基于ZigBee的穿戴式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

 目前，醫(yī)院中的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)大多采用固定的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備，通過(guò)線纜將傳感器采集的人體生理參數(shù)傳輸至監(jiān)護(hù)中心，這樣的系統(tǒng)往往體積大、成本高，限制了病人和醫(yī)護(hù)人員的行動(dòng)，增加了病人的生理和心理負(fù)擔(dān)，已經(jīng)越來(lái)越不能滿足當(dāng)今實(shí)時(shí)、連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間地監(jiān)測(cè)病人體征參數(shù)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)需求。

隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，新興的穿戴式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)正越來(lái)越受到人們的關(guān)注，本文就針對(duì)穿戴式醫(yī)療系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，應(yīng)用ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種穿戴式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)獲取人體體溫、脈搏、身體姿態(tài)等信息并以無(wú)線的方式傳送至協(xié)調(diào)器，達(dá)到醫(yī)療監(jiān)護(hù)的目的。

1 穿戴式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建。圖1為一個(gè)典型的基于ZigBee技術(shù)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，其中由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，穿戴式傳感器終端上電后自動(dòng)加入該網(wǎng)絡(luò)，若通信距離較遠(yuǎn)，可以采用多跳的方式加入網(wǎng)絡(luò)。穿戴式傳感器終端實(shí)時(shí)采集人體的重要生理信號(hào)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，最后匯聚節(jié)點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)中所有的傳感器信息匯總打包后發(fā)送給監(jiān)護(hù)中心計(jì)算機(jī)，供醫(yī)護(hù)人員查看、分析。本文的重點(diǎn)是介紹該網(wǎng)絡(luò)中的穿戴式傳感器終端的設(shè)計(jì)。

2 穿戴式傳感器終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 穿戴式傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

穿戴式傳感器節(jié)點(diǎn)以網(wǎng)蜂公司的CC2530核心板為基礎(chǔ)研制，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)選用TI公司的CC2530作為微控制器，該芯片集成了兼容ZigBee協(xié)議的射頻模塊以及一個(gè)增強(qiáng)型8051內(nèi)核的單片機(jī)，可以運(yùn)行TI的Z—Stack協(xié)議棧，為系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)提供了極大的便利。

考慮到測(cè)量的便利性以及減少受試者的佩戴負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)采用非接觸式人體紅外溫度測(cè)量傳感器MLX90615檢測(cè)人體體溫，使用反射式脈搏傳感器模塊獲取人體脈搏數(shù)據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)使用ADXL354加速度計(jì)實(shí)時(shí)檢測(cè)人體姿態(tài)，對(duì)于跌倒等意外情況及時(shí)發(fā)送報(bào)警信息。

穿戴式傳感器節(jié)點(diǎn)還加入了低功耗Nokia 5110 LCD顯示器、LED、按鍵，可以與受試者進(jìn)行簡(jiǎn)單的交互，如顯示時(shí)間、提醒服藥、呼叫醫(yī)護(hù)人員等。

2.2 電源設(shè)計(jì)

作為穿戴式設(shè)備，系統(tǒng)必須使用電池供電。為了在保證足夠續(xù)航時(shí)間的前提下盡量減小佩戴著的負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)選用能量密度較高的鋰電池供電。同時(shí)，考慮到穿戴式傳感器節(jié)點(diǎn)在電池電量耗盡時(shí)應(yīng)盡快恢復(fù)工作，系統(tǒng)選用了便于更換的7號(hào)3.7 V/650 mAh鋰離子電池。

由于系統(tǒng)選用的CC2530、MLX90615、ADXL345等芯片均需要3.3 V供電電壓，3.7 V的鋰電池?zé)o法直接為這些芯片供電，故采用高精度穩(wěn)壓芯片HT7533與10μF的鉭電容組成可靠的降壓電路，獲得穩(wěn)定的3.3 V為系統(tǒng)供電。

