基于ZigBee的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)

【摘要】針對我國醫(yī)療資源緊缺及預(yù)防治療體系不完善的現(xiàn)狀，本文提出了一種基于ZigBee的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由生理信息采集傳感器節(jié)點(diǎn)，CPU處理模塊，ZigBee模塊，家庭網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成，可將測量到的各種生理信號后通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸至醫(yī)院醫(yī)療監(jiān)護(hù)中心，實(shí)時(shí)監(jiān)控，給醫(yī)療監(jiān)控及治療提供了可行的解決方案，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】Zigbee;遠(yuǎn)程醫(yī)療;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);家庭網(wǎng)關(guān)

1.引言

我國老年人口的日益增多，中青年人群工作壓力的不斷增大，導(dǎo)致了各種慢性疾病的蔓延，人們逐漸意識到健康的重要性，而很多的慢性病形成是由于長時(shí)間的生活習(xí)慣不科學(xué)及生活工作環(huán)境不健康所導(dǎo)致的。通常要康復(fù)慢性病需要進(jìn)行長期的跟蹤治療，可是由于病人工作時(shí)間及工作地點(diǎn)的限制，大量病人不可能長時(shí)間留在醫(yī)療機(jī)構(gòu)接受治療，因?yàn)檫@樣即加重了病人往返醫(yī)院的時(shí)間經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)也增加了病人因病而來的負(fù)面情緒。特別是有些慢性病（如心腦血管疾?。┬枰O(jiān)測發(fā)病時(shí)的生理參數(shù)，但病人入院復(fù)診時(shí)未必發(fā)病，影響了診斷的有效性和準(zhǔn)確性。此外多數(shù)的病人具有自由活動的能力，但目前的監(jiān)護(hù)方式使得病人被束縛于醫(yī)院和病床。如何能讓被監(jiān)護(hù)者及時(shí)、方便的就醫(yī)，盡可能的享受到更多的醫(yī)療資源，甚至在家中就能享受完善的醫(yī)療監(jiān)控，這些都成為了社會和醫(yī)療領(lǐng)域共同關(guān)注的焦點(diǎn)[1]-[3]。

本文提出的基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，采用生理傳感器數(shù)據(jù)檢測與遠(yuǎn)程無線傳輸?shù)姆椒?，給醫(yī)療監(jiān)控及治療的研究提供了可行的解決方案。

2.系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本文研究對象是醫(yī)院對居民小區(qū)病人實(shí)施的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，整套遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可由三部分組成，分別是：生理參數(shù)采集、傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控。如圖1所示為方案設(shè)計(jì)框圖，本設(shè)計(jì)使用無線傳感器來采集病人的生理參數(shù)信息，通過 ZigBee 無線通信方式將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至具有協(xié)調(diào)器功能的家庭網(wǎng)關(guān)，家庭網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)處理后通過小區(qū)無線局域網(wǎng)傳輸至醫(yī)院醫(yī)療監(jiān)護(hù)中心，實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 基于Zigbee的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 生理信息采集傳感器節(jié)點(diǎn)的組成

生理信息采集傳感器節(jié)點(diǎn)，其功能是采集人體生理信息數(shù)據(jù)，采用無線網(wǎng)絡(luò)的通信，將數(shù)據(jù)傳輸至橋接協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。如圖2所示，該節(jié)點(diǎn)按功能劃分主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、ZigBee通信模塊數(shù)據(jù)傳輸模塊、CPU處理模塊和電源模塊。

圖2 生理信息采集傳感器節(jié)點(diǎn)組成框圖

3.2 生理信息采集傳感器選擇

生理信息包含多種數(shù)據(jù)，如呼吸、脈搏、體溫、血壓、血氧飽和度、心電圖等，需要多種傳感器來一一實(shí)現(xiàn)。其中，脈搏信息采集模塊采用了HKG-07A紅外脈搏傳感器，HKG-07A紅外脈搏傳感器利用紅外線檢測由于心臟跳動而引起的手指尖內(nèi)微血管容積發(fā)生的變化，經(jīng)過信號放大、調(diào)理、整形輸出同步于脈搏跳動的脈沖信號，從而計(jì)算出脈率;呼吸信息采集模塊采用了HKH-11C呼吸波傳感器，該傳感器采用壓電材料在人體腑部檢測人呼吸產(chǎn)生的腑部收縮和舒張壓力的變化。經(jīng)過前置 放大、信號調(diào)理、幅度調(diào)整、AD等電路，輸出呼吸波形數(shù)據(jù);血氧飽和度信息采集模塊采用了SWS01，該模塊完全參考進(jìn)口 BCI 血氧板制造，能夠快速、準(zhǔn)確地測量血氧飽和度和脈率，采取屏蔽措施抗高頻干擾，讀數(shù)極為穩(wěn)定，滿足ICU，CCU和麻醉手術(shù)應(yīng)用，符合FDA和CE要求的電氣安全設(shè)計(jì)，單電源5V供電工作，低功耗設(shè)計(jì)，簡單的串口連接，易于集成[4]。

圖3對這三種數(shù)據(jù)采集傳感器的硬件進(jìn)行了展示，其中圖3（a）為脈搏信息采集節(jié)點(diǎn)，圖3（b）為呼吸信息采集節(jié)點(diǎn)，圖3（c）為血氧飽和度信息采集節(jié)點(diǎn)。

