基于無線傳感網(wǎng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研究

馮英偉 賈 濱 杜春梅

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口075000)

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國人口結(jié)構(gòu)的老齡化越來越明顯，老年人占我國總?cè)丝诘谋壤鹉晏岣撸夏耆说纳眢w健康和生命安全已經(jīng)成為社會的重要問題，如何為老年人提供良好的、安全的醫(yī)療監(jiān)護(hù)環(huán)境，已經(jīng)成為社會所關(guān)注的熱點(diǎn).鑒于此，研究用于家庭、社區(qū)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)勢在必行，遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)不但可以使患者在家里實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)和健康咨詢等，而且還能夠降低患者的醫(yī)療負(fù)擔(dān).由于傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)設(shè)備大多安置在床邊，不便于攜帶，限制了病人的自由移動(dòng)，并且傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備的系統(tǒng)擴(kuò)展性比較低，成本還比較高［1］.因此，最近幾年，對于無線通訊技術(shù)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的研究，特別對監(jiān)護(hù)系統(tǒng)提出了便于移動(dòng)的要求.在計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)技術(shù)交流和新醫(yī)療會診方式中的全新的技術(shù)體系.

2 關(guān)鍵技術(shù)ZigBee技術(shù)

20世紀(jì)90年代末，鑒于半導(dǎo)體技術(shù)、通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在大洋彼岸的美國發(fā)展了現(xiàn)代意義上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù).隨著短距離無線技術(shù)規(guī)范ZigBee出現(xiàn)以后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相關(guān)研究工作在世界上主要發(fā)達(dá)國家轟轟烈烈的開展起來，一些重要機(jī)構(gòu)也將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測為將會改變世界的重大新技術(shù).

ZigBee是基于802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的新興的短距離無線通訊技術(shù)［2］.ZigBee是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種延伸，同時(shí)ZigBee也是一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用無線連接技術(shù).ZigBee作為一種近距離、較低的復(fù)雜度、較低的功耗、較低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，在自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.ZigBee支持地理定位功能，非常適合用作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，ZigBee技術(shù)是家庭互聯(lián)、工廠自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、傳感網(wǎng)絡(luò)等的理想解決方案.

藍(lán)牙(Bluetooth)、無線局域網(wǎng)(Wi－Fi)和ZigBee都是目前使用較廣泛的近距離無線通信技術(shù)，它們都具有其各自的優(yōu)點(diǎn)，有的在傳輸速度、耗電量上性能優(yōu)越一些，有的在功能的擴(kuò)充性上效果更好，還有的是符合某些單一應(yīng)用的特別要求，相比于其它無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)如下:

(1)安全性特別好.由于ZigBee采用AES－128加密算法，同時(shí)ZigBee數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能也比較好，從而保障了數(shù)據(jù)的安全性.

(2)成本比較低廉.ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以成本大為降低，芯片模塊價(jià)格最終會控制在10元人民幣以下.

(3)從電池功耗上來看，zigBee無疑具有巨大的優(yōu)勢.無線局域網(wǎng)在數(shù)個(gè)小時(shí)之內(nèi)能耗就耗光了，藍(lán)牙能夠堅(jiān)持到幾天，而zigBee在低耗電待機(jī)模式下能夠達(dá)到幾年的壽命.

(4)ZigBee采用的全球通用2.4GHz免費(fèi)工作頻段.

(5)延時(shí)非常短.通常延時(shí)都在15～30毫秒之間.

(6)數(shù)據(jù)傳輸速率比較低，每秒能夠達(dá)到10～250兆字節(jié)，這樣的速率非常適用于低傳輸速率網(wǎng)絡(luò).

(7)ZigBee支持大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，最大可以達(dá)到216個(gè).

(8)從覆蓋距離上來看，藍(lán)牙覆蓋范圍最小，大約在10m左右，其次是無線局域網(wǎng)，覆蓋范圍能達(dá)到100m左右，而ZigBee的覆蓋范圍則要根據(jù)其實(shí)際發(fā)射的功率等因素而定，一般能夠達(dá)到100～300m之間.

