《电子技术应用》
您所在的位置:首页 > 嵌入式技术 > 设计应用 > 基于ZigBee的医疗监护系统的设计与研究
基于ZigBee的医疗监护系统的设计与研究
来源:微型机与应用2013年第19期
朱 亮,王绪国,庾嘉平,毛欢欢
(武汉理工大学 信息工程学院,湖北 武汉 430070)
摘要: 介绍了一种基于ZigBee的医疗监护系统的设计与实现技术。系统集嵌入式、无线传感网络、ZigBee和计算机等技术于一体,设计了一种便携式的生理参数检测终端设备。其可对人体的体温、脉搏和体位等生理信号进行感测,以无线和有线网络相结合的传输方式将生理信号传输至医院监护中心,并最终在PC上进行实时显示和进一步分析,实现远距离的医疗监护功能。该设计打破了当前医疗行业普遍采用的有线设备在使用范围上的局限性。
Abstract:
Key words :

摘  要: 介绍了一种基于ZigBee的医疗监护系统的设计与实现技术。系统集嵌入式、无线传感网络、ZigBee和计算机等技术于一体,设计了一种便携式的生理参数检测终端设备。其可对人体的体温、脉搏和体位等生理信号进行感测,以无线和有线网络相结合的传输方式将生理信号传输至医院监护中心,并最终在PC上进行实时显示和进一步分析,实现远距离的医疗监护功能。该设计打破了当前医疗行业普遍采用的有线设备在使用范围上的局限性。
关键词: ZigBee;无线传感器网络;体温;脉搏信号;加速度信号

 远程医疗是一门新兴的综合性较强的学科,其横跨了医学、计算机网络、通信工程等多个学科领域,并将最先进的实用的科学技术应用于医疗领域。在传统的医疗监护系统中,对某些重要生理信号参数的观测只能由医院的相关医护人员通过床旁监护设备来进行,这种通过有线电缆传输信号的大型设备大多价格昂贵,且在很大程度上限制了被监护人的活动空间[1]。
 近年来,无线技术获得了快速发展,逐渐从军用转向民用。多种多样的无线技术标准也随着科学的进步而产生,如Wi-Fi、ZigBee、蓝牙等。在无线通信技术飞速发展的环境下,开发一种便携式监护设备,并设计以无线通信技术为基础的远程医疗监护系统势在必行。
 在此背景下,本文结合近年来在国内发展迅猛的ZigBee及无线传感器网络技术提出了一种远程医疗监护系统。该设计以无线传感网络的方式,将体温、脉搏、体位/体动等不同的生理信号,经处理后,通过ZigBee无线传输至上位机进行数据的分析处理。其设备轻便、使用灵活,具备极强的可移动性,弥补了当前医疗监护系统的种种缺陷,具有重要的现实意义。
1 系统组成与结构
 在远程医疗监护系统中,无线传感网络的终端节点利用各种生命指标传感器,对所需监测的生理信号进行数据感测,并通过无线通信方式将数据发送至协调器,协调器将接收到的数据传输至与其相连接的PC或者其他网络设备上,最后通过Internet、电话网络、GSM/GPRS等公共服务网络,将数据传输至远端的医疗监护中心,由专业的医疗监护人员对数据进行观察和分析,并提供医疗咨询和救治服务,实现远程医疗。
本系统中远程医疗监护系统主要由前端的ZigBee无线传感网络和后端的公共服务网络两个部分组成,其系统网络架构如图1所示。

 本系统选择ZigBee技术作为远程医疗监护系统的无线通信方式。ZigBee技术具有功耗低、传输可靠性高、组网容量大、安全性高、易兼容等特点,使它在工业控制、智能家居、远程医疗等领域体现出了极大的应用价值。ZigBee技术是在无线个人区域网(IEEE 802.l5.4)协议标准基础上进行的完善和扩展,主要为小型廉价设备的无线联网需求提供了具有统一技术标准的解决方案[2]。完整的ZigBee协议由IEEE 802.15.4负责的物理层和链路层及由ZigBee联盟制定网络层、应用层组成[3]。
 根据实际情况和用户的需求,一定数量的节点可以组成3种不同拓扑结构的网络,分别是星形网络、树形网络和网状网络[4]。本设计采用树形网络作为无线传感网络的拓扑结构,树形网络总长度短、成本较低且节点易于扩充,如图2所示。

