基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)

續(xù)嶺嶺,楊景常,郝明剛

（西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院,四川 成都 610039）

目前的家庭監(jiān)護儀主要基于紅外、藍牙等無線傳輸模式，但基于這些技術(shù)的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)存在著無線輻射的安全性、無縫漫游和無線網(wǎng)絡(luò)成本等不足之處[1]。ZigBee技術(shù)是一種新興的低功耗、低復(fù)雜度、通信可靠、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸，它的出現(xiàn)為傳感器信號的無線傳輸提供了新的解決方案。本文設(shè)計的正是一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)，心電監(jiān)護儀通過ZigBee技術(shù)組建的高可靠無線數(shù)據(jù)傳輸平臺將采集到的患者心電數(shù)據(jù)傳送到醫(yī)療服務(wù)中心，達到對患者進行實時監(jiān)護、實時醫(yī)療指導(dǎo)的目的。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定、可靠、組網(wǎng)靈活的特點。

1 社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計方案

社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)主要包括心電監(jiān)護儀和社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸信道。其中心電監(jiān)護儀主要完成患者心電數(shù)據(jù)的采集、一次存儲以及心電波形圖的顯示等；社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸信道主要完成心電監(jiān)護儀與醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)之間的無線通信，即患者和醫(yī)護人員之間的信息交互[2]。本系統(tǒng)主要分為三部分。

第一部分由若干個基于ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊的心電監(jiān)護儀組成，主要是對患者進行實時監(jiān)護，負責(zé)采集、一次存儲患者的心電數(shù)據(jù)以及出現(xiàn)突發(fā)情況時的警報;而ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊主要負責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸并通過第二部分，也就是由ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的社區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)（即第三部分），由專業(yè)的醫(yī)護人員對采集到的心電數(shù)據(jù)進行二次存儲，并對患者提供相關(guān)的醫(yī)療服務(wù)，達到遠程監(jiān)護的目的。

2 心電監(jiān)護儀的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)中對心電監(jiān)護儀進行模塊化的設(shè)計方式，完成對患者心電數(shù)據(jù)的采集、一次存儲以及心電波形圖的顯示，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.1 采集電路的設(shè)計

人體心電信號的主要頻率是0.05 Hz～100 Hz,幅度是0～4 mV,信號十分微弱，再加上50 Hz的工頻干擾，使得心電的采集比較復(fù)雜[3]。為了有效地采集到心電信號，將經(jīng)過前置放大電路放大后的心電信號送到0.05 Hz的高通濾波器和100 Hz的低通濾波器進行濾波處理，再將通過濾波處理后的心電信號送到50 Hz陷波器進行處理，消除 50 Hz工頻信號[4]，實現(xiàn)消除噪音的目的，得到較為理想的波形。

其中50 Hz陷波是設(shè)計的重點,采用TI公司的OPA2137運算放大器進行雙T陷波電路的設(shè)計，圖2是50 Hz陷波的設(shè)計電路。經(jīng)過測試，該電路能夠很好地抑制50 Hz工頻干擾。

2.2 心電數(shù)據(jù)的存儲

SD卡（Secure Digital Memory Card）是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代外接存儲設(shè)備，擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性等優(yōu)點，支持SPI傳輸模式。本設(shè)計采用SPI模式，在完成對其讀寫的基礎(chǔ)上植入文件系統(tǒng)FAT32對采集到的心電數(shù)據(jù)進行存儲。

2.3 心電波形的顯示

本設(shè)計采用TFT320×240液晶顯示屏設(shè)計簡單的人機交互界面，幫助患者操作心電監(jiān)護儀。顯示界面主要包括心電波形圖、心電監(jiān)護儀的工作狀態(tài)以及SD卡存儲狀態(tài)；顯示形式有字母、數(shù)字字符、中文字型及圖形等，并且根據(jù)不同情景設(shè)置了不同的顯示方式，如實時顯示、從過去某一時刻開始顯示以及顯示周期可調(diào)等。

3 社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)通信信道的設(shè)計

社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)的關(guān)鍵是信息的遠程交換，即患者在家中與醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)之間的信息交換。

本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)組建無線網(wǎng)絡(luò)，并將其作為信息遠程交換的通信網(wǎng)絡(luò)平臺。包括心電監(jiān)護儀與ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊之間的通信和ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊與醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)之間的通信兩大部分。