鑒于ZigBee有以上的技術(shù)特點(diǎn)，使得ZigBee非常適合于遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng).人們要想在自己的家中或醫(yī)院自由活動(dòng)的狀態(tài)下時(shí)刻的得到醫(yī)療監(jiān)護(hù)，只要隨身攜帶了集成ZigBee技術(shù)和測量生理指標(biāo)的功能模塊就可以輕松實(shí)現(xiàn)了.

3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文提出的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是一種多層次網(wǎng)絡(luò)式體系結(jié)構(gòu)，即由醫(yī)療監(jiān)護(hù)基站和ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的一個(gè)監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò).ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)與醫(yī)療監(jiān)護(hù)基站之間構(gòu)成了無線個(gè)人傳感器網(wǎng)絡(luò)，而很多這樣的網(wǎng)絡(luò)就可以組成一般的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，甚至更大的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò).ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支持3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［3］，即星型、樹型和網(wǎng)狀型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).星型結(jié)構(gòu)由于其能耗比較小、規(guī)模也比較簡單，主要適用于近距離傳輸.網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在健壯性方面是最好的，但能量消耗較其它兩種結(jié)構(gòu)相比卻是最大的.樹型結(jié)構(gòu)既有星型結(jié)構(gòu)功耗低的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展范圍［4］.鑒于醫(yī)院的監(jiān)護(hù)范圍比較廣、節(jié)點(diǎn)傳感范圍有限，本文提出的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)選擇的是樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

本文所提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)組成.ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)中的中央處理器的主要功能就是對需要監(jiān)測的生命指標(biāo)進(jìn)行控制，并不斷的采集人體生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，還有中央處理器還會對某些醫(yī)療設(shè)備的狀況以及治療過程情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，實(shí)時(shí)的把數(shù)據(jù)傳送回去.在所要監(jiān)控的區(qū)域內(nèi)分布著大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)刻采集著諸如體溫、血壓、脈搏、血糖、血氧等有意義的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)沿著已經(jīng)建立好的路徑傳送給與傳感器連接的ZigBee無線通信模塊，再傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn).最后，控制和顯示單元中的信息處理模塊會對匯聚節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，同時(shí)將結(jié)果數(shù)據(jù)存人數(shù)據(jù)庫供檢索和回放.處理好的數(shù)據(jù)還可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至醫(yī)療監(jiān)護(hù)基站，為了便于專業(yè)醫(yī)療人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)觀察，還可以將有用的信息通過終端外接的3G模塊傳送到指定醫(yī)療人員的手機(jī)中，這樣為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)又提供了一個(gè)全新的視角.圖1中描述了該遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖.

4 結(jié)語

隨著技術(shù)的進(jìn)步，有線通信技術(shù)被無線通信技術(shù)所取代是未來發(fā)展的一個(gè)必然趨勢，特別是無線通信技術(shù)在傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中的應(yīng)用還有很大的發(fā)展空間.目前，無線通信技術(shù)的研究和應(yīng)用受到了全社會的廣泛關(guān)注，ZigBee技術(shù)的突出特點(diǎn)是功耗低、較低成本、延時(shí)短，同時(shí)ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力也是比較強(qiáng)的.鑒于ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)使得它主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域，其基本上能夠滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制方面的要求.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展以及人們對自身健康的重視程度的加強(qiáng)，ZigBee技術(shù)的市場應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益定會逐漸的顯現(xiàn)出來.

近年來，隨著我國老年人口的急劇增加，醫(yī)療資源的不足就逐漸的顯現(xiàn)出來，所以開發(fā)無線傳感網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的作用就顯得更加突出了.通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，基于無線傳感網(wǎng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能夠?yàn)榛颊吆褪褂谜咛峁┽t(yī)學(xué)信息、醫(yī)療會診、醫(yī)療監(jiān)護(hù)以及遠(yuǎn)程會診等服務(wù).當(dāng)下，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)高速發(fā)展，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)成為遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)技術(shù)交流、遠(yuǎn)程醫(yī)療會診和遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)方式中的全新的技術(shù)體系.相信在不久的將來，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)必將會成為一種重要的醫(yī)療手段.

［1］李志剛，周興社.傳感器網(wǎng)絡(luò)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2004

［2］ZigBee Alliance.ZigBee Specification［M］.2007

［3］李駿.ZigBee技術(shù)的樹簇網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009(6)

［4］黃慶南.基于ZigBee技術(shù)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)WSNs節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，9月