基于ZigBee可穿戴傳感器的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

　　為了實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備的微型化、醫(yī)療監(jiān)護(hù)的無(wú)線化，設(shè)計(jì)基于ZigBee 可穿戴傳感器的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，它能夠擴(kuò)大病人的活動(dòng)空間，減輕監(jiān)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，降低醫(yī)療費(fèi)用。系統(tǒng)采用病區(qū)/監(jiān)護(hù)中心兩層結(jié)構(gòu)，利用可穿戴傳感器采集病人體溫、脈搏等生理參數(shù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后送至無(wú)線通信模塊，最后由ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)護(hù)中心。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了病人生理參數(shù)，并與傳統(tǒng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，很好地實(shí)現(xiàn)了病人生理參數(shù)的采集、傳輸和顯示，符合設(shè)計(jì)要求。

　　0 引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)也取得了很大的進(jìn)步，但目前醫(yī)院的大部分醫(yī)療設(shè)備仍是基于傳統(tǒng)的有線方式，接線繁雜、體積笨重，設(shè)備不便于移動(dòng)，也不利于遠(yuǎn)程操作。同時(shí)，眾多附于病人身體的設(shè)備探頭，會(huì)造成病人的緊張情緒和心理負(fù)擔(dān)，使得檢測(cè)結(jié)果與真實(shí)情況存在一定偏差，影響病情的準(zhǔn)確診斷。針對(duì)目前大部分醫(yī)療設(shè)備接線繁雜、功能單一的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee 技術(shù)的可穿戴傳感器監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可穿戴傳感器采集病人生理參數(shù)后，由ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)護(hù)中心，供工作人員進(jìn)行進(jìn)一步分析。

　　1 ZigBee 簡(jiǎn)介

　　ZigBee 是一種無(wú)線通信技術(shù)，其協(xié)議基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議的結(jié)構(gòu)從下到上分別為物理層（ PHY） 、媒體訪問(wèn)控制層（ MAC） 、傳輸層（ TL） 、網(wǎng)絡(luò)層（ NWK） 和應(yīng)用層（ APL） 。目前，比較成熟的短距離無(wú)線通信技術(shù)，包括紅外（ IrDA） 、藍(lán)牙（ Bluetooth） 、Wi-Fi 等，都有自己的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。但針對(duì)醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域，ZigBee 有著無(wú)可代替性，其最大優(yōu)勢(shì)在于組網(wǎng)方便，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，且網(wǎng)絡(luò)規(guī)模極大，完全能夠滿足對(duì)若干病人進(jìn)行監(jiān)護(hù)和管理的要求。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用病區(qū)/監(jiān)護(hù)中心兩層結(jié)構(gòu)，分布在病區(qū)的可穿戴傳感器利用敏感元件采集病人生理參數(shù)，通過(guò)ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器將接收的數(shù)據(jù)傳輸至與之相連的上位機(jī)，系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

　　圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件主要由無(wú)線傳感器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和上位機(jī)三個(gè)部分組成。無(wú)線傳感器負(fù)責(zé)采集病人生理參數(shù)和數(shù)據(jù)發(fā)送； 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收以及與上位機(jī)通信； 上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示。

　　3.1 無(wú)線傳感器

　　如圖2 所示，無(wú)線傳感器主要包括敏感元件、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線通信模塊和電源模塊。敏感元件負(fù)責(zé)采集病人生理參數(shù)； 數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以符合單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求； 無(wú)線通信模塊由51 單片機(jī)和射頻芯片組成，負(fù)責(zé)整個(gè)傳感器的任務(wù)分配與調(diào)度、數(shù)據(jù)整合與傳輸?shù)取?/p>

　　圖2 無(wú)線傳感器結(jié)構(gòu)圖

　　3.1.1敏感元件與數(shù)據(jù)處理模塊

　　本系統(tǒng)集成了多種醫(yī)療監(jiān)護(hù)傳感器，可以測(cè)量體溫、脈搏、血氧、血壓等生理參數(shù)。限于篇幅，本文以脈搏為例，闡述整個(gè)系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方法。脈搏測(cè)量的基本原理是： 人體組織（ 手指） 的半透明度會(huì)隨著心臟的搏動(dòng)而發(fā)生周期性的改變。當(dāng)血液送到人體組織時(shí)，組織的半透明度減小； 當(dāng)血液回流回心臟，組織的半透明度增大。因此，本系統(tǒng)的脈搏采集模塊用紅外發(fā)射二極管產(chǎn)生的紅外線照射到手指，然后用另一側(cè)的接收三極管來(lái)捕捉通過(guò)手指的光信號(hào)強(qiáng)度，接收管的反向電流與發(fā)射管的光照強(qiáng)度成線性關(guān)系，這樣可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（ 電流） 。