3.1 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊與醫(yī)療中心機構(gòu)的通信

ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊與醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)之間的通信就是ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊之間的數(shù)據(jù)交換。每個傳輸模塊之間的傳輸距離可達2 000 m，傳輸速度可達 115 200 b/s，發(fā)送模式靈活，節(jié)點類型（中心節(jié)點、路由節(jié)點、終端節(jié)點）可任意設(shè)置。在社區(qū)里，每棟單元樓對無線信號傳輸?shù)母蓴_較大，因此為了保證數(shù)據(jù)傳輸在單元樓之間的順暢，進而保證整個網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定，減小建筑物對網(wǎng)絡(luò)信號的干擾，增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,本設(shè)計將放置在單元樓頂層空曠處的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)置為中繼或者終端節(jié)點。醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)置為中心節(jié)點，通過RS232與醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)的數(shù)據(jù)庫連接起來進行交互[5]。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的MESH網(wǎng)狀網(wǎng)作為整個社區(qū)的無線通信信道。

3.2 心電監(jiān)護儀與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的通信

心電監(jiān)護儀通過ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的社區(qū)無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)的遠程通信，組成了社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)。心電監(jiān)護儀與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)有兩種不同的連接方式[6]。方式一：每棟單元樓用戶的心電監(jiān)護儀通過RS485總線方式與單元樓頂層的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊連接，接入社區(qū)無線通信網(wǎng)絡(luò)；方式二：每棟單元樓每個用戶的心電監(jiān)護儀通過ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊與單元樓頂層的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊組成星型網(wǎng)，進而接入社區(qū)無線通信網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)采用方式二建立社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)。

在整個系統(tǒng)中，用戶端的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)置為終端節(jié)點，單元樓頂層的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)置為中心節(jié)點，它們之間組成星型網(wǎng)絡(luò)；而整個系統(tǒng)中單元樓頂層的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)置為中繼節(jié)點，醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)置為中心節(jié)點組成網(wǎng)狀網(wǎng)；醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊通過RS232與醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)的數(shù)據(jù)庫連接，這樣心電監(jiān)護儀接入ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的無線通信網(wǎng)絡(luò)，完成患者與醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)之間的無線通信。

4 社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)的軟件設(shè)計

社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括心電監(jiān)護儀(從機)的設(shè)計和醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)上位機(主機)的設(shè)計。

4.1 心電監(jiān)護儀的軟件設(shè)計

心電監(jiān)護儀的軟件設(shè)計主要包括心電數(shù)據(jù)的采集、存儲以及心電波形圖的顯示等。設(shè)計流程圖如圖3所示。該設(shè)計使用MSP430F149單片機片內(nèi)集成的ADC模塊進行A/D轉(zhuǎn)換采集，然后將采集到的心電數(shù)據(jù)存儲在SD卡中并通過液晶實時顯示出心電波形圖。本設(shè)計采用單通道多次采樣方式，采集工作于中斷方式，由片內(nèi)定時器觸發(fā)，通過定時器控制采樣頻率[7]。在患者出現(xiàn)突發(fā)情況或者心電監(jiān)護儀（從機）需要將存儲的心電數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)療服務(wù)機構(gòu) （主機）時，采用串行中斷，使心電監(jiān)護儀與醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)進行信息的無線傳輸[8]。

4.2 醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)上位機的軟件設(shè)計

醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)上位機是社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)的核心，它對患者的心電數(shù)據(jù)進行二次存儲，方便醫(yī)護人員分析患者的病情給出康復(fù)指導(dǎo)，接收心電監(jiān)護儀的報警并且及時提示給醫(yī)護人員使得患者得到及時的治療指導(dǎo)。使用圖形化的編輯語言Lab-VIEW編寫程序，實現(xiàn)醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)對患者的監(jiān)護。圖4是本上位機的程序流程圖。

5 系統(tǒng)測試

為了對系統(tǒng)的性能進行測試，在實驗室通過心電監(jiān)護儀采集人體的心電信號并同時把采集到的數(shù)據(jù)保存在SD卡中，加入手機的通信干擾，10 s以后通過按鍵操作將SD卡中的數(shù)據(jù)傳送到上位機，并且在上位機顯示出心電波形圖。

通過現(xiàn)場的測試結(jié)果表明：上位機和心電監(jiān)護儀之間的數(shù)據(jù)通信可靠、安全、抗干擾能力強；并且滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、高效性的要求。

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