基于ZigBee的穿戴式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)

明 軒，徐玉炎， 張 瑞， 李奇越，孫秀麗

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.山東省泰安榮軍醫(yī)院 山東 泰安 271000）

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，增加了病人的生理和心理負(fù)擔(dān)，已經(jīng)越來越不能滿足當(dāng)今實時、連續(xù)、長時間地監(jiān)測病人體征參數(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)正越來越受到人們的關(guān)注[1]，本文就針對穿戴式醫(yī)療系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，應(yīng)用ZigBee技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種穿戴式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)節(jié)點，該節(jié)點能夠?qū)崟r獲取人體體溫、脈搏、身體姿態(tài)等信息并以無線的方式傳送至協(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

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建。圖1為一個典型的基于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)[2]。穿戴式傳感器終端實時采集人體的重要生理信號，經(jīng)過簡單處理后發(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，最后匯聚節(jié)點將網(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)中心計算機，供醫(yī)護(hù)人員查看、分析。本文的重點是介紹該網(wǎng)絡(luò)中的穿戴式傳感器終端的設(shè)計。

圖1 典型的基于ZigBee的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)Fig.1 Classic ZigBee-based medical monitoring system

2 穿戴式傳感器終端節(jié)點的硬件設(shè)計

2.1 穿戴式傳感器節(jié)點系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

穿戴式傳感器節(jié)點以網(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增強型8051內(nèi)核的單片機，可以運行TI的Z-Stack協(xié)議棧，為系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計提供了極大的便利[3]。

考慮到測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量傳感器MLX90615檢測人體體溫，使用反射式脈搏傳感器模塊獲取人體脈搏數(shù)據(jù)。同時，系統(tǒng)使用ADXL354加速度計實時檢測人體姿態(tài)，對于跌倒等意外情況及時發(fā)送報警信息。

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

圖2 穿戴式傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of wearable sensor nod

2.2 電源設(shè)計

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，考慮到穿戴式傳感器節(jié)點在電池電量耗盡時應(yīng)盡快恢復(fù)工作，系統(tǒng)選用了便于更換的7號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10 μF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

系統(tǒng)采用非接觸式人體紅外溫度測量傳感器MLX90615檢測人體體溫，該傳感器由Melexis設(shè)計生產(chǎn)，具有極高的測量精度。該傳感器為TO-39封裝，其中集成了對紅外靈敏的熱電堆探測器芯片和信號處理ASSP（專用集成電路）芯片，能夠通過基于I2C總線規(guī)范的SMBus接口直接輸出溫度數(shù)字量，從而極大簡化了系統(tǒng)電路設(shè)計。該傳感器外圍電路設(shè)計如圖3所示，VCC為芯片提供所需的3.3 V工作電壓，同時為減小外界信號的干擾，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和時鐘線SCL分別通過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，故采用模擬通信時序的方式讀寫MLX90615的RAM和EEPROM，從而得到人體體溫數(shù)據(jù)。

圖3 MLX90615原理圖Fig.3 Schematic of MLX90615

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

圖4 反射式脈搏傳感器模塊原理圖Fig.4 Schematic of pulse sensor module

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)計上緊貼人眼的光譜響應(yīng)曲線，對于波長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，通過一個12 kΩ的電阻進(jìn)行I/V變換，得到的信號進(jìn)入無源低通濾波網(wǎng)絡(luò)，濾除高頻干擾后經(jīng)過一個基準(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，通過對信號的分析計算，獲得受試者的脈搏。

系統(tǒng)采用ADXL345加速度傳感器來實時檢測人的姿態(tài)，對于跌倒等情況能及時報警。ADXL345三軸加速度傳感器測量范圍達(dá)±16 g，具有3.9 mg/LSB的高分辨率，同時具有許多特殊檢測功能，如活動非活動檢測、敲擊檢測、自由落體檢測等，而這些功能可以映射到兩個中斷輸出引腳中，從而為系統(tǒng)的低功耗設(shè)計提供了極大的便利。ADXL345與MLX90615一樣使用I2C總線通信，其數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL分別連接于CC2530的P0.1和P0.0引腳上，因為其器件地址與MLX90615不同，CC2530在與他們通信時并不會產(chǎn)生干擾。

