基于ZigBee可穿戴傳感器的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng) - 全文

　　為了實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備的微型化、醫(yī)療監(jiān)護(hù)的無線化，設(shè)計(jì)基于ZigBee 可穿戴傳感器的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，它能夠擴(kuò)大病人的活動(dòng)空間，減輕監(jiān)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，降低醫(yī)療費(fèi)用。系統(tǒng)采用病區(qū)/監(jiān)護(hù)中心兩層結(jié)構(gòu)，利用可穿戴傳感器采集病人體溫、脈搏等生理參數(shù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后送至無線通信模塊，最后由ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)護(hù)中心。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)獲得了病人生理參數(shù)，并與傳統(tǒng)測量結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，很好地實(shí)現(xiàn)了病人生理參數(shù)的采集、傳輸和顯示，符合設(shè)計(jì)要求。

　　0 引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)也取得了很大的進(jìn)步，但目前醫(yī)院的大部分醫(yī)療設(shè)備仍是基于傳統(tǒng)的有線方式，接線繁雜、體積笨重，設(shè)備不便于移動(dòng)，也不利于遠(yuǎn)程操作。同時(shí)，眾多附于病人身體的設(shè)備探頭，會(huì)造成病人的緊張情緒和心理負(fù)擔(dān)，使得檢測結(jié)果與真實(shí)情況存在一定偏差，影響病情的準(zhǔn)確診斷。針對目前大部分醫(yī)療設(shè)備接線繁雜、功能單一的問題，本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee 技術(shù)的可穿戴傳感器監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可穿戴傳感器采集病人生理參數(shù)后，由ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)護(hù)中心，供工作人員進(jìn)行進(jìn)一步分析。

　　1 ZigBee 簡介

　　ZigBee 是一種無線通信技術(shù)，其協(xié)議基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議的結(jié)構(gòu)從下到上分別為物理層（ PHY） 、媒體訪問控制層（ MAC） 、傳輸層（ TL） 、網(wǎng)絡(luò)層（ NWK） 和應(yīng)用層（ APL） 。目前，比較成熟的短距離無線通信技術(shù)，包括紅外（ IrDA） 、藍(lán)牙（ Bluetooth） 、Wi-Fi 等，都有自己的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。但針對醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域，ZigBee 有著無可代替性，其最大優(yōu)勢在于組網(wǎng)方便，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，且網(wǎng)絡(luò)規(guī)模極大，完全能夠滿足對若干病人進(jìn)行監(jiān)護(hù)和管理的要求。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用病區(qū)/監(jiān)護(hù)中心兩層結(jié)構(gòu)，分布在病區(qū)的可穿戴傳感器利用敏感元件采集病人生理參數(shù)，通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器將接收的數(shù)據(jù)傳輸至與之相連的上位機(jī)，系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

　　圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件主要由無線傳感器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和上位機(jī)三個(gè)部分組成。無線傳感器負(fù)責(zé)采集病人生理參數(shù)和數(shù)據(jù)發(fā)送； 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收以及與上位機(jī)通信； 上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示。

　　3.1 無線傳感器

　　如圖2 所示，無線傳感器主要包括敏感元件、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和電源模塊。敏感元件負(fù)責(zé)采集病人生理參數(shù)； 數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對采集信號進(jìn)行預(yù)處理，以符合單片機(jī)對輸入信號的要求； 無線通信模塊由51 單片機(jī)和射頻芯片組成，負(fù)責(zé)整個(gè)傳感器的任務(wù)分配與調(diào)度、數(shù)據(jù)整合與傳輸?shù)取?/p>

　　圖2 無線傳感器結(jié)構(gòu)圖

　　3.1.1敏感元件與數(shù)據(jù)處理模塊

　　本系統(tǒng)集成了多種醫(yī)療監(jiān)護(hù)傳感器，可以測量體溫、脈搏、血氧、血壓等生理參數(shù)。限于篇幅，本文以脈搏為例，闡述整個(gè)系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方法。脈搏測量的基本原理是： 人體組織（ 手指） 的半透明度會(huì)隨著心臟的搏動(dòng)而發(fā)生周期性的改變。當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減小； 當(dāng)血液回流回心臟，組織的半透明度增大。因此，本系統(tǒng)的脈搏采集模塊用紅外發(fā)射二極管產(chǎn)生的紅外線照射到手指，然后用另一側(cè)的接收三極管來捕捉通過手指的光信號強(qiáng)度，接收管的反向電流與發(fā)射管的光照強(qiáng)度成線性關(guān)系，這樣可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號（ 電流） 。

