基于ZigBee無線傳感網絡的醫療監測系統硬件平臺的構建薛儉雷，田春華

(齊齊哈爾醫學院 醫學技術學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

醫療監測系統是通過傳感器采集患者的生理參數并將各項參數送達監護中心，對患者的身體狀況進行實時監測的系統。傳統的監測系統采用有線網絡進行數據的傳輸，即將線連到患者身體進行監測。病房內，復雜的連線限制了患者的行動自由，長時間數據的采集還會增加患者的心理壓力，影響數據的準確性。各項數據需要醫護人員逐個病房記錄，給醫護人員的工作帶來很大的壓力。隨著信息化技術的迅速發展，無線通信技術被廣泛地應用到監測系統中。與有線通信相比，無線通信具有無需布線、組網靈活、參數測量及時、可移動性強等優點。[1]本文提出一種基于ZigBee無線傳感器網絡技術的醫療監測系統節點硬件的設計方案。

一 系統總體設計

ZigBee無線傳感器網絡技術的醫療監測系統中,無線傳感器節點采集患者的溫度、脈搏、血壓等生理參數并轉換為電信號，以自組織形式構成網絡,通過多跳中繼方式將患者的生理參數送達監護基站。數據的采集和輸送過程中會有大量噪音干擾，經濾波、去噪后暫存于基站的存儲器中，再通過網絡傳送給監護中心，也可將相應的參數以波形的方式顯示在監護基站的液晶顯示屏上。此外，基站接收到的生理參數出現異常時，自動向監護中心發出警報，醫護人員可及時地對患者進行急救等措施，以保證患者的生命安全。[2]

無線傳感器節點可以根據患者的實際情況進行增減傳感器，將該系統接入Internet網絡,可以形成更大的醫療監護網絡，因此基于ZigBee技術的醫療監測系統具有很大的靈活性與擴展性。系統總體結構框圖如圖 1 所示。

二 系統節點硬件平臺的構建

系統的設計要滿足低能耗、高的靈活性和安全性，較強的通信能力，較小的物理體積等要求，因此，本設計選擇Chipcon公司提供的CC2430芯片作為ZigBee的解決方案，系統的硬件平臺主要包括監護基站、路由節點和無線傳感器模塊。[3]

1.監護基站的硬件設計。

監護基站主要負責建立網絡、發送網絡信標、控制傳感器節點工作等功能。監護基站在工作過程中通過無線信道向傳感器節點發送啟動指令，傳感器節點開始監測患者的身體參數或者病房的溫濕度等數據，再將采集到的各項數據通過無線通信的方式返回監護基站，由監護基站進行進一步的顯示、存儲等操作。監護基站主要包括處理器、收發器模塊、電源模塊人機交互接口等幾個部分。[4]處理器采用Chipcon公司的CC2430芯片，該芯片將微處理器和收發模塊集成為一體，由直流電源和DC-DC變換器構成的電源模塊供電。芯片通過接口電路與計算機連接，實現數據的傳輸與轉換。輸入指令的鍵盤和顯示數據及操作過程的顯示屏構成了人機交互接口。監護基站的結構如圖2所示。

2．路由節點硬件設計。

當數據傳輸的距離較遠時，系統需要設置無線路由節點，它是由供電單元、微處理器、收發模塊組成的全功能器件(FFD)。路由節點的微處理器和收發模塊仍采用將二者集成為一體的CC2430芯片，路由節點由直流電源和DC-DC傳感器組成供電單元提供能量。硬件結構如圖3所示。[5]

3.無線傳感器節點硬件設計。

傳感器節點的體系結構由傳感器模塊、處理器模塊、無線收發模塊、能量供應模塊四部分組成，無線傳感器節點結構圖如圖4所示。傳感器模塊負責采集患者的體溫、血氧、心電等生理信息，通過模-數轉換后將數據發送至處理器模塊。處理器模塊負責控制整個節點的數據運算、存儲、功耗及任務管理等，處理器芯片選用CC2430，該芯片具有領先的射頻收發器的性能，并且在不同的運行模式之間可實現短時間轉換，適應低能耗的要求，處理器模塊可預留多個接口,如需其他類型的生理參數，只需將相應的傳感器與之連接，開發軟件，即可將節點加入該監護系統。[6]無線收發模塊負責與其他節點進行通信、交換控制信息和收發患者生理信息等，芯片CC2430、射頻部分及天線等構成無線傳輸模塊，該模塊把采集到的患者信息發送至PC機進一步處理和操作。[7]CC2430只需很少的外部電路就能完成信息的傳送。無線傳輸模塊的射頻部分由功率放大器和低噪聲放大器構成。該節點使用一個非平衡天線，將非平衡天線與非平衡變壓器配合使用可提高天線的性能，非平衡變壓器電容、電感及一個PCB微波傳輸線組成構成。兩節干電池和DC-DC升壓變換器構成了傳感器節點的供電單元，穩定輸出3.3V，滿足系統的供電要求。

三 結語

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的無線網絡通信技術，具有高可靠性、低功耗、低成本等優點,應用前景會更加廣泛, 本文將無線傳感網絡與ZigBee技術相融合，提出了基于ZigBee技術的無線傳感網絡的醫療監測系統節點硬件設計的具體方案，該系統具有較高的靈活性和擴展性,可以廣泛應用于醫療監護。

[1]劉寶.ZigBee網絡及其在醫療監護系統中的應用研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2009:36-42.

[2]張菊梅，吳效明.基于ZigBee的ICU病房實時監護系統設計[J].醫療衛生裝備，2009，30(7):28-30.

[3]孫凱明,石磊,鄧廣龍，等.基于msstatePAN協議棧的無線傳感器網絡設計[J].自動化技術與應用,2010,29(11):58-60.

[4]孟欠欠.基于ZigBee技術的醫療監護網絡的設計與研究[D].江蘇:江蘇大學,2010:20-27.

[5]曹靖華.基于無線傳感器網絡的遠程醫療監護系統研究[D].上海：上海交通大學，2008:22-41.

[6]戚晴晴.社區醫療系統中ZigBee通信網傳輸設計和可靠性研究[D].北京:北京郵電大學，2009:13-21.

[7]劉建.基于ZigBee技術的遠程醫療監護節點的設計與研究[D].西安:西安科技大學, 2011:17-31.