基于ZigBee網絡的社區心電監護系統

續嶺嶺,楊景常,郝明剛

（西華大學 電氣信息學院,四川 成都 610039）

目前的家庭監護儀主要基于紅外、藍牙等無線傳輸模式，但基于這些技術的醫療監護系統存在著無線輻射的安全性、無縫漫游和無線網絡成本等不足之處[1]。ZigBee技術是一種新興的低功耗、低復雜度、通信可靠、低成本的無線網絡數據傳輸技術，廣泛應用于數據傳輸，它的出現為傳感器信號的無線傳輸提供了新的解決方案。本文設計的正是一種基于ZigBee無線網絡的社區心電監護系統，心電監護儀通過ZigBee技術組建的高可靠無線數據傳輸平臺將采集到的患者心電數據傳送到醫療服務中心，達到對患者進行實時監護、實時醫療指導的目的。該系統具有穩定、可靠、組網靈活的特點。

1 社區心電監護系統的設計方案

社區心電監護系統主要包括心電監護儀和社區心電監護系統的數據傳輸信道。其中心電監護儀主要完成患者心電數據的采集、一次存儲以及心電波形圖的顯示等；社區心電監護系統的數據傳輸信道主要完成心電監護儀與醫療服務機構之間的無線通信，即患者和醫護人員之間的信息交互[2]。本系統主要分為三部分。

第一部分由若干個基于ZigBee數據傳輸模塊的心電監護儀組成，主要是對患者進行實時監護，負責采集、一次存儲患者的心電數據以及出現突發情況時的警報;而ZigBee數據傳輸模塊主要負責數據的傳輸并通過第二部分，也就是由ZigBee數據傳輸模塊組成的社區無線網絡把數據發送到醫療服務機構（即第三部分），由專業的醫護人員對采集到的心電數據進行二次存儲，并對患者提供相關的醫療服務，達到遠程監護的目的。

2 心電監護儀的硬件設計

本系統中對心電監護儀進行模塊化的設計方式，完成對患者心電數據的采集、一次存儲以及心電波形圖的顯示，結構框圖如圖1所示。

2.1 采集電路的設計

人體心電信號的主要頻率是0.05 Hz～100 Hz,幅度是0～4 mV,信號十分微弱，再加上50 Hz的工頻干擾，使得心電的采集比較復雜[3]。為了有效地采集到心電信號，將經過前置放大電路放大后的心電信號送到0.05 Hz的高通濾波器和100 Hz的低通濾波器進行濾波處理，再將通過濾波處理后的心電信號送到50 Hz陷波器進行處理，消除 50 Hz工頻信號[4]，實現消除噪音的目的，得到較為理想的波形。

其中50 Hz陷波是設計的重點,采用TI公司的OPA2137運算放大器進行雙T陷波電路的設計，圖2是50 Hz陷波的設計電路。經過測試，該電路能夠很好地抑制50 Hz工頻干擾。

2.2 心電數據的存儲

SD卡（Secure Digital Memory Card）是一種基于半導體快閃記憶器的新一代外接存儲設備，擁有高記憶容量、快速數據傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性等優點，支持SPI傳輸模式。本設計采用SPI模式，在完成對其讀寫的基礎上植入文件系統FAT32對采集到的心電數據進行存儲。

2.3 心電波形的顯示

本設計采用TFT320×240液晶顯示屏設計簡單的人機交互界面，幫助患者操作心電監護儀。顯示界面主要包括心電波形圖、心電監護儀的工作狀態以及SD卡存儲狀態；顯示形式有字母、數字字符、中文字型及圖形等，并且根據不同情景設置了不同的顯示方式，如實時顯示、從過去某一時刻開始顯示以及顯示周期可調等。

3 社區心電監護系統通信信道的設計

社區心電監護系統的關鍵是信息的遠程交換，即患者在家中與醫療服務機構之間的信息交換。

本系統采用ZigBee技術組建無線網絡，并將其作為信息遠程交換的通信網絡平臺。包括心電監護儀與ZigBee數據傳輸模塊之間的通信和ZigBee數據傳輸模塊與醫療服務機構之間的通信兩大部分。