　　信號(hào)采集使用的敏感元件是紅外發(fā)射二極管IR928－6C 和與之配對(duì)的光敏三極管PT928－6C，具有低工作電壓、高穩(wěn)定性、高可靠性等特點(diǎn)。如圖3 所示，通過(guò)電阻R16 將流過(guò)二極管的電流控制在20 mA左右，根據(jù)接收的光信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電流（ mA 級(jí)） ，通過(guò)負(fù)載電阻R17 轉(zhuǎn)換成電壓，人體脈搏大概是50 ～200 次/min，對(duì)應(yīng)的頻率約為0.83 ～ 3.34 Hz，屬于低頻信號(hào)，電路中采用R17 和C14 來(lái)完成濾除高頻干擾的任務(wù)。

　　圖3 信號(hào)采集電路

　　由于人體電信號(hào)具有阻抗高、信號(hào)弱、頻率低等特點(diǎn)且處于嚴(yán)重的背景噪聲之中，因此需要對(duì)采集轉(zhuǎn)化的電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，這既為了保證信號(hào)最大程度的保真性，也方便后續(xù)進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

　　如圖4 所示，數(shù)據(jù)處理電路包括信號(hào)濾波放大和整形兩個(gè)環(huán)節(jié)。

　　圖4 數(shù)據(jù)處理電路

　　濾波放大環(huán)節(jié)中，首先使用C15、C16 背靠背串聯(lián)組成的雙極性耦合電容構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的光電隔離電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)于外部干擾光線的隔離并設(shè)計(jì)了由LM324A、R18、C17 組成的低通濾波器，截止頻率約為，可進(jìn)一步去除高頻干擾信號(hào)。由于采集轉(zhuǎn)化的脈搏電信號(hào)（ 電壓） 比較小，一般在mV 級(jí)，通過(guò)R18 和R23 構(gòu)成的放大器把采集的脈搏信號(hào)放大200 倍左右，已達(dá)到V 級(jí)。

　　整形環(huán)節(jié)中，信號(hào)通過(guò)比較器LM324B 將正弦波轉(zhuǎn)換成方波，利用R30 電位器可以實(shí)現(xiàn)將比較器的閾值調(diào)定在系統(tǒng)工作電壓范圍內(nèi)。接下來(lái)，從LM324B 的引腳輸出的方波信號(hào)經(jīng)C19、R25 構(gòu)成的微分電路處理成為正負(fù)相間的尖脈沖。LM324D 提供參考電壓，再經(jīng)過(guò)LM324C 之后就變成系統(tǒng)所需的標(biāo)準(zhǔn)脈搏脈沖信號(hào)了。最后將脈沖信號(hào)送到無(wú)線通信模塊。

　　3.1.2 無(wú)線通信模塊

　　無(wú)線傳輸模塊采用TI 公司的高集成度的片上系統(tǒng)（ System on chip，SOC） 芯片CC2530，其內(nèi)部集成了1個(gè)高性能的ＲF 射頻收發(fā)器和1 個(gè)增強(qiáng)型的低功耗8051 微控制器內(nèi)核，它具有較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離和較強(qiáng)的抗干擾能力。8051 作為基礎(chǔ)芯片，價(jià)格低廉，這樣就大大降低了產(chǎn)品研發(fā)的難度和成本； 同時(shí)，可以用C51 程序代碼進(jìn)行軟件的開發(fā)，這樣也就極大地縮短了產(chǎn)品研發(fā)的周期。

　　3.1.3 電源模塊

　　電源模塊為可穿戴傳感器提供能量。受體積限制且設(shè)備不能頻繁更換電池，必須采取一系列有效措施降低能耗，以保證醫(yī)療節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的續(xù)航能力。鋰電池自放電率低，放電電壓平緩的特點(diǎn)符合系統(tǒng)對(duì)電源的要求，故采用可充電的鋰電池對(duì)可穿戴傳感器供電。但系統(tǒng)正常工作時(shí)，數(shù)據(jù)處理模塊工作電壓是3.3 V，傳感器工作在5 V，電源需要經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換后才能應(yīng)用到系統(tǒng)中。在電壓轉(zhuǎn)換中，利用MC7805 穩(wěn)定輸出5 V 電壓，利用AMS1117 穩(wěn)定輸出3.3 V 電壓。如圖5所示。

　　圖5 電源模塊