摘 要： 介紹了一種基于ZigBee的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。系統(tǒng)集嵌入式、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、ZigBee和計(jì)算機(jī)等技術(shù)于一體，設(shè)計(jì)了一種便攜式的生理參數(shù)檢測(cè)終端設(shè)備。其可對(duì)人體的體溫、脈搏和體位等生理信號(hào)進(jìn)行感測(cè)，以無線和有線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的傳輸方式將生理信號(hào)傳輸至醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心，并最終在PC上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和進(jìn)一步分析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的醫(yī)療監(jiān)護(hù)功能。該設(shè)計(jì)打破了當(dāng)前醫(yī)療行業(yè)普遍采用的有線設(shè)備在使用范圍上的局限性。
關(guān)鍵詞： ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；體溫；脈搏信號(hào)；加速度信號(hào)
遠(yuǎn)程醫(yī)療是一門新興的綜合性較強(qiáng)的學(xué)科，其橫跨了醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信工程等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，并將最先進(jìn)的實(shí)用的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，對(duì)某些重要生理信號(hào)參數(shù)的觀測(cè)只能由醫(yī)院的相關(guān)醫(yī)護(hù)人員通過床旁監(jiān)護(hù)設(shè)備來進(jìn)行，這種通過有線電纜傳輸信號(hào)的大型設(shè)備大多價(jià)格昂貴，且在很大程度上限制了被監(jiān)護(hù)人的活動(dòng)空間[1]。
近年來，無線技術(shù)獲得了快速發(fā)展，逐漸從軍用轉(zhuǎn)向民用。多種多樣的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也隨著科學(xué)的進(jìn)步而產(chǎn)生，如Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙等。在無線通信技術(shù)飛速發(fā)展的環(huán)境下，開發(fā)一種便攜式監(jiān)護(hù)設(shè)備，并設(shè)計(jì)以無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)勢(shì)在必行。
在此背景下，本文結(jié)合近年來在國內(nèi)發(fā)展迅猛的ZigBee及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了一種遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)以無線傳感網(wǎng)絡(luò)的方式，將體溫、脈搏、體位/體動(dòng)等不同的生理信號(hào)，經(jīng)處理后，通過ZigBee無線傳輸至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理。其設(shè)備輕便、使用靈活，具備極強(qiáng)的可移動(dòng)性，彌補(bǔ)了當(dāng)前醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的種種缺陷，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1 系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)
在遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)利用各種生命指標(biāo)傳感器，對(duì)所需監(jiān)測(cè)的生理信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)感測(cè)，并通過無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)傳輸至與其相連接的PC或者其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，最后通過Internet、電話網(wǎng)絡(luò)、GSM/GPRS等公共服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)端的醫(yī)療監(jiān)護(hù)中心，由專業(yè)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察和分析，并提供醫(yī)療咨詢和救治服務(wù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。
本系統(tǒng)中遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要由前端的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和后端的公共服務(wù)網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分組成，其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。
本系統(tǒng)選擇ZigBee技術(shù)作為遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的無線通信方式。ZigBee技術(shù)具有功耗低、傳輸可靠性高、組網(wǎng)容量大、安全性高、易兼容等特點(diǎn)，使它在工業(yè)控制、智能家居、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域體現(xiàn)出了極大的應(yīng)用價(jià)值。ZigBee技術(shù)是在無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（IEEE 802.l5.4）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的完善和擴(kuò)展，主要為小型廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)需求提供了具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的解決方案[2]。完整的ZigBee協(xié)議由IEEE 802.15.4負(fù)責(zé)的物理層和鏈路層及由ZigBee聯(lián)盟制定網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成[3]。
根據(jù)實(shí)際情況和用戶的需求，一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)可以組成3種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，分別是星形網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[4]。本設(shè)計(jì)采用樹形網(wǎng)絡(luò)作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，樹形網(wǎng)絡(luò)總長(zhǎng)度短、成本較低且節(jié)點(diǎn)易于擴(kuò)充，如圖2所示。