2.3 傳感器電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用非接觸式人體紅外溫度測(cè)量傳感器MLX90615檢測(cè)人體體溫，該傳感器由Melexis設(shè)計(jì)生產(chǎn)，具有極高的測(cè)量精度。該傳感器為T(mén)O-39封裝.其中集成了對(duì)紅外靈敏的熱電堆探測(cè)器芯片和信號(hào)處理ASSP(專用集成電路)芯片，能夠通過(guò)基于I2C總線規(guī)范的SMBus接口直接輸出溫度數(shù)字量，從而極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。該傳感器外圍電路設(shè)計(jì)如圖3所示，VCC為芯片提供所需的3.3 V工作電壓，同時(shí)為減小外界信號(hào)的干擾，在電源和數(shù)字地之間加入0.1 μF去耦電容。I2C總線的數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL分別通過(guò)10 kΩ電阻上拉至VCC，之后連接于CC2530芯片的P0.1與P0.2引腳。由于CC2530不具有硬件I2C接口，故采用模擬通信時(shí)序的方式讀寫(xiě)MLX90615的RAM和EEPROM，從而得到人體體溫?cái)?shù)據(jù)。

本系統(tǒng)使用一個(gè)簡(jiǎn)單的反射式光電脈搏傳感器模塊來(lái)檢測(cè)受試者的脈搏，該模塊成本較低、性能穩(wěn)定，其電路原理圖如圖4所示。其基本原理是依據(jù)光電容積法檢測(cè)由于心臟泵血引起的人體末端毛細(xì)血管的體積變化，從而間接測(cè)量出心臟的跳動(dòng)情況。

該模塊選擇了模擬輸出的APDS-9008環(huán)境亮度傳感器。該傳感器在設(shè)計(jì)上緊貼人眼的光譜響應(yīng)曲線，對(duì)于波長(zhǎng)500 nm左右的綠光尤其敏感，故本電路選擇了綠色LED作為反射光源。APDS-9008輸出電流信號(hào)，通過(guò)一個(gè)12 kΩ的電阻進(jìn)行I/V變換，得到的信號(hào)進(jìn)入無(wú)源低通濾波網(wǎng)絡(luò)，濾除高頻干擾后經(jīng)過(guò)一個(gè)基準(zhǔn)電壓為VCC/2的反向比例放大電路放大后輸出。CC2530通過(guò)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器以100 Hz的采樣頻率獲取該模塊的輸出電壓，通過(guò)對(duì)信號(hào)的分析計(jì)算，獲得受試者的脈搏。

系統(tǒng)采用ADXL345加速度傳感器來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)人的姿態(tài)，對(duì)于跌倒等情況能及時(shí)報(bào)警。ADXL345三軸加速度傳感器測(cè)量范圍達(dá)±16 g，具有3.9 mg/LSB的高分辨率，同時(shí)具有許多特殊檢測(cè)功能，如活動(dòng)非活動(dòng)檢測(cè)、敲擊檢測(cè)、自由落體檢測(cè)等，而這些功能可以映射到兩個(gè)中斷輸出引腳中，從而為系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)提供了極大的便利。ADXL345與MLX 90615一樣使用I2C總線通信，其數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL分別連接于CC2530的P0.1和P0.0引腳上，因?yàn)槠淦骷刂放cMLX90615不同，CC2530在與他們通信時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生干擾。

2.4 人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

穿戴式傳感器節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)LED指示燈、按鍵、Nokia5110 LCD與受試者進(jìn)行簡(jiǎn)單的交互。其中，LED用來(lái)顯示脈搏的跳動(dòng)，按鍵用來(lái)執(zhí)行簡(jiǎn)單的設(shè)定，Nokia 5110 LCD用來(lái)顯示受試者的脈搏、體溫等基本信息。兩顆LED使用驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的P1.0、P1.1引腳直接驅(qū)動(dòng)，兩枚按鍵經(jīng)過(guò)10 kΩ上拉后連接至P0.4、P0.5引腳，Nokia 5110 LCD使用SPI接口與CC2530連接通信。

3 穿戴式傳感器終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

穿戴式傳感器終端節(jié)點(diǎn)使用TI公司的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0協(xié)議棧開(kāi)發(fā)，該協(xié)議棧在實(shí)現(xiàn)了ZigBee協(xié)議基本功能的基礎(chǔ)上，提供了一個(gè)基于事件驅(qū)動(dòng)的輪詢式操作系統(tǒng)，稱為OSAL(Operating System Abstraction Layer，操作系統(tǒng)抽象層)。OSAL為開(kāi)發(fā)者提供了任務(wù)切換、內(nèi)存管理等功能，在提升無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的同時(shí)大大降低了開(kāi)發(fā)難度。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以具有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如星型網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)裝網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)具體的需要可以在Z—Stack中進(jìn)行相應(yīng)的配置。在這些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)都是由協(xié)調(diào)器建立的，穿戴式傳感器終端節(jié)點(diǎn)在上電初始化后會(huì)自動(dòng)掃描信道尋找合適的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送入網(wǎng)信息，在得到確認(rèn)信息加入網(wǎng)絡(luò)后，立即進(jìn)入休眠模式，等待定時(shí)器喚醒采集傳感器信息。

