基于ZigBee的穿戴式醫療監護系統節點的設計與實現

明 軒，徐玉炎， 張 瑞， 李奇越，孫秀麗

（1.合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009；2.山東省泰安榮軍醫院 山東 泰安 271000）

目前，醫院中的監護系統大多采用固定的醫療監護設備，通過線纜將傳感器采集的人體生理參數傳輸至監護中心，這樣的系統往往體積大、成本高，限制了病人和醫護人員的行動，增加了病人的生理和心理負擔，已經越來越不能滿足當今實時、連續、長時間地監測病人體征參數的醫療監護需求。

隨著微電子技術、傳感器技術和通信技術的飛速發展，新興的穿戴式醫療監護系統正越來越受到人們的關注[1]，本文就針對穿戴式醫療系統的發展現狀，應用ZigBee技術，設計并實現了一種穿戴式醫療監護系統節點，該節點能夠實時獲取人體體溫、脈搏、身體姿態等信息并以無線的方式傳送至協調器，達到醫療監護的目的。

1 穿戴式醫療監護系統整體設計

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議。它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低成本的無線網絡技術，廣泛應用于各種無線傳感器網絡的搭建。圖1為一個典型的基于ZigBee技術的醫療監護系統，其中由網絡協調器建立ZigBee網絡，穿戴式傳感器終端上電后自動加入該網絡，若通信距離較遠，可以采用多跳的方式加入網絡[2]。穿戴式傳感器終端實時采集人體的重要生理信號，經過簡單處理后發送給網絡協調器。網絡協調器將收到的信息轉發給匯聚節點，最后匯聚節點將網絡中所有的傳感器信息匯總打包后發送給監護中心計算機，供醫護人員查看、分析。本文的重點是介紹該網絡中的穿戴式傳感器終端的設計。

圖1 典型的基于ZigBee的醫療監護系統Fig.1 Classic ZigBee-based medical monitoring system

2 穿戴式傳感器終端節點的硬件設計

2.1 穿戴式傳感器節點系統硬件總體設計

穿戴式傳感器節點以網蜂公司的CC2530核心板為基礎研制，硬件結構圖如圖2所示。系統選用TI公司的CC2530作為微控制器，該芯片集成了兼容Zigbee協議的射頻模塊以及一個增強型8051內核的單片機，可以運行TI的Z-Stack協議棧，為系統的軟硬件設計提供了極大的便利[3]。

考慮到測量的便利性以及減少受試者的佩戴負擔，系統采用非接觸式人體紅外溫度測量傳感器MLX90615檢測人體體溫，使用反射式脈搏傳感器模塊獲取人體脈搏數據。同時，系統使用ADXL354加速度計實時檢測人體姿態，對于跌倒等意外情況及時發送報警信息。

穿戴式傳感器節點還加入了低功耗Nokia 5110 LCD顯示器、LED、按鍵，可以與受試者進行簡單的交互，如顯示時間、提醒服藥、呼叫醫護人員等。

圖2 穿戴式傳感器節點硬件結構圖Fig.2 Structure diagram of wearable sensor nod

2.2 電源設計

作為穿戴式設備，系統必須使用電池供電。為了在保證足夠續航時間的前提下盡量減小佩戴著的負擔，系統選用能量密度較高的鋰電池供電。同時，考慮到穿戴式傳感器節點在電池電量耗盡時應盡快恢復工作，系統選用了便于更換的7號3.7 V/650 mAh鋰離子電池。

由于系統選用的 CC2530、MLX90615、ADXL345等芯片均需要3.3 V供電電壓，3.7 V的鋰電池無法直接為這些芯片供電，故采用高精度穩壓芯片HT7533與10 μF的鉭電容組成可靠的降壓電路，獲得穩定的3.3 V為系統供電。

