基于WPAN技術(shù)和JN512芯片的無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 序言

無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)是利用無線通信技術(shù)輔助醫(yī)療監(jiān)護(hù)的簡稱。近年來隨著生物醫(yī)學(xué)傳感器的小型化、信息處理和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的快速發(fā)展和普及，使得無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)成為熱點(diǎn)。

ZigBee是一種今年來興起的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，成本低、功耗低是其突出的優(yōu)勢。其網(wǎng)絡(luò)容量大，數(shù)據(jù)交換小，專注于低速率信號穿傳輸。完全符合基本生理信號的傳輸要求。

本文的主要首先介紹了基于WPAN的無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)，然后介紹了基于JN5121芯片的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，以及試驗(yàn)驗(yàn)證。最后對無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景及其存在課題做了展望。

2 基于WPAN無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)

WPAN是為在小范圍內(nèi)的設(shè)備間建立無線連接而開發(fā)的無線傳輸技術(shù)，IEEE標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)已為此制定了IEEE802.15.x標(biāo)準(zhǔn).本文涉及的傳輸技術(shù)符合專門針對低速WPAN制定的IEEE802.15.4(Zigbee)標(biāo)準(zhǔn)。

本文提出的構(gòu)架基于WPAN，即區(qū)別于無線遠(yuǎn)程醫(yī)療。本文關(guān)注重點(diǎn)在于生理信號采集到生理信號中轉(zhuǎn)部分的無線方式。無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)方式主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和接受節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。接受節(jié)點(diǎn)可接人監(jiān)控中心，或者由以太網(wǎng)、無線廣域網(wǎng)等方式接入監(jiān)控中心，以此構(gòu)成了完整的醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)。在此構(gòu)架下，醫(yī)用傳感器節(jié)點(diǎn)可以按照具體情況配置，構(gòu)成局域或者家庭的無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)，這種構(gòu)架具有很大靈活性和擴(kuò)展性。在這個(gè)構(gòu)架中，我們無線通信方式以Zigbee協(xié)議為基礎(chǔ)，采用JN5121模塊作為無線收發(fā)節(jié)點(diǎn)。圖l中描述了無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 基于JN5121芯片的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 JN5121模塊介紹

JN5121是Jennic公司推出的一款與IEEE802.15.4兼容的低功耗、低成本的無線微控制器。該模塊內(nèi)置32位的RISC處理器，配置有2.4GHz頻段的EEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器，64kB的ROM.96kB RAM，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了多種多樣的解決方案，同事高度集成化的設(shè)計(jì)簡化了總的系統(tǒng)成本，JN5121內(nèi)置的ROM存儲(chǔ)器中集成了點(diǎn)對點(diǎn)通信與網(wǎng)狀網(wǎng)通信的完整協(xié)議棧；而其內(nèi)置的RAM存儲(chǔ)器，可以支持網(wǎng)絡(luò)路由和控制器功能而不需要外部擴(kuò)展任何的存儲(chǔ)空間，內(nèi)置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器，減小了系統(tǒng)的功耗和處理器負(fù)載。它還支持晶振休眠和系統(tǒng)節(jié)能工程。同時(shí)提供了對于大量的模擬和數(shù)字外設(shè)的互操作支持可以方便的連接到用戶的外部應(yīng)用系統(tǒng)。

3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線生理傳感器有兩部分組成：生理信號采集部分和無線傳輸部分。生理信號采集我們可以采用我們所需要的各種生理電極對人體的心電、血養(yǎng)飽和濃度、脈搏等等進(jìn)行冊測量。無線模塊我們采用集微處理器和RF芯片一體的S0C芯片JN5121，芯片可以控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理和任務(wù)管理。采用該芯片相對于以往Zigbee射頻芯片而言，不用外加MCU，有效的節(jié)省了芯片外圍電路，采用片上芯片方案可以近一步節(jié)省幾點(diǎn)體積，便于受監(jiān)護(hù)者攜帶。圖2是生理無線傳感器方案。

圖2 生理無線傳感器方案

4 基本程序設(shè)計(jì)站的設(shè)計(jì)

JN5121芯片的設(shè)計(jì)是基于Zigbee協(xié)議的，所以首先我們了解一下Zigbee的基本知識(shí)。Zigbee協(xié)議的物理層以及MAC層都是按照802.15.4的標(biāo)準(zhǔn)制定的，而其網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)都是Zigbee聯(lián)盟制定。基于Zigbee協(xié)議的實(shí)際應(yīng)用開發(fā)，我們只需要調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)或者在應(yīng)用層開發(fā)程序代碼。本文簡單介紹幾個(gè)需要應(yīng)用到的重要函數(shù)。

在Jennic Zigbee協(xié)議中一個(gè)基本的操作系統(tǒng)(BOS)。它是一個(gè)簡單的時(shí)問調(diào)度器。它允許兩個(gè)任務(wù)進(jìn)程間通過一個(gè)簡單的信息調(diào)度機(jī)制進(jìn)行通信。同事BOS控制Zigbee協(xié)議棧任務(wù)和用戶任務(wù)的執(zhí)行。其中協(xié)議棧任務(wù)包括：網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用子層APS(ApplicaTIon Sub—Layer)和Zigbee設(shè)備對象ZDO(Zigbee Debice 0bjects)的所有進(jìn)程。通過事件的輪詢應(yīng)用實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的調(diào)度。整個(gè)流程如圖3所示。

圖3 實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的調(diào)度流程

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

我們采用北京博控公司代理的JN5121-M00模塊，信號取用采樣頻率為150Hz的脈搏信號。無線傳輸采用點(diǎn)對點(diǎn)方式，試驗(yàn)證明通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)和直接用PC采樣得到的結(jié)果并沒有顯著差異。

6 結(jié)束語

本文初步介紹了JN5121模塊結(jié)構(gòu)和主要功能，說明了JN5121的基本程序設(shè)計(jì)流程。提出了JN5121在基于WPAN的無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)中應(yīng)用的基本構(gòu)想。

無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)方式可以減少受監(jiān)護(hù)者與儀器之間的連線，得到更好的生理數(shù)據(jù)，同時(shí)，可以讓受監(jiān)護(hù)者獲得更大的活動(dòng)空間。無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)方式的諸多優(yōu)點(diǎn)是無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力.隨著硬件條件的不斷發(fā)展，無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)必將擁有廣闊的發(fā)展空間。