圖3 生理信息采集傳感器

3.3 生理信息采集終端CPU信號處理模塊

考慮到低功耗、高性能及高可靠性的需要，生理信息采集終端CPU信號處理模塊，采用了ATMEL公司的ATMEGA128L芯片。該芯片是在AVR RISC架構(gòu)的基礎(chǔ)上所設(shè)計(jì)的8位低功耗CMOS微處理器。由于該芯片先進(jìn)的指令集和單周期指令執(zhí)行所用時(shí)間較短，ATMEGA128L的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，因此能很好的解決系統(tǒng)在功耗和處理數(shù)據(jù)速度之間的矛盾。

3.4 ZigBee通信模塊設(shè)計(jì)

ZigBee通信模塊的功能由Chipcon公司的CC2420射頻芯片完成。該芯片將傳感器采集到的生理信息運(yùn)用ZigBee無線傳輸協(xié)議發(fā)送出去，由家庭網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收后再通過無線局域網(wǎng)上傳給醫(yī)院的終端服務(wù)器。CC2420是TI公司開發(fā)的首款符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz射頻芯片，集成了所有ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可快速應(yīng)用到ZigBee產(chǎn)品，其工作頻帶為免授權(quán)的2.4G頻帶，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)250kbp/s，硬件支持CSMA/CA功能，傳輸距離最大為100m，內(nèi)部集成可用于實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)測距功能的數(shù)字RSSI模塊、電源監(jiān)控和信道變換等功能模塊，包含硬件MAC和CRC自動校驗(yàn)處理，具有非常高的接收靈敏度[5]。該器件是第一款適用ZigBee產(chǎn)品的RF器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的功耗和敏感性等指數(shù)超過了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性[6]。圖4給出了一個CC2420外圍電路的實(shí)例[1]，各元器件的推薦值如圖4所示。

圖4 CC2420的外圍電路設(shè)計(jì)

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 生理信息采集傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)[7]

圖5 生理信息采集傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)包括ZigBee協(xié)議棧和節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序兩個方面，其中ZigBee協(xié)議棧是為了實(shí)現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信的功能而設(shè)計(jì)的，而節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序是為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的具體功能而設(shè)計(jì)的。圖5是傳感器節(jié)點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的功能。用戶打開家庭網(wǎng)關(guān)和傳感器終端節(jié)點(diǎn)的電源。傳感器節(jié)點(diǎn)便會自動搜索是否存在網(wǎng)絡(luò)，若發(fā)現(xiàn)存在網(wǎng)絡(luò)的話，便會主動發(fā)出與網(wǎng)關(guān)通信的請求。成功通信后，傳感器節(jié)點(diǎn)便會將自身的地址信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)也會將自身的地址發(fā)給傳感器節(jié)點(diǎn)，兩者在私有協(xié)議的基礎(chǔ)上完成點(diǎn)對點(diǎn)通信。傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)主要是采集到的脈搏信息、對網(wǎng)關(guān)命令的回復(fù)以及節(jié)點(diǎn)的地址數(shù)據(jù)。

4.2 家庭網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)生理信息采集模塊采集到的數(shù)據(jù)接收和處理，然后發(fā)送到無線局域網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)的思路是先把ZigBee數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化為TCP/IP數(shù)據(jù)包，通過INTERNET網(wǎng)傳送到遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)構(gòu)。具體轉(zhuǎn)化過程是：無線網(wǎng)絡(luò)中的生理信息采集模塊通過ZigBee協(xié)議把采集到的信息打包，然后通過ARP（地址解析協(xié)議）解析出該模塊的網(wǎng)絡(luò)MAC地址，確定了模塊物理地址后再把數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序，經(jīng)分析后再同過SOCKET套接字把數(shù)據(jù)通過INTERNET網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)構(gòu)[8]。

5.實(shí)驗(yàn)測試

本系統(tǒng)把生理信息采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，由ZigBee協(xié)議通信將數(shù)據(jù)包通過家庭網(wǎng)關(guān)再傳到無線局域網(wǎng)，最終通過INTERNET把數(shù)據(jù)顯示在遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)構(gòu)的上位機(jī)上。圖6顯示了對實(shí)驗(yàn)病人的脈搏進(jìn)行檢測并在監(jiān)護(hù)終端電腦上通過測試界面程序顯示數(shù)據(jù)的情況。

圖6 遠(yuǎn)程電腦上顯示脈搏測量曲線

6.結(jié)束語

本文應(yīng)用基于ZigBee傳輸協(xié)議的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建了一個家庭單元-居民社區(qū)-遠(yuǎn)程醫(yī)院的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)，并初步完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有高可靠的信息傳輸性能，能實(shí)時(shí)的傳輸無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的生理信息數(shù)據(jù)，方便了醫(yī)院對于病人生理狀態(tài)的監(jiān)控，從而做出正確的診斷結(jié)論，非常具有實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]王守利.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)的研制.哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文.哈爾濱理工大學(xué)，2009： 1-2.

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[4]http：//www.biotester.com/Products/DigiSat.htm.

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[6]董挺挺，沙超，王汝傳.基于 CC2420 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].電子工程師，2007，33（4）：67-70.

[7]劉建.基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與研究.西安.西安科技大學(xué)碩士論文.西安科技大學(xué)，2011： 39.

[8]楊順，章毅，陶康.基于ZigBee和以太網(wǎng)的無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用.2010（19）.

基金項(xiàng)目：廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院2012年院級科研項(xiàng)目（【2012】KY004）。

作者簡介：

盧錦川（1984—），女，壯族，廣西南寧人，碩士，廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程師。

陳衛(wèi)國（1983—），男，河南孟州人，碩士，廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程師。