2.3 傳感器電路設計

系統采用非接觸式人體紅外溫度測量傳感器MLX90615檢測人體體溫，該傳感器由Melexis設計生產，具有極高的測量精度。該傳感器為TO-39封裝，其中集成了對紅外靈敏的熱電堆探測器芯片和信號處理ASSP（專用集成電路）芯片，能夠通過基于I2C總線規范的SMBus接口直接輸出溫度數字量，從而極大簡化了系統電路設計。該傳感器外圍電路設計如圖3所示，VCC為芯片提供所需的3.3 V工作電壓，同時為減小外界信號的干擾，在電源和數字地之間加入0.1 μF去耦電容。I2C總線的數據線SDA和時鐘線SCL分別通過10 kΩ電阻上拉至VCC，之后連接于CC2530芯片的P0.1與P0.2引腳。由于CC2530不具有硬件I2C接口，故采用模擬通信時序的方式讀寫MLX90615的RAM和EEPROM，從而得到人體體溫數據。

圖3 MLX90615原理圖Fig.3 Schematic of MLX90615

本系統使用一個簡單的反射式光電脈搏傳感器模塊來檢測受試者的脈搏，該模塊成本較低、性能穩定，其電路原理圖如圖4所示[4]。其基本原理是依據光電容積法檢測由于心臟泵血引起的人體末端毛細血管的體積變化，從而間接測量出心臟的跳動情況。

圖4 反射式脈搏傳感器模塊原理圖Fig.4 Schematic of pulse sensor module

該模塊選擇了模擬輸出的APDS-9008環境亮度傳感器。該傳感器在設計上緊貼人眼的光譜響應曲線，對于波長500 nm左右的綠光尤其敏感，故本電路選擇了綠色LED作為反射光源。APDS-9008輸出電流信號，通過一個12 kΩ的電阻進行I/V變換，得到的信號進入無源低通濾波網絡，濾除高頻干擾后經過一個基準電壓為VCC/2的反向比例放大電路放大后輸出。CC2530通過內置的A/D轉換器以100 Hz的采樣頻率獲取該模塊的輸出電壓，通過對信號的分析計算，獲得受試者的脈搏。

系統采用ADXL345加速度傳感器來實時檢測人的姿態，對于跌倒等情況能及時報警。ADXL345三軸加速度傳感器測量范圍達±16 g，具有3.9 mg/LSB的高分辨率，同時具有許多特殊檢測功能，如活動非活動檢測、敲擊檢測、自由落體檢測等，而這些功能可以映射到兩個中斷輸出引腳中，從而為系統的低功耗設計提供了極大的便利。ADXL345與MLX90615一樣使用I2C總線通信，其數據線SDA和時鐘線SCL分別連接于CC2530的P0.1和P0.0引腳上，因為其器件地址與MLX90615不同，CC2530在與他們通信時并不會產生干擾。

2.4 人機接口電路設計

穿戴式傳感器節點可以通過LED指示燈、按鍵、Nokia 5110 LCD與受試者進行簡單的交互。其中，LED用來顯示脈搏的跳動，按鍵用來執行簡單的設定，Nokia 5110 LCD用來顯示受試者的脈搏、體溫等基本信息。兩顆LED使用驅動能力較強的P1.0、P1.1引腳直接驅動，兩枚按鍵經過10 kΩ上拉后連接至P0.4、P0.5引腳，Nokia 5110 LCD使用 SPI接口與CC2530連接通信。

3 穿戴式傳感器終端節點的軟件設計

穿戴式傳感器終端節點使用TI公司的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0協議棧開發，該協議棧在實現了ZigBee協議基本功能的基礎上，提供了一個基于事件驅動的輪詢式操作系統，稱為 OSAL（Operating System Abstraction Layer，操作系統抽象層）。OSAL為開發者提供了任務切換、內存管理等功能，在提升無線傳感器網絡穩定性的同時大大降低了開發難度[5]。

ZigBee網絡可以具有多種拓撲結構，如星型網絡、樹形網絡、網裝網絡，根據具體的需要可以在Z-Stack中進行相應的配置。在這些網絡拓撲結構中，無線傳感器網絡都是由協調器建立的，穿戴式傳感器終端節點在上電初始化后會自動掃描信道尋找合適的網絡，發送入網信息，在得到確認信息加入網絡后，立即進入休眠模式，等待定時器喚醒采集傳感器信息。

