為了實現醫(yī)療設備的微型化、醫(yī)療監(jiān)護的無線化，設計基于ZigBee 可穿戴傳感器的醫(yī)療監(jiān)護系統，它能夠擴大病人的活動空間，減輕監(jiān)護人員的工作強度，降低醫(yī)療費用。系統采用病區(qū)/監(jiān)護中心兩層結構，利用可穿戴傳感器采集病人體溫、脈搏等生理參數，數據經過處理后送至無線通信模塊，最后由ZigBee 無線網絡傳輸至監(jiān)護中心。經過實驗獲得了病人生理參數，并與傳統測量結果進行了對比。結果表明，系統穩(wěn)定、可靠，很好地實現了病人生理參數的采集、傳輸和顯示，符合設計要求。

　　0 引言

　　隨著科學技術的發(fā)展，醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)也取得了很大的進步，但目前醫(yī)院的大部分醫(yī)療設備仍是基于傳統的有線方式，接線繁雜、體積笨重，設備不便于移動，也不利于遠程操作。同時，眾多附于病人身體的設備探頭，會造成病人的緊張情緒和心理負擔，使得檢測結果與真實情況存在一定偏差，影響病情的準確診斷。針對目前大部分醫(yī)療設備接線繁雜、功能單一的問題，本文設計了基于ZigBee 技術的可穿戴傳感器監(jiān)護系統，可穿戴傳感器采集病人生理參數后，由ZigBee網絡傳輸至監(jiān)護中心，供工作人員進行進一步分析。

　　1 ZigBee 簡介

　　ZigBee 是一種無線通信技術，其協議基于IEEE802.15.4 標準。該協議的結構從下到上分別為物理層（ PHY） 、媒體訪問控制層（ MAC） 、傳輸層（ TL） 、網絡層（ NWK） 和應用層（ APL） 。目前，比較成熟的短距離無線通信技術，包括紅外（ IrDA） 、藍牙（ Bluetooth） 、Wi-Fi 等，都有自己的優(yōu)點和應用領域。但針對醫(yī)療監(jiān)護領域，ZigBee 有著無可代替性，其最大優(yōu)勢在于組網方便，可以實現多個網絡節(jié)點管理，且網絡規(guī)模極大，完全能夠滿足對若干病人進行監(jiān)護和管理的要求。

　　2 系統結構

　　監(jiān)護系統采用病區(qū)/監(jiān)護中心兩層結構，分布在病區(qū)的可穿戴傳感器利用敏感元件采集病人生理參數，通過ZigBee 無線網絡將數據發(fā)送給網絡協調器，然后協調器將接收的數據傳輸至與之相連的上位機，系統架構見圖1。

　　圖1 系統架構

　　3 系統硬件設計

　　系統硬件主要由無線傳感器、網絡協調器和上位機三個部分組成。無線傳感器負責采集病人生理參數和數據發(fā)送； 網絡協調器負責數據接收以及與上位機通信； 上位機負責數據顯示。

　　3.1 無線傳感器

　　如圖2 所示，無線傳感器主要包括敏感元件、數據處理模塊、無線通信模塊和電源模塊。敏感元件負責采集病人生理參數； 數據處理模塊負責對采集信號進行預處理，以符合單片機對輸入信號的要求； 無線通信模塊由51 單片機和射頻芯片組成，負責整個傳感器的任務分配與調度、數據整合與傳輸等。

　　圖2 無線傳感器結構圖

　　3.1.1敏感元件與數據處理模塊

　　本系統集成了多種醫(yī)療監(jiān)護傳感器，可以測量體溫、脈搏、血氧、血壓等生理參數。限于篇幅，本文以脈搏為例，闡述整個系統的工作原理和設計方法。脈搏測量的基本原理是： 人體組織（ 手指） 的半透明度會隨著心臟的搏動而發(fā)生周期性的改變。當血液送到人體組織時，組織的半透明度減小； 當血液回流回心臟，組織的半透明度增大。因此，本系統的脈搏采集模塊用紅外發(fā)射二極管產生的紅外線照射到手指，然后用另一側的接收三極管來捕捉通過手指的光信號強度，接收管的反向電流與發(fā)射管的光照強度成線性關系，這樣可以把光信號轉換成電信號（ 電流） 。