 为达到远程目的,协调器与监控中心之间采用有线传输来完成数据的可靠通信。本系统后端公共服务网络方案采用局域网方式传输,以便将某一个社区或医院医疗监护网络接入Internet,从而进一步发展成为更大的全国范围的医疗监护网络。
2 应用电路
 本系统研究重点在于实现远程医疗监护系统前端的ZigBee网络的组建,即实现组网节点的硬件设计,其节点结构框图如图3所示。

2.1 处理器模块和通信模块的硬件设计
 处理器模块主要负责对传感器得到的生理信号进行处理和传输控制;通信模块完成生理信号的传输,包括生理信号的无线收发和与PC的串口通信。本系统采用TI的CC2430单芯片集成SoC方案,CC2430单芯片方案集成了微处理器和无线收发模块,并且内置ADC,ADC支持12 bit模数转换。CC2430的集成特性,使其外围电路只需要很少的元件就能构成功能健全的网络节点,适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点。
2.2 传感器模块硬件设计
 终端节点上的传感器模块主要负责实现人体生理参数的获取。从体温、脉搏、体位/体动传感器得到的相关电信号,经过电压放大、模数转换等处理,被转化为待传输的数字信号。脉搏传感器选用HK-2000B+型集成化脉搏传感器,有专用的调理模块。
 体位传感器选用ADXL345加速度传感器,基于iMEMS技术的3轴数字输出加速度传感器,超低功耗及标准的I2C或SPI数字接口,非常适合于移动设备应用[5]。体温传感器选用Pt100温度传感器应用于人体温度的测量,测量范围比较窄,36℃~42℃即可满足要求,信号调理电路设计采用惠斯登电桥电路,如图4所示。

3 无线传输模块软件设计
 本系统ZigBee通信部分软件设计由ZigBee网络的建立、节点加入网络和数据的无线射频传输等几个部分组成,这几个部分的软件设计都是针对通信模块核心芯片CC2430增强型8051进行操作。另外,对于上位机图像界面的设计,本系统选用Qt跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架。
整个系统软件设计部分的总体流程如下。
 (1)终端节点通过利用CC2430的ADC通道对体温和脉搏数据进行采样,利用I2C接口获取体位/体态信息数据。
 (2)终端节点ZigBee无线发送模块将接收的生理数据通过RF射频发射端发送出去。
 (3)路由器节点ZigBee接收并中转终端节点发来的生理数据。
 (4)协调器ZigBee模块的RF射频接收端接收无线传输的数据。
 (5)协调器通过串口将接收的数据发送给PC,并在PC上进行显示。整体软件流程图如图5所示。

4 实验与结果
 协调器与终端节点间的距离在最大通信范围内且无门、墙等阻隔时,协调器与终端节点可正常组网通信;若协调器与终端节点间有阻隔,或超出最大通信范围时,只要将终端节点移至通信范围内或消除阻隔,随即通信恢复正常。由于本系统增设了路由节点,当距离或阻碍等环境因素无法改变时,亦可恢复节点的正常通信,且最长有效传输距离为室内80 m左右,室外空旷地带150 m左右,并且信号强度随距离增加减弱得比较平滑。
 PC Qt上位机的图形界面显示如图6所示。A、B、C为模拟的3个终端节点被监护者的生理信息显示,依次为体温数据(Temp)、脉搏数据(Pulse)、身体倾斜度(angel)以及是否发生跌倒(跌倒为灯亮)。
本文提出了基于ZigBee技术的医疗监护系统的设计方案,在家庭和社区中采用树形拓扑结构,完成可移动传感器节点设计,实现了被监护者体温、脉搏及体态信息的处理、无线传输及上位机实时显示。采用便携式终端,打破了当前医疗行业普遍采用的有线设备在使用范围上的局限性。这种将传感器技术和无线技术融合的方案,为远程医疗健康监护提供了很好的解决平台。

 

 

参考文献
[1] 汪丰,赵明光,符志鹏.基于Zigbee技术的无线医疗监护网络的研究[J].中国医疗设备,2008(12):13-16.
[2] 潘云宽.基于ZigBee的无线传感网络环境监测系统研究[D].南京:南京理工大学,2010.
[3] 高守玮,吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.
[4] 赫晓昂.ZigBee路由协议分析与改进[D].武汉:华中师范大学,2011.
[5] 王骥,沈玉利,林菁.基于无线传感器网络生理参数采集系统设计[J].电子测量与仪器学报,2009,23(2):94-99.