小，FFD 之節點具備控制器（Controller）之功能提供資料交換，RFD 則是只能傳送資料給予 FFD 或是從FFD 接收資料。一個 Zigbee 的網路中，最高可連接 254 個 slave 裝置，透過 Network Coordinator 則可達到 65,536 個網路節點。[12]

4.2、研究方法

在無線生理量測裝置中，我們以心電訊號

作為信號傳輸的例子。為了使訊號更準確、更

具參考價值，因此，我們利用心電圖放大器組

來擷取心電訊號，經過放大器所產生後的訊號

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還是有些許的雜訊，而且訊號還是類比訊號。

要將心電訊號以無線的方式傳送，必須轉換為

數位訊號。在系統中我們採用 PIC18F462 的單晶片作為訊號轉換的核心，因為 PIC18F462不但有一般單晶片 A/D 或 D/A 的轉換功能，在配合 Zigbee 有個重要的優點，那就是省電。一般來說 PIC18F462 在操作於 3V 工作電壓下，最低消耗小於 20 微安培（μA）。這對於標榜省電的 Zigbee 來說，是最佳的組合。[2]

（圖 6：研究方法流程圖）

4.3、預期成果

當訊號經過 PIC18F462 單晶片的處理後，便能傳送到 Zigbee 進行傳輸。圖是以人體做實驗，模擬在受測者靜止或是行動時的不

同受測訊號。我們可以發現，在受測者靜止不

動時訊號一切正常，並無明顯雜訊，但在行動

時，受測者的雜訊會明顯增多，但還是在可以

清楚觀測訊號的範圍內。

由於單晶片能夠處理的通道不只一個，在

這種構想下，未來可以在訊號上做更多的擷

取，例如：心電圖、血壓、血氧濃度、腦波、

體溫…等等，也因為目前 IC 製程奈米化，許多元件都能製作的非常小，更有助於未來感測

器的可攜性。[5]

（圖 7：受照護者靜止時的心電訊號）

（圖 8：受照護者行動時的心電訊號）

5、結論與展望

透過這些科技與網路的技術來結合居家

照護，我們希望可以完成以下幾項具優勢的成

果：

（一）以 IPv6 發展居家照護環境，可以基於個別化需求與人性化關懷，提供更便捷服務，

便可以使家屬能不受時空限制，能快速、方

便、隱密的探望親人的狀況並能與之交談，促

進住民與家屬親情維繫配合研發照護相關設

施計畫，發展視訊探望，讓家屬透過網路資訊

探望，以解親情相思之苦。健康情形也可以因

為自動化的紀錄，使得追蹤病情更加準確迅

速。

（二）有效得知受照護者的生理訊息，對於遠

端照護的醫師可以做即時的判斷，也可以讓親

人多一份安心。

（三）以 IPv6 為網路基礎，應用在居家照護中，可以有節點數目多、高移動性、安全性高，

以及 IP 位址固定等優點。當 IP 位址固定，就可以從遠端做連線，甚至未來也可以加入遠端

控制。

（四）Zigbee 在短距離傳輸技術中，以省電聞名，安置在居家照護中可以節省電池的使用

量，較不會對環境造成污染。透過 Zigbee 的無線化，可免除受照護者對線材的牽絆，有利

於無感照護環境的建置。

因此，希望本篇的發表有助於國內推動

IPv6 的發展，在居家照護中也能盡一份心力，同時也希望對此有相關研究的人，能夠有些許

的貢獻。

6、致謝

感謝黃秀園教授及陳永進教授的指導，還

有電通所 3635 高速網路實驗室的同窗及學弟給我的寶貴意見，在此致上十二萬分的謝意。

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7、參考文獻

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