　　信號采集使用的敏感元件是紅外發(fā)射二極管IR928－6C 和與之配對的光敏三極管PT928－6C，具有低工作電壓、高穩(wěn)定性、高可靠性等特點。如圖3 所示，通過電阻R16 將流過二極管的電流控制在20 mA左右，根據接收的光信號強度轉換成電流（ mA 級） ，通過負載電阻R17 轉換成電壓，人體脈搏大概是50 ～200 次/min，對應的頻率約為0.83 ～ 3.34 Hz，屬于低頻信號，電路中采用R17 和C14 來完成濾除高頻干擾的任務。

　　圖3 信號采集電路

　　由于人體電信號具有阻抗高、信號弱、頻率低等特點且處于嚴重的背景噪聲之中，因此需要對采集轉化的電信號進行預處理，這既為了保證信號最大程度的保真性，也方便后續(xù)進一步的數據處理。

　　如圖4 所示，數據處理電路包括信號濾波放大和整形兩個環(huán)節(jié)。

　　圖4 數據處理電路

　　濾波放大環(huán)節(jié)中，首先使用C15、C16 背靠背串聯組成的雙極性耦合電容構成一個簡單的光電隔離電路，實現對于外部干擾光線的隔離并設計了由LM324A、R18、C17 組成的低通濾波器，截止頻率約為，可進一步去除高頻干擾信號。由于采集轉化的脈搏電信號（ 電壓） 比較小，一般在mV 級，通過R18 和R23 構成的放大器把采集的脈搏信號放大200 倍左右，已達到V 級。

　　整形環(huán)節(jié)中，信號通過比較器LM324B 將正弦波轉換成方波，利用R30 電位器可以實現將比較器的閾值調定在系統工作電壓范圍內。接下來，從LM324B 的引腳輸出的方波信號經C19、R25 構成的微分電路處理成為正負相間的尖脈沖。LM324D 提供參考電壓，再經過LM324C 之后就變成系統所需的標準脈搏脈沖信號了。最后將脈沖信號送到無線通信模塊。

　　3.1.2 無線通信模塊

　　無線傳輸模塊采用TI 公司的高集成度的片上系統（ System on chip，SOC） 芯片CC2530，其內部集成了1個高性能的ＲF 射頻收發(fā)器和1 個增強型的低功耗8051 微控制器內核，它具有較遠的數據傳輸距離和較強的抗干擾能力。8051 作為基礎芯片，價格低廉，這樣就大大降低了產品研發(fā)的難度和成本； 同時，可以用C51 程序代碼進行軟件的開發(fā)，這樣也就極大地縮短了產品研發(fā)的周期。

　　3.1.3 電源模塊

　　電源模塊為可穿戴傳感器提供能量。受體積限制且設備不能頻繁更換電池，必須采取一系列有效措施降低能耗，以保證醫(yī)療節(jié)點具有較強的續(xù)航能力。鋰電池自放電率低，放電電壓平緩的特點符合系統對電源的要求，故采用可充電的鋰電池對可穿戴傳感器供電。但系統正常工作時，數據處理模塊工作電壓是3.3 V，傳感器工作在5 V，電源需要經過電壓轉換后才能應用到系統中。在電壓轉換中，利用MC7805 穩(wěn)定輸出5 V 電壓，利用AMS1117 穩(wěn)定輸出3.3 V 電壓。如圖5所示。

　　圖5 電源模塊

　　3.2 網絡協調器和上位機

　　網絡協調器作為整個網絡的協調者，向下與無線傳感器通信，向上與上位機通信。負責組建網絡，接收終端發(fā)送的數據，同樣以CC2530 為核心設計接收端，CC2530 接收完數據后通過串口將其上傳給上位機，使監(jiān)護中心能夠實時監(jiān)測病人的生理參數，如圖6 所示。

　　圖6 網絡協調器與上位機結構圖

　　網絡協調器與上位機采用串口方式進行通信。為使單片機與上位機通信電平保持一致，采用MAX232芯片完成單片機與上位機的雙向電平轉換。MAX232 內部有電壓倍增電路和轉換電路，而且僅需+5 V 電源便可工作，使用十分方便，它與單片機連接時可以采用最簡單的方式連接。

