基于WSN的搶險救災醫療監護系統的設計

丁緒星，施一萬，馮友宏，張 柳

（安徽師范大學物理與電子信息學院，安徽蕪湖241000）

0 引言

目前，國內外醫療監護設備大多使用固定的醫療監護儀，通過有線的方式采集生理參數，設備復雜，連線眾多，攜帶麻煩，嚴重限制了病人和醫護人員的行動[1]。尤其在一些特大自然社會災害中，如汶川地震、日本核爆炸，受災面積大，程度重。通過有線的方式采集生理數據根本無法滿足需求，所以國際上對遠程醫療越來越關注。

該文基于無線傳感器網絡系統，采用高頻率、多通道的無線數據傳輸方式。系統由佩戴在受災人群手腕上的傳感器節點采集心率、血壓、脈搏以及體溫等生理信息，通過IEEE802.15.4標準，經過一定的路由協議將數據傳輸至信息匯聚節點（Sink節點），最后通過串口方式傳輸至監護基站的電腦終端，從而對受災人群的生理狀況進行實時監測，對信息數據異常的節點給予反饋報警。

1 系統硬件組成

1.1 節點的基本結構

節點硬件主要由傳感器、MCU和無線發射模塊組成。該系統的傳感器采用了PVdF壓電薄膜傳感器，在腕式傳感器的底部通過接受脈搏信號來監測人體的心電信號。處理器模塊采用了ATEML公司的ATmega128微處理器，通信模塊選用了具有802.15.4/Zigbee標準Chipcon公司的CC2430芯片。

1.2 放大濾波模塊

由傳感器測出的脈搏心電信號幅值大概在1mV[2]，而在該電路系統中A/D轉換值需要在0～1V內，所以需要對電壓放大1000倍左右。該系統采用前后2級放大電路，前級放大為10倍，后級放大在1～100倍。

人的脈搏心電信號頻率帶寬范圍在0.05～100Hz，而信號采集的過程中同樣采集到高頻肌電信號，頻率范圍在20～1000Hz，同時由于器械、環境、呼吸以及咳嗽的影響，將會導致0.15～0.5的基線偏差，所以分別設計了截止頻率為100Hz的低通濾波器和截止頻率為0.5Hz的高通濾波器，其電路結構分別如圖1和圖2所示。

圖1 截止頻率為100 Hz的低通濾波器

圖2 截止頻率為0.5 Hz的高通濾波器

2 路由協議

2.1 路由算法的改進

經典的LEACH算法[3]被很多研究人員引用，但其中仍然存在一些問題，這里采用了改進后的LEACH-D算法。LEACH算法在選擇簇時沒有考慮節點的剩余能量，一旦有些能量低的節點被選為簇后，就很容易導致節點的死亡。新算法以簇內平均能量作為簇的選擇標準，節點以不同初始概率發送競爭消息，節點的初始化概率CHprob為:

Eelec為發射電路能量損耗，當傳輸距離小于d0采用自由空間模型，傳輸距離大于d0采用衰減模型，ξfs、ξmp分別為2種模型中功率放大所需能量。假設傳感器分布在M*M的正方形中，節點數為N，設每輪消耗的能量Eround近似相等，Eround=Ech+Enoch，Ech為簇頭消耗的能量，Enoch為非簇頭消耗的能量，Enoch=LEelec+Lξfsdtoch2，（dtoch為非簇頭到簇頭的距離），Ech=LEelec+LξmpdtoBS4+1/P*LEDF+（1/P－1）*LEelec，（dtoBS為簇頭到基站的距離，P為簇頭在節點中的百分比）。，（E為每個節點的初始能量，r為簇頭的選擇輪數）。進而節點將以為基準的初始概率發送競爭消息。

2.2 子節點的加入

在節點當選為簇頭節點之后，將周期性地廣播信標幀，子節點或者后加入的節點將根據接收信號的強弱選擇自己所要加入的簇，當所有節點加入后，簇頭將為所有加入的節點分配地址信息，為了避免干擾，將發出TDMA定時信息，并決定本簇所用的CDMA編碼，當前階段的CDMA編碼與TDMA一起發送，簇內節點接收到信息，就在被分配的時間槽內發送數據[4]。

3 系統的軟件構成

節點的軟件部分采用了專門為無線傳感器網絡開發的TinyOS操作系統，節點的應用程序設計通過AVR Studio 4.0完成，采用C語言編寫數據采集和傳輸控制程序，其軟件流程圖如圖3和圖4所示[6]。

圖3 簇節點的工作流程

圖4 簇內節點的工作流程

4 實驗結果

試驗中簇頭節點始終保持開啟狀態，以偵聽簇內節點傳遞來的數據，而簇內節點只在消息時隙到來時傳遞信息，其他時間處于休眠模式節能。實驗對象為30人，對象分別為靜止的人、剛運動完的人和準備運動的人，由傳感器采集脈搏信號，并通過寧波深聯科技開發的SNAMP軟件進行終端數據顯示。從實驗結果來看，當人處于靜止狀態時，波形波動幅度不大，中心值一直維持在700左右;測試對象變換為剛運動結束的人，波形幅值顯示在1500～1800之間，在之后的10min之間，波形逐漸趨于平緩，最后回落到700左右;最后的測試對象為即將準備運動的人員，結果顯示波形幅值會隨著運動的時間和運動的劇烈程度從700逐漸增至1400～1900之間，當運動逐漸減慢并至靜止時，波形幅值最終又會回落到700左右。

5 結束語

該系統采用的方案成功實現了在無線傳感器網絡技術支持下的脈搏心電信號采集，信號波形清晰、穩定、實時性高，系統具有很高的靈活性和可擴展性，準確地反映了人體脈搏信號的變化情況，而且各監護站采集的信息可以通過GSM方式傳輸至監護總站進行匯總，以便全面了解受災區域的人員傷亡情況，從而針對傷亡的程度，給予相應的醫療配置。

[1]趙澤，崔莉.一種基于無線傳感器網絡的遠程醫療監護系統[J].信息與控制，2006，35（2）:265－269.

[2]SETAL L M.The National Institutes of Health Chronic Prostatitis Symptom Index[J].Development and Validation of a New Outcome Measure.J Urol，1999，162（2）:369－375.

[3]HEINZELMAN W R，CHANDRAKASAN A，BALAKR I H.Energy-efficient Communication Protocol for Wireless Micro Sensor Networks[C]//Proceeding of the 33rd Annual Hawaii Internationl Conference on System Science Maui，HI，2000:1－10.

[4]孫利民，李建中.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社，2005:10－20.

[5]尚鳳軍.無線傳感器網絡通信協議[M].北京:電子工業出版社，2011:53－54.

[6]黃峰一.基于Zigbee的無線測溫傳感器網絡[D].上海:上海交通大學，2010:69－79.