3.1 ZigBee數據傳輸模塊與醫療中心機構的通信

ZigBee數據傳輸模塊與醫療服務機構之間的通信就是ZigBee數據傳輸模塊之間的數據交換。每個傳輸模塊之間的傳輸距離可達2 000 m，傳輸速度可達 115 200 b/s，發送模式靈活，節點類型（中心節點、路由節點、終端節點）可任意設置。在社區里，每棟單元樓對無線信號傳輸的干擾較大，因此為了保證數據傳輸在單元樓之間的順暢，進而保證整個網絡通信的穩定，減小建筑物對網絡信號的干擾，增大網絡的覆蓋范圍,本設計將放置在單元樓頂層空曠處的ZigBee數據傳輸模塊設置為中繼或者終端節點。醫療服務機構的ZigBee數據傳輸模塊設置為中心節點，通過RS232與醫療服務機構的數據庫連接起來進行交互[5]。ZigBee數據傳輸模塊組成的MESH網狀網作為整個社區的無線通信信道。

3.2 心電監護儀與ZigBee無線網絡的通信

心電監護儀通過ZigBee數據傳輸模塊組成的社區無線通信網絡實現與醫療服務機構的遠程通信，組成了社區心電監護系統。心電監護儀與ZigBee無線網絡有兩種不同的連接方式[6]。方式一：每棟單元樓用戶的心電監護儀通過RS485總線方式與單元樓頂層的ZigBee數據傳輸模塊連接，接入社區無線通信網絡；方式二：每棟單元樓每個用戶的心電監護儀通過ZigBee數據傳輸模塊與單元樓頂層的ZigBee數據傳輸模塊組成星型網，進而接入社區無線通信網絡。本系統采用方式二建立社區心電監護系統。

在整個系統中，用戶端的ZigBee數據傳輸模塊設置為終端節點，單元樓頂層的ZigBee數據傳輸模塊設置為中心節點，它們之間組成星型網絡；而整個系統中單元樓頂層的ZigBee數據傳輸模塊設置為中繼節點，醫療服務機構的ZigBee數據傳輸模塊設置為中心節點組成網狀網；醫療服務機構的ZigBee數據傳輸模塊通過RS232與醫療服務機構的數據庫連接，這樣心電監護儀接入ZigBee數據傳輸模塊組成的無線通信網絡，完成患者與醫療服務機構之間的無線通信。

4 社區心電監護系統的軟件設計

社區心電監護系統的軟件設計主要包括心電監護儀(從機)的設計和醫療服務機構上位機(主機)的設計。

4.1 心電監護儀的軟件設計

心電監護儀的軟件設計主要包括心電數據的采集、存儲以及心電波形圖的顯示等。設計流程圖如圖3所示。該設計使用MSP430F149單片機片內集成的ADC模塊進行A/D轉換采集，然后將采集到的心電數據存儲在SD卡中并通過液晶實時顯示出心電波形圖。本設計采用單通道多次采樣方式，采集工作于中斷方式，由片內定時器觸發，通過定時器控制采樣頻率[7]。在患者出現突發情況或者心電監護儀（從機）需要將存儲的心電數據發送到醫療服務機構 （主機）時，采用串行中斷，使心電監護儀與醫療服務機構進行信息的無線傳輸[8]。

4.2 醫療服務機構上位機的軟件設計

醫療服務機構上位機是社區心電監護系統的核心，它對患者的心電數據進行二次存儲，方便醫護人員分析患者的病情給出康復指導，接收心電監護儀的報警并且及時提示給醫護人員使得患者得到及時的治療指導。使用圖形化的編輯語言Lab-VIEW編寫程序，實現醫療服務機構對患者的監護。圖4是本上位機的程序流程圖。

5 系統測試

為了對系統的性能進行測試，在實驗室通過心電監護儀采集人體的心電信號并同時把采集到的數據保存在SD卡中，加入手機的通信干擾，10 s以后通過按鍵操作將SD卡中的數據傳送到上位機，并且在上位機顯示出心電波形圖。

通過現場的測試結果表明：上位機和心電監護儀之間的數據通信可靠、安全、抗干擾能力強；并且滿足數據傳輸的實時性、高效性的要求。

[1]李佳,吳水才,李艷崢，等.家庭健康監護儀的研究發展[J].醫療設備信息，2007,22(3):55-58.

[2]FRAILE J A,BAJO J,CORCHADO J.Applying wearable solutions in dependent environments[J].Transaction on Information Technology in Biomedcine,2010,14(6):1459-1467.

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[4]代永陸,唐曉英，劉偉峰.基于嵌入式系統的便攜式多參數健康監護儀設計[J].電子技術應用,2006,32(9)：55-57.

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