　　信號采集使用的敏感元件是紅外發(fā)射二極管IR928－6C 和與之配對的光敏三極管PT928－6C，具有低工作電壓、高穩(wěn)定性、高可靠性等特點(diǎn)。如圖3 所示，通過電阻R16 將流過二極管的電流控制在20 mA左右，根據(jù)接收的光信號強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電流（ mA 級） ，通過負(fù)載電阻R17 轉(zhuǎn)換成電壓，人體脈搏大概是50 ～200 次/min，對應(yīng)的頻率約為0.83 ～ 3.34 Hz，屬于低頻信號，電路中采用R17 和C14 來完成濾除高頻干擾的任務(wù)。

　　圖3 信號采集電路

　　由于人體電信號具有阻抗高、信號弱、頻率低等特點(diǎn)且處于嚴(yán)重的背景噪聲之中，因此需要對采集轉(zhuǎn)化的電信號進(jìn)行預(yù)處理，這既為了保證信號最大程度的保真性，也方便后續(xù)進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

　　如圖4 所示，數(shù)據(jù)處理電路包括信號濾波放大和整形兩個(gè)環(huán)節(jié)。

　　圖4 數(shù)據(jù)處理電路

　　濾波放大環(huán)節(jié)中，首先使用C15、C16 背靠背串聯(lián)組成的雙極性耦合電容構(gòu)成一個(gè)簡單的光電隔離電路，實(shí)現(xiàn)對于外部干擾光線的隔離并設(shè)計(jì)了由LM324A、R18、C17 組成的低通濾波器，截止頻率約為，可進(jìn)一步去除高頻干擾信號。由于采集轉(zhuǎn)化的脈搏電信號（ 電壓） 比較小，一般在mV 級，通過R18 和R23 構(gòu)成的放大器把采集的脈搏信號放大200 倍左右，已達(dá)到V 級。

　　整形環(huán)節(jié)中，信號通過比較器LM324B 將正弦波轉(zhuǎn)換成方波，利用R30 電位器可以實(shí)現(xiàn)將比較器的閾值調(diào)定在系統(tǒng)工作電壓范圍內(nèi)。接下來，從LM324B 的引腳輸出的方波信號經(jīng)C19、R25 構(gòu)成的微分電路處理成為正負(fù)相間的尖脈沖。LM324D 提供參考電壓，再經(jīng)過LM324C 之后就變成系統(tǒng)所需的標(biāo)準(zhǔn)脈搏脈沖信號了。最后將脈沖信號送到無線通信模塊。

　　3.1.2 無線通信模塊

　　無線傳輸模塊采用TI 公司的高集成度的片上系統(tǒng)（ System on chip，SOC） 芯片CC2530，其內(nèi)部集成了1個(gè)高性能的ＲF 射頻收發(fā)器和1 個(gè)增強(qiáng)型的低功耗8051 微控制器內(nèi)核，它具有較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離和較強(qiáng)的抗干擾能力。8051 作為基礎(chǔ)芯片，價(jià)格低廉，這樣就大大降低了產(chǎn)品研發(fā)的難度和成本； 同時(shí)，可以用C51 程序代碼進(jìn)行軟件的開發(fā)，這樣也就極大地縮短了產(chǎn)品研發(fā)的周期。

　　3.1.3 電源模塊

　　電源模塊為可穿戴傳感器提供能量。受體積限制且設(shè)備不能頻繁更換電池，必須采取一系列有效措施降低能耗，以保證醫(yī)療節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的續(xù)航能力。鋰電池自放電率低，放電電壓平緩的特點(diǎn)符合系統(tǒng)對電源的要求，故采用可充電的鋰電池對可穿戴傳感器供電。但系統(tǒng)正常工作時(shí)，數(shù)據(jù)處理模塊工作電壓是3.3 V，傳感器工作在5 V，電源需要經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換后才能應(yīng)用到系統(tǒng)中。在電壓轉(zhuǎn)換中，利用MC7805 穩(wěn)定輸出5 V 電壓，利用AMS1117 穩(wěn)定輸出3.3 V 電壓。如圖5所示。

　　圖5 電源模塊

　　3.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和上位機(jī)

　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)者，向下與無線傳感器通信，向上與上位機(jī)通信。負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，接收終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，同樣以CC2530 為核心設(shè)計(jì)接收端，CC2530 接收完數(shù)據(jù)后通過串口將其上傳給上位機(jī)，使監(jiān)護(hù)中心能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測病人的生理參數(shù)，如圖6 所示。

　　圖6 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與上位機(jī)結(jié)構(gòu)圖

　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與上位機(jī)采用串口方式進(jìn)行通信。為使單片機(jī)與上位機(jī)通信電平保持一致，采用MAX232芯片完成單片機(jī)與上位機(jī)的雙向電平轉(zhuǎn)換。MAX232 內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，而且僅需+5 V 電源便可工作，使用十分方便，它與單片機(jī)連接時(shí)可以采用最簡單的方式連接。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)的軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，主要由脈搏采集與處理、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和串口通信三部分組成。