2.4 人機接口電路設(shè)計

穿戴式傳感器節(jié)點可以通過LED指示燈、按鍵、Nokia 5110 LCD與受試者進(jìn)行簡單的交互。其中，LED用來顯示脈搏的跳動，按鍵用來執(zhí)行簡單的設(shè)定，Nokia 5110 LCD用來顯示受試者的脈搏、體溫等基本信息。兩顆LED使用驅(qū)動能力較強的P1.0、P1.1引腳直接驅(qū)動，兩枚按鍵經(jīng)過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)點的軟件設(shè)計

穿戴式傳感器終端節(jié)點使用TI公司的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0協(xié)議棧開發(fā)，該協(xié)議棧在實現(xiàn)了ZigBee協(xié)議基本功能的基礎(chǔ)上，提供了一個基于事件驅(qū)動的輪詢式操作系統(tǒng)，稱為 OSAL（Operating System Abstraction Layer，操作系統(tǒng)抽象層）。OSAL為開發(fā)者提供了任務(wù)切換、內(nèi)存管理等功能，在提升無線傳感器網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的同時大大降低了開發(fā)難度[5]。

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)點在上電初始化后會自動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，等待定時器喚醒采集傳感器信息。

具體說來，穿戴式傳感器終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，在協(xié)議棧中設(shè)定COLLECT_INFO時間的為10 ms，定時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個事件周期讀取一次MLX90615的寄存器獲得體溫數(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，因此每個事件周期內(nèi)都通過CC2530內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器對脈搏傳感器的輸出進(jìn)行采樣。利用狀態(tài)機原理，當(dāng)連續(xù)監(jiān)測到12個采樣值大于2 V時，認(rèn)定為一次脈搏跳動。最后通過在一段時間內(nèi)的脈搏計數(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。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報警的功能，這主要是依據(jù)文獻(xiàn)[6]提出的跌倒檢測算法進(jìn)行實現(xiàn)的，通過加速度傳感器依次對人體跌倒時的3種關(guān)鍵特性（失重、撞擊和靜止）進(jìn)行識別，從而判斷人體跌倒。配置ADXL345的自由落體檢測中斷與活動檢測中斷，并映射至中斷輸出引腳。系統(tǒng)檢測到相應(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)送報警指令，完成跌倒檢測報警。

4 系統(tǒng)測試與討論

根據(jù)本文的設(shè)計，制作了4個穿戴式傳感器終端節(jié)點，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)過一周的試驗，該系統(tǒng)運行良好，可以較準(zhǔn)確地獲得4位受試者的體溫、脈搏數(shù)據(jù)，能檢測出大部分的跌倒情況，基本達(dá)到了設(shè)計要求。

圖5 軟件設(shè)計流程圖Fig.5 Flow chart of software design

圖6 穿戴式傳感器終端節(jié)點Fig.6 The real picture of wearable sensor node

圖7 穿戴式傳感器終端節(jié)點佩戴圖Fig.7 The real picture of a working wearable sensor node

但是通過實驗，我們也發(fā)現(xiàn)了本系統(tǒng)的許多不足，比如跌倒檢測不夠精確，存在誤報的情況，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)取得了不錯的效果。

5 結(jié)束語

本設(shè)計以ZigBee無線通信技術(shù)和傳感器技術(shù)為核心，以相對低的成本實現(xiàn)了低生理、心理負(fù)荷下對人體體溫、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)點能在醫(yī)院、養(yǎng)老院等機構(gòu)推廣開來，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。

[1]王子洪.基于WSN穿戴式系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2012，27（2）：62-65.WANG Zi-hong.Status and prospects of wearable system based on WSN[J].China Medical Devices，2012，27（2）:62-65.

[2]Adams J T.An introduction to IEEE STD 802.15.4[C]//Aerospace Conference， 2006 IEEE.IEEE，2006:8.

[3]Texas Instruments.CC253x System-on-Chip Solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications User's Guide[EB/OL].[2009-04-01].http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=swru191.

[4]Joel M，Yury G.Pulse Sensor Open Hardware[EB/OL].[2012-3-12].http://pulsesensor.myshopify.com/pages/openhardware.

[5]王小強，歐陽駿，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[6]陳均，王憶文.基于ZigBee的定位和人體跌倒檢測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（12）:29-31.CHEN Jun，WANG Yi-wen.ZigBee-based localization and human fall detection system[J].Application of Integrated Circuits，2012，38（12）:29-31.