為達(dá)到遠(yuǎn)程目的，協(xié)調(diào)器與監(jiān)控中心之間采用有線傳輸來完成數(shù)據(jù)的可靠通信。本系統(tǒng)后端公共服務(wù)網(wǎng)絡(luò)方案采用局域網(wǎng)方式傳輸，以便將某一個(gè)社區(qū)或醫(yī)院醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)接入Internet，從而進(jìn)一步發(fā)展成為更大的全國范圍的醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)。
2 應(yīng)用電路
本系統(tǒng)研究重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)前端的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建，即實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，其節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
2.1 處理器模塊和通信模塊的硬件設(shè)計(jì)
處理器模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)傳感器得到的生理信號(hào)進(jìn)行處理和傳輸控制；通信模塊完成生理信號(hào)的傳輸，包括生理信號(hào)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(nèi)置ADC，ADC支持12 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換。CC2430的集成特性，使其外圍電路只需要很少的元件就能構(gòu)成功能健全的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，適用于各種ZigBee或類似ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
2.2 傳感器模塊硬件設(shè)計(jì)
終端節(jié)點(diǎn)上的傳感器模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)人體生理參數(shù)的獲取。從體溫、脈搏、體位/體動(dòng)傳感器得到的相關(guān)電信號(hào)，經(jīng)過電壓放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，被轉(zhuǎn)化為待傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)。脈搏傳感器選用HK-2000B+型集成化脈搏傳感器，有專用的調(diào)理模塊。
體位傳感器選用ADXL345加速度傳感器，基于iMEMS技術(shù)的3軸數(shù)字輸出加速度傳感器，超低功耗及標(biāo)準(zhǔn)的I2C或SPI數(shù)字接口，非常適合于移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用[5]。體溫傳感器選用Pt100溫度傳感器應(yīng)用于人體溫度的測(cè)量，測(cè)量范圍比較窄，36℃～42℃即可滿足要求，信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)采用惠斯登電橋電路，如圖4所示。
3 無線傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)ZigBee通信部分軟件設(shè)計(jì)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的無線射頻傳輸?shù)葞讉€(gè)部分組成，這幾個(gè)部分的軟件設(shè)計(jì)都是針對(duì)通信模塊核心芯片CC2430增強(qiáng)型8051進(jìn)行操作。另外，對(duì)于上位機(jī)圖像界面的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)選用Qt跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架。
整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分的總體流程如下。
（1）終端節(jié)點(diǎn)通過利用CC2430的ADC通道對(duì)體溫和脈搏數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，利用I2C接口獲取體位/體態(tài)信息數(shù)據(jù)。
（2）終端節(jié)點(diǎn)ZigBee無線發(fā)送模塊將接收的生理數(shù)據(jù)通過RF射頻發(fā)射端發(fā)送出去。
（3）路由器節(jié)點(diǎn)ZigBee接收并中轉(zhuǎn)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來的生理數(shù)據(jù)。
（4）協(xié)調(diào)器ZigBee模塊的RF射頻接收端接收無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
（5）協(xié)調(diào)器通過串口將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC，并在PC上進(jìn)行顯示。整體軟件流程圖如圖5所示。
4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果
協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)間的距離在最大通信范圍內(nèi)且無門、墻等阻隔時(shí)，協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)可正常組網(wǎng)通信；若協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)間有阻隔，或超出最大通信范圍時(shí)，只要將終端節(jié)點(diǎn)移至通信范圍內(nèi)或消除阻隔，隨即通信恢復(fù)正常。由于本系統(tǒng)增設(shè)了路由節(jié)點(diǎn)，當(dāng)距離或阻礙等環(huán)境因素?zé)o法改變時(shí)，亦可恢復(fù)節(jié)點(diǎn)的正常通信，且最長(zhǎng)有效傳輸距離為室內(nèi)80 m左右，室外空曠地帶150 m左右，并且信號(hào)強(qiáng)度隨距離增加減弱得比較平滑。
PC Qt上位機(jī)的圖形界面顯示如圖6所示。A、B、C為模擬的3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)被監(jiān)護(hù)者的生理信息顯示，依次為體溫?cái)?shù)據(jù)（Temp）、脈搏數(shù)據(jù)（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(shù)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在家庭和社區(qū)中采用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完成可移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了被監(jiān)護(hù)者體溫、脈搏及體態(tài)信息的處理、無線傳輸及上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。采用便攜式終端，打破了當(dāng)前醫(yī)療行業(yè)普遍采用的有線設(shè)備在使用范圍上的局限性。這種將傳感器技術(shù)和無線技術(shù)融合的方案，為遠(yuǎn)程醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)提供了很好的解決平臺(tái)。
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