基于WBAN的多參數(shù)健康監(jiān)護系統(tǒng)研究與設計

李建輝　劉暢　王彩申　王強強

摘 要： 針對家庭健康監(jiān)護設備可穿戴、易用性的基本特征需求，提出一種基于WBAN實現(xiàn)的生命體征多參數(shù)監(jiān)測。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)中心、監(jiān)測節(jié)點、智能終端融合多種無線通信網(wǎng)絡構成。監(jiān)測節(jié)點通過ZigBee網(wǎng)絡采集心電、血壓、體溫監(jiān)測節(jié)點信號，同時在本地儲存和實時顯示；設計智能終端專用APP軟件，通過藍牙獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并基于公網(wǎng)上傳到數(shù)據(jù)服務中心和監(jiān)護人。測試比對結果表明，該系統(tǒng)能獲得與醫(yī)療級別監(jiān)護設備相當?shù)纳w征監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過多種無線通信方式融合和嵌入式技術應用，有效地減小了硬件體積，提高了可穿戴性能，有助于體征數(shù)據(jù)全面監(jiān)控和管理，為家庭健康監(jiān)護應用提供了一條有效途徑。

關鍵詞： 無線體域網(wǎng)； 穿戴式設備； ZigBee； 藍牙網(wǎng)關； 健康監(jiān)護

中圖分類號： TN915?34； TN99 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0149?03

Abstract： Aiming at the demands for wearability and usability essential features of the home health monitoring device， a vital signs multi?parameter health monitoring system based on WBAN is proposed. The system is composed of the data center， monitoring node， intelligent terminal fusing multiple wireless communication networks. The signals of ECG， blood pressure， body temperature monitoring nodes are acquired through ZigBee network， stored in local， and displayed in real time. The APP software dedicated to the intelligent terminal is designed， which can acquire the monitoring data through Bluetooth， and upload the data via public network to data service center and guardian. The test and comparison results show that the system can acquire the vital signs monitoring data considerable with the medical grade monitoring device. The system can reduce the hardware volume and improve the wearable performance， by means of multiple communication modes fusion and embedded technology application， is contribute to the comprehensive monitoring and management of the sign data， and can provide an effective approach for home health monitoring application.

Keywords： WBAN； wearable device； ZigBee； Bluetooth gateway； health monitoring

隨著人口老齡化程度加快，家庭健康監(jiān)護設備成為醫(yī)療監(jiān)護研究的熱點課題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術快速發(fā)展，無線體域網(wǎng)（Wireless Body Area Network，WBAN）技術應運而生。WBAN是以人體為中心的短距離無線通信網(wǎng)絡[1]，已為人體健康監(jiān)護、遠程醫(yī)療、社區(qū)養(yǎng)老等領域提供了重要技術支撐。近年來WBAN相關技術研究工作及應用取得了一些成果，如：周聰聰?shù)却┐魇綗o線心率監(jiān)測系統(tǒng)[2]，王長清等無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)[3]，顏國棟無線血壓監(jiān)測系統(tǒng)[4]， GE公司GEB30監(jiān)護系統(tǒng)，邁瑞特公司BenView T5，Philips公司Home?base Telemonitoring System 等專用監(jiān)護設備。文獻[2?4]系統(tǒng)功能單一，專用監(jiān)護設備價格昂貴，主要應用于醫(yī)院和大型療養(yǎng)機構，對于家庭健康監(jiān)護并不適用。本文提出了一種采用可穿戴式無線生命體征監(jiān)測技術和智能手機相結合的方式，可實時監(jiān)測人體的心電、血壓、體溫信號，解決了部分體征參數(shù)檢測需要專業(yè)設備、專業(yè)人員參與、價格昂貴等問題，為家庭健康監(jiān)護提供了一種新途徑。

1 系統(tǒng)架構

多參數(shù)健康監(jiān)護系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)由監(jiān)測節(jié)點、智能終端、數(shù)據(jù)服務中心組成。監(jiān)測節(jié)點采集和匯聚來自ZigBee網(wǎng)絡各獨立工作穿戴式節(jié)點采集的心電信號、血壓信號、體溫信號；智能終端融合ZigBee，藍牙、WLAN等通信協(xié)議，通過藍牙獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，在自主設計的APP上進行存儲、顯示；數(shù)據(jù)服務中心、監(jiān)護人通過公網(wǎng)獲取智能終端的監(jiān)測信息，并儲存至個人健康檔案中。

2 穿戴式無線體域網(wǎng)傳感器節(jié)點設計

穿戴式心電節(jié)點、血壓節(jié)點和體溫節(jié)點構建了WBAN的最底層。各傳感器節(jié)點由微處理器、無線通信模塊、傳感器相關調理電路、A/D轉換和電源管理電路組成。微處理器采用CC2530F256微處理器，內置ZigBee協(xié)議棧、8路輸入和可配置分辨率的12位ADC。針對各穿戴式傳感器節(jié)點采集的生理信號差異，為其分別設計了硬件上有差異的傳感器調理電路，保證了各節(jié)點獨立、周期性地采集生命體征參數(shù)，進行數(shù)據(jù)處理及傳輸。endprint

2.1 心電信號監(jiān)測節(jié)點設計

心電信號（ECG）具有微弱性、低頻特性、內阻大、干擾大等特征[5]。穿戴式心電信號采集模塊采用高增益放大電路、高阻抗匹配電路、較高共模抑制比、高品質因數(shù)、陷波電路、帶通濾波電路等特性的電路，來完成原始信號的放大和濾波。

