基于ZigBee技術的健康監(jiān)測儀嵌入式設計

曾紅武

摘 要：針對我國人口老齡化加劇，慢病發(fā)病人數(shù)快速上升，并逐漸成為影響國家經濟和社會發(fā)展的大問題的現(xiàn)象，文中提出了一種基于ZigBee技術的嵌入式健康監(jiān)測儀。利用心率、脈搏、溫度等傳感器感知人體生理信號，通過ZigBee無線網絡將多種生理信號傳送到終端設備，利用向量自回歸模型對傳輸數(shù)據做優(yōu)化處理，開發(fā)一種對多種生理體征進行同時、實時、隨時的監(jiān)測儀。經驗證，該監(jiān)測儀性能穩(wěn)定，達到了設計要求。該設備的研發(fā)對慢病管理的家庭化起到了輔助作用。

關鍵詞：ZigBee技術；傳感器；向量自回歸；監(jiān)測儀；嵌入式

中圖分類號：TP206；TN06 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）08-00-03

0 引 言

近年來，伴隨著人口老齡化的加劇，慢病發(fā)病人數(shù)快速上升，并已逐漸成為影響國家經濟和社會發(fā)展的大問題，因此加強慢病管理至關重要[1]。我國慢病管理模式主要為患者定時去醫(yī)院監(jiān)測各項生理指標并記錄，醫(yī)生根據檢測指標做出相應的臨床診斷和處理。這種被動式記錄方式在現(xiàn)代生活中極大地增加了經濟成本和時間成本，造成醫(yī)療資源的浪費。如果有一種設備能方便、快捷地采集患者連續(xù)時間段內的體征數(shù)據，既有利于患者自我監(jiān)測，也有利于醫(yī)生及時根據收集的體征數(shù)據進行臨床觀測和診治。

ZigBee技術具有構建成本低、功耗低、穩(wěn)定性高、可自組網等優(yōu)點，是一種使用比較廣泛的短距離無線通信技術，目前廣泛運用于智能家居等領域[2]。本文研究開發(fā)了一種基于ZigBee技術的健康監(jiān)測儀，研究利用ZigBee無線傳感網絡將溫度、脈搏、心率傳感器等采集的人體生理參數(shù)發(fā)送到信息控制終端并顯示，同時創(chuàng)新性地提出采用向量自回歸模型保證數(shù)據傳輸?shù)姆€(wěn)定性，實現(xiàn)了前端多種數(shù)據同時采集，后端進行數(shù)據處理的比較理想的慢病智能多路健康監(jiān)測儀[3]。

1 系統(tǒng)設計

信息采集系統(tǒng)由感知層、網絡層、應用層組成，網絡拓撲結構采用典型星型結構。

（1）感知層由傳感器和節(jié)點組成，負責體征信息采集。

（2）網絡層由節(jié)點和協(xié)調器組成，節(jié)點將采集到的體征信息通過ZigBee網絡上傳至協(xié)調器。

（3）應用層通過上位機程序將協(xié)調器接收到的信息做相應的處理。

健康監(jiān)測儀由傳感器模塊、終端節(jié)點、協(xié)調器組成，其工作結構如圖1所示。

當有節(jié)點傳感器失效時，采用向量自回歸模型，根據其前時數(shù)據和其他完好的傳感器數(shù)據計算出該傳感器的現(xiàn)時數(shù)據，以提高系統(tǒng)數(shù)據采集的完整性和準確性。

2 硬件設計

基于ZigBee技術的健康監(jiān)測儀硬件主要包括節(jié)點模塊和協(xié)調器模塊。

2.1 節(jié)點模塊設計

傳感器模塊具有采集脈搏、心率、體溫等人體相應體征信息的功能。以采集體溫信息為例說明其工作運行模式。節(jié)點模塊包括ZigBee模塊和體溫傳感器。ZigBee模塊采用德州儀器公司生產的CC2530芯片作為核心。CC2530是單芯片上集成一個完整系統(tǒng)（SoC）的完美解決方案，廣泛適用于2.4 GHz

IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE等[4]。由于其可自組網，

因此能以較低成本建立強大的網絡節(jié)點。CC2530內置了性能優(yōu)良的RF收發(fā)器，搭載了增強型8051中央處理單元，系統(tǒng)內可編程閃存，8 kB隨機內存和許多其他具有強大功能的模塊[5]。CC2530運行模式之間的轉換時間較短，以確保其功耗較低，非常適合家用。體溫傳感器采用合肥華科電子科技有限公司生產的HKT-09A體溫傳感器，該傳感器采用專業(yè)的電流驅動電路和Honeywell熱敏電阻敏感元件，芯片將CMOS與傳感器相結合，體積較小[6]。HKT-09A體溫傳感器具有溫度測量響應時間快、精度高（精度可達0.01℃）等特點[7]。HKT-09A支持在線溫度校準，可通過相應指令對測量溫度進行調整。該傳感器適合各類基于單片機開發(fā)的體溫測量系統(tǒng)[8]。圖2所示為HKT-09A與CC2530連接圖。

從圖2可以看出，HKT-09A傳感器的GND為接地管腳，傳感器RS 232與CC2530的P1-4連接，引腳上接一個10 kΩ的電阻實現(xiàn)上拉。傳感器RXTX與控制器P1-5連接，電源與地之間并聯(lián)一個電容。

2.2 協(xié)調器模塊設計

協(xié)調器負責多個節(jié)點信息的采集、匯總、上傳、組網。協(xié)調器由CC2530控制器模塊、時鐘模塊、WiFi模塊、存儲器模塊、顯示模塊等組成。WiFi模塊負責服務器與協(xié)調器之間的數(shù)據通信。協(xié)調器內部結構如圖3所示。

CC2530負責控制協(xié)調器模塊，是整個模塊的核心部分。服務器與協(xié)調器之間的信息傳遞借助WiFi模塊實現(xiàn)。在本文設計中，WiFi模塊采用億佰特科技公司生產的E103-W01模塊。E103-W01模塊的工作頻段為2.4～2.483 5 GHz，發(fā)射功率為100 mW，在沒有遮擋的情況下，其有效傳輸距離可達800 m，采用貼片小體積封裝工藝，是一款具有超高性價比的串口轉WiFi模塊。模塊中陶瓷天線與IPX并存，使得共振頻率較高，終端接收效果較好[9]。模塊可使用串口及其他接口進行數(shù)據收發(fā)，降低了無線應用的門檻[10]。E103-W01是一款工業(yè)級芯片，可在高溫、高濕、強電磁環(huán)境中長期使用，完全滿足本文設計的需求[11]。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括節(jié)點程序和協(xié)調器程序，其中協(xié)調器程序利用向量自回歸模型可有效保證數(shù)據收發(fā)的完整性。

3.1 節(jié)點程序設計

節(jié)點程序負責溫度、脈搏、心率等傳感器的初始化，接收傳感器采集到的信息并發(fā)送數(shù)據。節(jié)點將這些信息通過ZigBee無線網絡上傳至協(xié)調器。CC2530通過通道進行A/D轉換，將采集到的信息轉換為數(shù)字信號。節(jié)點程序設計框圖如

圖4所示。

傳感器及CC2530加電并復位，ZigBee協(xié)議棧調用函數(shù)osal_init_system（）執(zhí)行初始化OSAL工作。向溫度模塊、血壓模塊、心電模塊發(fā)送執(zhí)行命令，傳感器開始采集人體信號，并返回采集結果。無線模塊將采集到的信息發(fā)送到協(xié)調器。

3.2 協(xié)調器程序設計

協(xié)調器程序主要負責組網、節(jié)點信息收集，并接收上位機的指令進行相應的處理。協(xié)調器程序設計框架如圖5所示。

協(xié)調器加電復位后，系統(tǒng)調用osal_init_system（）函數(shù)初始化OSAL。節(jié)點與協(xié)調器自組網成功，協(xié)調器接收節(jié)點上傳的傳感器信息，然后驗證節(jié)點信息的完整性。如果完整則處理上位機命令，發(fā)送信息；如果不完整，則調用向量自回歸模型校正信息后再發(fā)送。但數(shù)據采集失敗次數(shù)超過三次，便會發(fā)出警報提示是否被采集人出現(xiàn)異常情況。