　　4.1 脈搏采集與處理

　　程序由主程序、外部中斷服務(wù)程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序和數(shù)據(jù)處理程序組成。從中斷口輸入的脈搏脈沖信號作為外部中斷請求信號，外部中斷采用下降沿觸發(fā)的方式。程序采用測脈沖周期的方法進(jìn)行測量，即用脈沖來控制計(jì)時(shí)信號，通過檢測10 次脈沖周期求平均，再換算成1 min 脈搏的次數(shù)，從中斷口每輸入10 個(gè)脈沖信號刷新1 次脈搏次數(shù)。脈搏采集流程如圖7 所示。

　　圖7 脈搏采集流程圖

　　4.2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)

　　ZigBee 網(wǎng)絡(luò)支持3 種類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： 星形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和樹形狀結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)使用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多個(gè)無線傳感器與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的通信，多個(gè)無線傳感器進(jìn)行組網(wǎng)，通過協(xié)調(diào)器來管理網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到配置和控制無線傳感器的目的。在星形網(wǎng)絡(luò)中，無線傳感器只與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的通信，為實(shí)現(xiàn)這一功能，協(xié)調(diào)器必須先組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這樣無線傳感器掃描的時(shí)候才可以找到網(wǎng)絡(luò)，找到網(wǎng)絡(luò)后無線傳感器再進(jìn)行入網(wǎng)請求。如果協(xié)調(diào)器響應(yīng)了入網(wǎng)請求，則無線傳感器才可以成功入網(wǎng)，并且發(fā)送綁定請求。若協(xié)調(diào)器發(fā)送允許綁定并被終端節(jié)點(diǎn)收到，則可以實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的通信了。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將有效數(shù)據(jù)通過串口上傳監(jiān)護(hù)中心，從而實(shí)現(xiàn)病人生理參數(shù)的采集和分析。無線傳感器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的工作流程分別如圖8和9 所示。

　　圖8 無線傳感器工作流程圖 圖9 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器工作流程

　　5 實(shí)驗(yàn)測試

　　根據(jù)設(shè)計(jì)的基于ZigBee 技術(shù)的可穿戴傳感器監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，本文對系統(tǒng)進(jìn)行初步測試。隨機(jī)挑選一病人對他的生理參數(shù)進(jìn)行檢測，為了測試數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)挠行?，每隔一段時(shí)間，通過上位機(jī)讀取病人的生理參數(shù)。同時(shí)，為了測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將系統(tǒng)測量的結(jié)果與傳統(tǒng)有線方式的測量結(jié)果進(jìn)行比較。部分生理參數(shù)測量情況如表1、表2 所示。

　　表1 體溫測量數(shù)據(jù)

　　表2 脈搏測量數(shù)據(jù)

　　從表1 體溫測量數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)能采集病人生理參數(shù)并無線傳輸，驗(yàn)證了系統(tǒng)無線傳輸功能的有效性； 同時(shí)系統(tǒng)測量的體溫?cái)?shù)據(jù)與體溫計(jì)的結(jié)果基本上一致，說明系統(tǒng)對體溫的測量有較高的準(zhǔn)確性。從表2 脈搏測量數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)與血壓計(jì)測量的數(shù)據(jù)存在2% 左右的差距，不會(huì)影響醫(yī)護(hù)人員的正確決策，符合實(shí)際要求。

　　實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)能以較高的精度采集病人生理參數(shù)并完成數(shù)據(jù)的有效傳輸，較好地完成了對病人的無線監(jiān)護(hù)。

　　6 結(jié)論

　　以無線通信模塊CC2530為核心，基于ZigBee可穿戴傳感器的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了病人生理參數(shù)的采集、無線傳輸和顯示。系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想和高集成度的CC2530 小規(guī)模通信模塊，不僅體積緊湊，而且減少了芯片的使用，保證了系統(tǒng)的微型化。利用ZigBee 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療監(jiān)護(hù)的無線化。系統(tǒng)集成了多種類型的傳感器，能完成各種生理參數(shù)的測量，功能多。

　　另外，系統(tǒng)預(yù)留了多個(gè)擴(kuò)展接口，方便醫(yī)療傳感器的接入，擴(kuò)展性強(qiáng)。當(dāng)然，對監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷還是依靠醫(yī)護(hù)人員的經(jīng)驗(yàn)。這還需要依據(jù)專家知識(shí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的融合，為醫(yī)護(hù)人后時(shí)間。因此如何設(shè)計(jì)更加優(yōu)異的制粒機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)以及更加合理、更加理想的控制算法，有待于進(jìn)一步的探索與研究。