ECG信號采集選用三導聯(lián)Ag/AgCl電極。電極采集到的信號，經(jīng)AD623進行一級放大（5倍），經(jīng)帶通濾波器（0.05～130 Hz）濾除由人體正常產(chǎn)生的低頻噪聲信號和線路引起的高頻噪聲，LM324二級放大（10倍）后，通過二階高通濾波器（0.05 Hz）進一步濾除低頻噪聲，陷波器（50 Hz）消除工頻干擾，經(jīng)低通濾波（130 Hz）和LM324進行三級放大（15倍）后，送至CC2530的A/D轉換器，完成對心電信號的采集。

2.2 血壓信號監(jiān)測節(jié)點設計

血壓監(jiān)測方法采用國際上通用的測振法與幅度系數(shù)法來進行測定，節(jié)點的設計采用袖帶式監(jiān)測。在血壓監(jiān)測波形中，收縮壓（Ps） 產(chǎn)生時，幅值為As；舒張壓（Pd）產(chǎn)生時，幅值為Ad；波幅最大值Am。當袖帶壓>Ps時，動脈被壓閉；當袖帶壓

根據(jù)反復的測試情況，本系統(tǒng)最終設置[AsAm]=0.5，[AdAm]=0.76。血壓監(jiān)測節(jié)點原理框圖如圖2所示，壓力傳感器采用MPX5050，內部有溫度補償、偏置電壓，輸出電壓正比于壓力值和偏置電壓，接A/D轉換后輸出。

2.3 體溫監(jiān)測節(jié)點設計

體溫監(jiān)測采用耳帶式進行監(jiān)測，耳膜（鼓膜）溫度最接近人體真實體溫，傳感器選用非接觸數(shù)字紅外溫度傳感器MLX90614，其檢測精度為±0.2 ℃，完全滿足體溫測量要求。經(jīng)由SMBus總線與CC2530連接，通過SMBus其兼容協(xié)議接口模式輸出。

3 WBAN數(shù)據(jù)傳輸關鍵單元設計

為了解決WBAN可靠性傳輸[6]等問題，本文設計了ZigBee/藍牙異構網(wǎng)絡網(wǎng)關，如圖3所示。網(wǎng)關實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚、傳輸協(xié)議轉換。穿戴式無線體域網(wǎng)傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡進行匯聚，ZigBee網(wǎng)絡工作頻段為2.4 GHz。系統(tǒng)采用具有藍牙通信接口智能手機作為智能終端，藍牙工作頻段為2 400～2 483.5 MHz，可和ZigBee，WLAN設備共存。選用ZigBee網(wǎng)絡負責WBAN底層數(shù)據(jù)傳輸，模塊選用CC2530，藍牙通信協(xié)議作為本地數(shù)據(jù)上傳至智能終端的通信協(xié)議，模塊選用CC2540。協(xié)議轉換器控制器選用具有2個USRT的MSP430。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)穿戴式無線體域網(wǎng)監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)采集、ZigBee/藍牙傳輸協(xié)議轉換等功能。

4.1 ZigBee/藍牙傳輸協(xié)議轉換設計

ZigBee/藍牙網(wǎng)關管理層主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組封裝和拆封。ZigBee匯聚節(jié)點向智能終端藍牙發(fā)送生命體征信息其過程如下：

Step1：ZigBee匯聚節(jié)點將生命體征信息通過串口發(fā)送給網(wǎng)關主控器；

Step2：主控制器去掉ZigBee分組信息、頭文件，數(shù)據(jù)部分轉交給藍牙控制器；

Step3：添加藍牙頭分組及物理層分組后，將數(shù)據(jù)以藍牙協(xié)議格式發(fā)送至智能終端的藍牙適配器。

4.2 血壓監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)采集軟件設計

Step1：CC2530 GPIO啟動氣泵充氣，充至袖帶壓強=200 mmHg；

Step2：10 mmHg/s的速度階梯放氣；

Step3：MPX5050檢出一路信號經(jīng)CC2530 ADC0轉換后，監(jiān)視直流分量；

Step4：另一路信號使CC2530的ADC1工作；

Step5： 查找Am= Ammax；

Step6：Ps=0.5Ammax，Pd=0.76Ammax。

5 系統(tǒng)測試

選取5位年齡19～65歲、3男2女測試，體溫、血壓、心電采用比對測量方式。儀器為歐姆龍電子血壓計HEM?7300，范圍為0～299 mmHg，精度為±4 mmHg；耳入式體標溫定儀，范圍為34.0～42.2 ℃，精度為±0.025 ℃；結果如表1所示；心電信號與醫(yī)院十三導聯(lián)的心電圖比對見圖4。

6 結 語

本文設計了一種以ZigBee穿戴式節(jié)點構建WBAN多參數(shù)健康監(jiān)護系統(tǒng)可實時監(jiān)測并獲得了較高精度心電、血壓、體溫信號；有效融合了多協(xié)議無線數(shù)據(jù)傳輸技術、實現(xiàn)了生命體征數(shù)據(jù)有效的管理和監(jiān)護，同時減少了系統(tǒng)體積；智能終端選用智能手機，無線通信網(wǎng)絡采用公共網(wǎng)絡，系統(tǒng)總體成本較低；對實現(xiàn)家庭健康監(jiān)護的穿戴性及普適性有積極作用。

參考文獻

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