具體說來，穿戴式傳感器終端節點加入網絡后，在協議棧中設定COLLECT_INFO時間的為10 ms，定時10 ms的事件周期。由于體溫變化緩慢，具有大慣性特性，所以每100個事件周期讀取一次MLX90615的寄存器獲得體溫數據，并將體溫顯示于LCD上。脈搏傳感器穩定輸出的幅值大于2 V，脈寬在120～190 ms的尖峰脈沖代表了脈搏跳動，因此每個事件周期內都通過CC2530內置的A/D轉換器對脈搏傳感器的輸出進行采樣。利用狀態機原理，當連續監測到12個采樣值大于2 V時，認定為一次脈搏跳動。最后通過在一段時間內的脈搏計數算出受試者的脈搏，并將具體數值顯示在LCD上。最后，當傳感器信息采集完成后，將數據打包，調用協議棧中提供的數據發送函數AF_DataRequest（）將數據發送到父節點。具體工作流程詳如圖5所示。

穿戴式傳感器終端還具有跌倒檢測報警的功能，這主要是依據文獻[6]提出的跌倒檢測算法進行實現的，通過加速度傳感器依次對人體跌倒時的3種關鍵特性（失重、撞擊和靜止）進行識別，從而判斷人體跌倒。配置ADXL345的自由落體檢測中斷與活動檢測中斷，并映射至中斷輸出引腳。系統檢測到相應中斷后進行判斷，若判斷為跌倒的情況，則立即向協調器發送報警指令，完成跌倒檢測報警。

4 系統測試與討論

根據本文的設計，制作了4個穿戴式傳感器終端節點，如圖6所示，其佩戴效果如圖7所示。為了模擬病房結構，將該系統其布置于學生宿舍，并配置為星型網絡。經過一周的試驗，該系統運行良好，可以較準確地獲得4位受試者的體溫、脈搏數據，能檢測出大部分的跌倒情況，基本達到了設計要求。

圖5 軟件設計流程圖Fig.5 Flow chart of software design

圖6 穿戴式傳感器終端節點Fig.6 The real picture of wearable sensor node

圖7 穿戴式傳感器終端節點佩戴圖Fig.7 The real picture of a working wearable sensor node

但是通過實驗，我們也發現了本系統的許多不足，比如跌倒檢測不夠精確，存在誤報的情況，系統的電力不是十分充足，只能連續工作一周的時間，但是考慮到系統的成本、工藝等因素，在當前的技術條件下已經取得了不錯的效果。

5 結束語

本設計以ZigBee無線通信技術和傳感器技術為核心，以相對低的成本實現了低生理、心理負荷下對人體體溫、脈搏、生理姿態的獲取。若該穿戴式醫療監護系統節點能在醫院、養老院等機構推廣開來，可以提高病人、老人的生活質量、減少醫護人員的工作量，同時為醫生的診斷提供更加豐富詳細的數據依據，具有較好的應用前景。

[1]王子洪.基于WSN穿戴式系統的研究現狀與展望[J].中國醫療設備，2012，27（2）：62-65.WANG Zi-hong.Status and prospects of wearable system based on WSN[J].China Medical Devices，2012，27（2）:62-65.

[2]Adams J T.An introduction to IEEE STD 802.15.4[C]//Aerospace Conference， 2006 IEEE.IEEE，2006:8.

[3]Texas Instruments.CC253x System-on-Chip Solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications User's Guide[EB/OL].[2009-04-01].http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=swru191.

[4]Joel M，Yury G.Pulse Sensor Open Hardware[EB/OL].[2012-3-12].http://pulsesensor.myshopify.com/pages/openhardware.

[5]王小強，歐陽駿，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].北京：化學工業出版社，2012.

[6]陳均，王憶文.基于ZigBee的定位和人體跌倒檢測系統[J].電子技術應用，2012，38（12）:29-31.CHEN Jun，WANG Yi-wen.ZigBee-based localization and human fall detection system[J].Application of Integrated Circuits，2012，38（12）:29-31.