摘 要： 介紹了一種基于ZigBee的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)技術。系統(tǒng)集嵌入式、無線傳感網絡、ZigBee和計算機等技術于一體，設計了一種便攜式的生理參數(shù)檢測終端設備。其可對人體的體溫、脈搏和體位等生理信號進行感測，以無線和有線網絡相結合的傳輸方式將生理信號傳輸至醫(yī)院監(jiān)護中心，并最終在PC上進行實時顯示和進一步分析，實現(xiàn)遠距離的醫(yī)療監(jiān)護功能。該設計打破了當前醫(yī)療行業(yè)普遍采用的有線設備在使用范圍上的局限性。
關鍵詞： ZigBee；無線傳感器網絡；體溫；脈搏信號；加速度信號
遠程醫(yī)療是一門新興的綜合性較強的學科，其橫跨了醫(yī)學、計算機網絡、通信工程等多個學科領域，并將最先進的實用的科學技術應用于醫(yī)療領域。在傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中，對某些重要生理信號參數(shù)的觀測只能由醫(yī)院的相關醫(yī)護人員通過床旁監(jiān)護設備來進行，這種通過有線電纜傳輸信號的大型設備大多價格昂貴，且在很大程度上限制了被監(jiān)護人的活動空間[1]。
近年來，無線技術獲得了快速發(fā)展，逐漸從軍用轉向民用。多種多樣的無線技術標準也隨著科學的進步而產生，如Wi-Fi、ZigBee、藍牙等。在無線通信技術飛速發(fā)展的環(huán)境下，開發(fā)一種便攜式監(jiān)護設備，并設計以無線通信技術為基礎的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)勢在必行。
在此背景下，本文結合近年來在國內發(fā)展迅猛的ZigBee及無線傳感器網絡技術提出了一種遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。該設計以無線傳感網絡的方式，將體溫、脈搏、體位/體動等不同的生理信號，經處理后，通過ZigBee無線傳輸至上位機進行數(shù)據的分析處理。其設備輕便、使用靈活，具備極強的可移動性，彌補了當前醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的種種缺陷，具有重要的現(xiàn)實意義。
1 系統(tǒng)組成與結構
在遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中，無線傳感網絡的終端節(jié)點利用各種生命指標傳感器，對所需監(jiān)測的生理信號進行數(shù)據感測，并通過無線通信方式將數(shù)據發(fā)送至協(xié)調器，協(xié)調器將接收到的數(shù)據傳輸至與其相連接的PC或者其他網絡設備上，最后通過Internet、電話網絡、GSM/GPRS等公共服務網絡，將數(shù)據傳輸至遠端的醫(yī)療監(jiān)護中心，由專業(yè)的醫(yī)療監(jiān)護人員對數(shù)據進行觀察和分析，并提供醫(yī)療咨詢和救治服務，實現(xiàn)遠程醫(yī)療。
本系統(tǒng)中遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)主要由前端的ZigBee無線傳感網絡和后端的公共服務網絡兩個部分組成，其系統(tǒng)網絡架構如圖1所示。
本系統(tǒng)選擇ZigBee技術作為遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的無線通信方式。ZigBee技術具有功耗低、傳輸可靠性高、組網容量大、安全性高、易兼容等特點，使它在工業(yè)控制、智能家居、遠程醫(yī)療等領域體現(xiàn)出了極大的應用價值。ZigBee技術是在無線個人區(qū)域網（IEEE 802.l5.4）協(xié)議標準基礎上進行的完善和擴展，主要為小型廉價設備的無線聯(lián)網需求提供了具有統(tǒng)一技術標準的解決方案[2]。完整的ZigBee協(xié)議由IEEE 802.15.4負責的物理層和鏈路層及由ZigBee聯(lián)盟制定網絡層、應用層組成[3]。
根據實際情況和用戶的需求，一定數(shù)量的節(jié)點可以組成3種不同拓撲結構的網絡，分別是星形網絡、樹形網絡和網狀網絡[4]。本設計采用樹形網絡作為無線傳感網絡的拓撲結構，樹形網絡總長度短、成本較低且節(jié)點易于擴充，如圖2所示。
為達到遠程目的，協(xié)調器與監(jiān)控中心之間采用有線傳輸來完成數(shù)據的可靠通信。本系統(tǒng)后端公共服務網絡方案采用局域網方式傳輸，以便將某一個社區(qū)或醫(yī)院醫(yī)療監(jiān)護網絡接入Internet，從而進一步發(fā)展成為更大的全國范圍的醫(yī)療監(jiān)護網絡。