具體說(shuō)來(lái)，穿戴式傳感器終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，在協(xié)議棧中設(shè)定COLLECT_INF0時(shí)間的為10 ms，定時(shí)10 ms的事件周期。由于體溫變化緩慢，具有大慣性特性，所以每100個(gè)事件周期讀取一次MLX90615的寄存器獲得體溫?cái)?shù)據(jù)，并將體溫顯示于LCD上。脈搏傳感器穩(wěn)定輸出的幅值大于2 V，脈寬在120～190 ms的尖峰脈沖代表了脈搏跳動(dòng)，因此每個(gè)事件周期內(nèi)都通過(guò)CC2530內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)脈搏傳感器的輸出進(jìn)行采樣。利用狀態(tài)機(jī)原理，當(dāng)連續(xù)監(jiān)測(cè)到12個(gè)采樣值大于2 V時(shí)，認(rèn)定為一次脈搏跳動(dòng)。最后通過(guò)在一段時(shí)間內(nèi)的脈搏計(jì)數(shù)算出受試者的脈搏，并將具體數(shù)值顯示在LCD上。最后，當(dāng)傳感器信息采集完成后，將數(shù)據(jù)打包，調(diào)用協(xié)議棧中提供的數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)AF_DataRequest()將數(shù)據(jù)發(fā)送到父節(jié)點(diǎn)。具體工作流程詳如圖5所示。

穿戴式傳感器終端還具有跌倒檢測(cè)報(bào)警的功能，這主要是依據(jù)文獻(xiàn)提出的跌倒檢測(cè)算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)加速度傳感器依次對(duì)人體跌倒時(shí)的3種關(guān)鍵特性(失重、撞擊和靜止)進(jìn)行識(shí)別，從而判斷人體跌倒。配置ADXL345的自由落體檢測(cè)中斷與活動(dòng)檢測(cè)中斷，并映射至中斷輸出引腳。系統(tǒng)檢測(cè)到相應(yīng)中斷后進(jìn)行判斷，若判斷為跌倒的情況，則立即向協(xié)調(diào)器發(fā)送報(bào)警指令，完成跌倒檢測(cè)報(bào)警。

4 系統(tǒng)測(cè)試與討論

根據(jù)本文的設(shè)計(jì)，制作了4個(gè)穿戴式傳感器終端節(jié)點(diǎn)，如圖6所示，其佩戴效果如圖7所示。為了模擬病房結(jié)構(gòu)，將該系統(tǒng)其布置于學(xué)生宿舍，并配置為星型網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過(guò)一周的試驗(yàn)，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，可以較準(zhǔn)確地獲得4位受試者的體溫、脈搏數(shù)據(jù)，能檢測(cè)出大部分的跌倒情況，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們也發(fā)現(xiàn)了本系統(tǒng)的許多不足，比如跌倒檢測(cè)不夠精確，存在誤報(bào)的情況，系統(tǒng)的電力不是十分充足，只能連續(xù)工作一周的時(shí)間，但是考慮到系統(tǒng)的成本、工藝等因素，在當(dāng)前的技術(shù)條件下已經(jīng)取得了不錯(cuò)的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以ZigBee無(wú)線通信技術(shù)和傳感器技術(shù)為核心，以相對(duì)低的成本實(shí)現(xiàn)了低生理、心理負(fù)荷下對(duì)人體體溫、脈搏、生理姿態(tài)的獲取。若該穿戴式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)能在醫(yī)院、養(yǎng)老院等機(jī)構(gòu)推廣開(kāi)來(lái)，可以提高病人、老人的生活質(zhì)量、減少醫(yī)護(hù)人員的工作量，同時(shí)為醫(yī)生的診斷提供更加豐富詳細(xì)的數(shù)據(jù)依據(jù)，具有較好的應(yīng)用前景。