3.3 向量自回歸模型程序設計

當ZigBee網絡中部分傳感器失效時，系統(tǒng)將自動采用向量自回歸模型校正信息。向量自回歸模型的原理是根據之前采集的數(shù)據和其他完好的傳感器采集的數(shù)據融合計算出當前失效傳感器的正確值[12]。通過向量自回歸模型可以提高數(shù)據傳輸?shù)姆€(wěn)定性和正確性。算法如下所示[13]：

（1）假設L為傳感器采集的總數(shù)據個數(shù)，Q為傳感器個

數(shù)，P為有效傳感器個數(shù)。

（2）假設完好的傳感器數(shù)據為Av1，Av2，…，Avn。

（3）依據向量自回歸算法構造向量矩陣 Mn=[1；Av1；…；Avn]。

（4）假設，對W矩陣進行LU分解，W=LU，得到，從而得到，根據參數(shù)值L，Q，P，U，B得到誤差向量。

（5）依據以上結果可知，失效傳感器的數(shù)據為Av=BUv+ε。

4 驗證及分析

以一個協(xié)調器、一個溫度節(jié)點進行驗證及分析，主要驗證溫度的誤差。本文使用北京金泰科儀生產的人體專用紅外溫度快速檢測儀CW110進行測試對比，CW110測試的標準溫度為36.7℃[14]。從200次測試結果來看，測量值與標準值的差在0.1～0.2℃之間，數(shù)據具有較高的穩(wěn)定性，完全符合人體溫度測試要求。50次測試結果與標準值比較圖如圖6所示。

5 結 語

本文利用ZigBee技術開發(fā)了一種可同時采集、傳輸多種生理體征信息的健康監(jiān)測儀。設備結構簡單，成本低，無線傳輸布線使用便捷，同時可方便地接入Web系統(tǒng)，完全可滿足人們對慢病的隨訪及相關信息的采集、管理、分析和利用，改善患者及家庭成員普遍缺乏慢病自我管理知識的現(xiàn)象，促進家庭與社區(qū) “共同參與”，既符合我國國情，又具有成本低、效益好，能同時覆蓋大量慢病患者等優(yōu)點，對于慢病防治具有重要意義。

參考文獻

[1] CALLAWAY E，GORDAY P，HESTER L，et al. Home networking with IEEE 802.15.4：a developing standard for low-rate wireless personal area networks[J]. Communications magazine IEEE，2002，40（8）：70-77.

[2]周文靜.我國人口老齡化的現(xiàn)狀與積極應對[J].經營與管理，2014（2）：14-16.

[3]石道生，任毅，羅惠謙.基于ZigBee技術的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程版），2008，30

（3）：394-397.

[4]蔡偉超.基于ZigBee技術的老年人家庭健康監(jiān)護設計[D].天津：天津大學，2009.

[5]劉小欽.基于ZigBee的老年健康監(jiān)護系統(tǒng)的研究[D].合肥：安徽理工大學，2012.

[6]王小強，歐陽駿.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現(xiàn)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012：30-40.

[7]呂捷.GPRS技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2001：15-30.

[8]赫建國，葛波海，鄭燕.MSP430微控制器基礎和應用設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014：25-28.

[9]施保華，趙娟，田?？?MSP430單片機入門與提高：全國大學生電子設計競賽實訓教程[M].武漢：華中科技大學出版社，2013：40-42.

[10]楊成才.數(shù)字溫度傳感器DS18B20在醫(yī)療設備數(shù)字化管理中的開發(fā)應用[J].醫(yī)療裝備，2013，26（8）：1-4.

[11]王平，劉清君.生物醫(yī)學傳感與檢測[M].杭州：浙江大學出版社，2010：45-60.

[12]潘付文.多參數(shù)人體健康監(jiān)護系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學，2012.

[13]李外云.CC2530與無線傳感器網絡操作系統(tǒng)TinyOS應用實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015：70-80.

[14]田華，李沭，張相林.慢病管理模式的國內外現(xiàn)狀分析[J].中國藥房，2016，27（32）：4465-4468.