2 應用電路
本系統(tǒng)研究重點在于實現(xiàn)遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)前端的ZigBee網絡的組建，即實現(xiàn)組網節(jié)點的硬件設計，其節(jié)點結構框圖如圖3所示。
2.1 處理器模塊和通信模塊的硬件設計
處理器模塊主要負責對傳感器得到的生理信號進行處理和傳輸控制；通信模塊完成生理信號的傳輸，包括生理信號的無線收發(fā)和與PC的串口通信。本系統(tǒng)采用TI的CC2430單芯片集成SoC方案，CC2430單芯片方案集成了微處理器和無線收發(fā)模塊，并且內置ADC，ADC支持12 bit模數(shù)轉換。CC2430的集成特性，使其外圍電路只需要很少的元件就能構成功能健全的網絡節(jié)點，適用于各種ZigBee或類似ZigBee的無線網絡節(jié)點。
2.2 傳感器模塊硬件設計
終端節(jié)點上的傳感器模塊主要負責實現(xiàn)人體生理參數(shù)的獲取。從體溫、脈搏、體位/體動傳感器得到的相關電信號，經過電壓放大、模數(shù)轉換等處理，被轉化為待傳輸?shù)臄?shù)字信號。脈搏傳感器選用HK-2000B+型集成化脈搏傳感器，有專用的調理模塊。
體位傳感器選用ADXL345加速度傳感器，基于iMEMS技術的3軸數(shù)字輸出加速度傳感器，超低功耗及標準的I2C或SPI數(shù)字接口，非常適合于移動設備應用[5]。體溫傳感器選用Pt100溫度傳感器應用于人體溫度的測量，測量范圍比較窄，36℃～42℃即可滿足要求，信號調理電路設計采用惠斯登電橋電路，如圖4所示。
3 無線傳輸模塊軟件設計
本系統(tǒng)ZigBee通信部分軟件設計由ZigBee網絡的建立、節(jié)點加入網絡和數(shù)據的無線射頻傳輸?shù)葞讉€部分組成，這幾個部分的軟件設計都是針對通信模塊核心芯片CC2430增強型8051進行操作。另外，對于上位機圖像界面的設計，本系統(tǒng)選用Qt跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架。
整個系統(tǒng)軟件設計部分的總體流程如下。
?。?）終端節(jié)點通過利用CC2430的ADC通道對體溫和脈搏數(shù)據進行采樣，利用I2C接口獲取體位/體態(tài)信息數(shù)據。
?。?）終端節(jié)點ZigBee無線發(fā)送模塊將接收的生理數(shù)據通過RF射頻發(fā)射端發(fā)送出去。
?。?）路由器節(jié)點ZigBee接收并中轉終端節(jié)點發(fā)來的生理數(shù)據。
（4）協(xié)調器ZigBee模塊的RF射頻接收端接收無線傳輸?shù)臄?shù)據。
?。?）協(xié)調器通過串口將接收的數(shù)據發(fā)送給PC，并在PC上進行顯示。整體軟件流程圖如圖5所示。
4 實驗與結果
協(xié)調器與終端節(jié)點間的距離在最大通信范圍內且無門、墻等阻隔時，協(xié)調器與終端節(jié)點可正常組網通信；若協(xié)調器與終端節(jié)點間有阻隔，或超出最大通信范圍時，只要將終端節(jié)點移至通信范圍內或消除阻隔，隨即通信恢復正常。由于本系統(tǒng)增設了路由節(jié)點，當距離或阻礙等環(huán)境因素無法改變時，亦可恢復節(jié)點的正常通信，且最長有效傳輸距離為室內80 m左右，室外空曠地帶150 m左右，并且信號強度隨距離增加減弱得比較平滑。
PC Qt上位機的圖形界面顯示如圖6所示。A、B、C為模擬的3個終端節(jié)點被監(jiān)護者的生理信息顯示，依次為體溫數(shù)據（Temp）、脈搏數(shù)據（Pulse）、身體傾斜度（angel）以及是否發(fā)生跌倒（跌倒為燈亮）。
本文提出了基于ZigBee技術的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的設計方案，在家庭和社區(qū)中采用樹形拓撲結構，完成可移動傳感器節(jié)點設計，實現(xiàn)了被監(jiān)護者體溫、脈搏及體態(tài)信息的處理、無線傳輸及上位機實時顯示。采用便攜式終端，打破了當前醫(yī)療行業(yè)普遍采用的有線設備在使用范圍上的局限性。這種將傳感器技術和無線技術融合的方案，為遠程醫(yī)療健康監(jiān)護提供了很好的解決平臺。
參考文獻
[1] 汪豐，趙明光，符志鵬．基于Zigbee技術的無線醫(yī)療監(jiān)護網絡的研究[J]．中國醫(yī)療設備，2008（12）：13-16．
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[5] 王驥，沈玉利，林菁．基于無線傳感器網絡生理參數(shù)采集系統(tǒng)設計[J]．電子測量與儀器學報，2009，23（2）：94-99．