　　4 系統軟件設計

　　整個系統的軟件采用模塊化的設計思路，主要由脈搏采集與處理、ZigBee 網絡和串口通信三部分組成。

　　4.1 脈搏采集與處理

　　程序由主程序、外部中斷服務程序、定時器中斷服務程序和數據處理程序組成。從中斷口輸入的脈搏脈沖信號作為外部中斷請求信號，外部中斷采用下降沿觸發(fā)的方式。程序采用測脈沖周期的方法進行測量，即用脈沖來控制計時信號，通過檢測10 次脈沖周期求平均，再換算成1 min 脈搏的次數，從中斷口每輸入10 個脈沖信號刷新1 次脈搏次數。脈搏采集流程如圖7 所示。

　　圖7 脈搏采集流程圖

　　4.2 ZigBee 網絡

　　ZigBee 網絡支持3 種類型拓撲結構： 星形結構、網狀結構和樹形狀結構，本系統使用星形網絡拓撲結構實現多個無線傳感器與網絡協調器的通信，多個無線傳感器進行組網，通過協調器來管理網絡，以達到配置和控制無線傳感器的目的。在星形網絡中，無線傳感器只與網絡協調器進行點對點的通信，為實現這一功能，協調器必須先組建一個網絡，這樣無線傳感器掃描的時候才可以找到網絡，找到網絡后無線傳感器再進行入網請求。如果協調器響應了入網請求，則無線傳感器才可以成功入網，并且發(fā)送綁定請求。若協調器發(fā)送允許綁定并被終端節(jié)點收到，則可以實現終端節(jié)點與協調器的通信了。網絡協調器將有效數據通過串口上傳監(jiān)護中心，從而實現病人生理參數的采集和分析。無線傳感器和網絡協調器的工作流程分別如圖8和9 所示。

　　圖8 無線傳感器工作流程圖 圖9 網絡協調器工作流程

　　5 實驗測試

　　根據設計的基于ZigBee 技術的可穿戴傳感器監(jiān)護系統，本文對系統進行初步測試。隨機挑選一病人對他的生理參數進行檢測，為了測試數據無線傳輸的有效性，每隔一段時間，通過上位機讀取病人的生理參數。同時，為了測試系統采集數據的準確性，將系統測量的結果與傳統有線方式的測量結果進行比較。部分生理參數測量情況如表1、表2 所示。

　　表1 體溫測量數據

　　表2 脈搏測量數據

　　從表1 體溫測量數據可以看出，系統能采集病人生理參數并無線傳輸，驗證了系統無線傳輸功能的有效性； 同時系統測量的體溫數據與體溫計的結果基本上一致，說明系統對體溫的測量有較高的準確性。從表2 脈搏測量數據可以看出，系統測量的數據與血壓計測量的數據存在2% 左右的差距，不會影響醫(yī)護人員的正確決策，符合實際要求。

　　實驗表明，本系統能以較高的精度采集病人生理參數并完成數據的有效傳輸，較好地完成了對病人的無線監(jiān)護。

　　6 結論

　　以無線通信模塊CC2530為核心，基于ZigBee可穿戴傳感器的醫(yī)療監(jiān)護系統，實現了病人生理參數的采集、無線傳輸和顯示。系統采用模塊化的設計思想和高集成度的CC2530 小規(guī)模通信模塊，不僅體積緊湊，而且減少了芯片的使用，保證了系統的微型化。利用ZigBee 協議進行數據的無線傳輸，從而實現了醫(yī)療監(jiān)護的無線化。系統集成了多種類型的傳感器，能完成各種生理參數的測量，功能多。

　　另外，系統預留了多個擴展接口，方便醫(yī)療傳感器的接入，擴展性強。當然，對監(jiān)護系統的測量數據進行分析和判斷還是依靠醫(yī)護人員的經驗。這還需要依據專家知識和數據挖掘技術對實測數據進行進一步的融合，為醫(yī)護人后時間。因此如何設計更加優(yōu)異的制粒機自動控制系統以及更加合理、更加理想的控制算法，有待于進一步的探索與研究。