基于ZigBee的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)

【摘要】針對我國醫(yī)療資源緊缺及預防治療體系不完善的現(xiàn)狀，本文提出了一種基于ZigBee的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，該系統(tǒng)由生理信息采集傳感器節(jié)點，CPU處理模塊，ZigBee模塊，家庭網關節(jié)點組成，可將測量到的各種生理信號后通過無線傳感器網絡傳輸至醫(yī)院醫(yī)療監(jiān)護中心，實時監(jiān)控，給醫(yī)療監(jiān)控及治療提供了可行的解決方案，具有一定的實用價值。

【關鍵詞】Zigbee;遠程醫(yī)療;無線傳感器網絡;家庭網關

1.引言

我國老年人口的日益增多，中青年人群工作壓力的不斷增大，導致了各種慢性疾病的蔓延，人們逐漸意識到健康的重要性，而很多的慢性病形成是由于長時間的生活習慣不科學及生活工作環(huán)境不健康所導致的。通常要康復慢性病需要進行長期的跟蹤治療，可是由于病人工作時間及工作地點的限制，大量病人不可能長時間留在醫(yī)療機構接受治療，因為這樣即加重了病人往返醫(yī)院的時間經濟負擔也增加了病人因病而來的負面情緒。特別是有些慢性病（如心腦血管疾病）需要監(jiān)測發(fā)病時的生理參數(shù)，但病人入院復診時未必發(fā)病，影響了診斷的有效性和準確性。此外多數(shù)的病人具有自由活動的能力，但目前的監(jiān)護方式使得病人被束縛于醫(yī)院和病床。如何能讓被監(jiān)護者及時、方便的就醫(yī)，盡可能的享受到更多的醫(yī)療資源，甚至在家中就能享受完善的醫(yī)療監(jiān)控，這些都成為了社會和醫(yī)療領域共同關注的焦點[1]-[3]。

本文提出的基于ZigBee技術的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，采用生理傳感器數(shù)據(jù)檢測與遠程無線傳輸?shù)姆椒ǎo醫(yī)療監(jiān)控及治療的研究提供了可行的解決方案。

2.系統(tǒng)網絡架構

本文研究對象是醫(yī)院對居民小區(qū)病人實施的遠程監(jiān)護，整套遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)可由三部分組成，分別是：生理參數(shù)采集、傳輸和遠程監(jiān)控。如圖1所示為方案設計框圖，本設計使用無線傳感器來采集病人的生理參數(shù)信息，通過 ZigBee 無線通信方式將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至具有協(xié)調器功能的家庭網關，家庭網關再將數(shù)據(jù)處理后通過小區(qū)無線局域網傳輸至醫(yī)院醫(yī)療監(jiān)護中心，實時監(jiān)控。

圖1 基于Zigbee的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)設計方案

3.系統(tǒng)硬件設計

3.1 生理信息采集傳感器節(jié)點的組成

生理信息采集傳感器節(jié)點，其功能是采集人體生理信息數(shù)據(jù)，采用無線網絡的通信，將數(shù)據(jù)傳輸至橋接協(xié)調節(jié)點。如圖2所示，該節(jié)點按功能劃分主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、ZigBee通信模塊數(shù)據(jù)傳輸模塊、CPU處理模塊和電源模塊。

圖2 生理信息采集傳感器節(jié)點組成框圖

3.2 生理信息采集傳感器選擇

生理信息包含多種數(shù)據(jù)，如呼吸、脈搏、體溫、血壓、血氧飽和度、心電圖等，需要多種傳感器來一一實現(xiàn)。其中，脈搏信息采集模塊采用了HKG-07A紅外脈搏傳感器，HKG-07A紅外脈搏傳感器利用紅外線檢測由于心臟跳動而引起的手指尖內微血管容積發(fā)生的變化，經過信號放大、調理、整形輸出同步于脈搏跳動的脈沖信號，從而計算出脈率;呼吸信息采集模塊采用了HKH-11C呼吸波傳感器，該傳感器采用壓電材料在人體腑部檢測人呼吸產生的腑部收縮和舒張壓力的變化。經過前置 放大、信號調理、幅度調整、AD等電路，輸出呼吸波形數(shù)據(jù);血氧飽和度信息采集模塊采用了SWS01，該模塊完全參考進口 BCI 血氧板制造，能夠快速、準確地測量血氧飽和度和脈率，采取屏蔽措施抗高頻干擾，讀數(shù)極為穩(wěn)定，滿足ICU，CCU和麻醉手術應用，符合FDA和CE要求的電氣安全設計，單電源5V供電工作，低功耗設計，簡單的串口連接，易于集成[4]。

圖3對這三種數(shù)據(jù)采集傳感器的硬件進行了展示，其中圖3（a）為脈搏信息采集節(jié)點，圖3（b）為呼吸信息采集節(jié)點，圖3（c）為血氧飽和度信息采集節(jié)點。

圖3 生理信息采集傳感器

3.3 生理信息采集終端CPU信號處理模塊

考慮到低功耗、高性能及高可靠性的需要，生理信息采集終端CPU信號處理模塊，采用了ATMEL公司的ATMEGA128L芯片。該芯片是在AVR RISC架構的基礎上所設計的8位低功耗CMOS微處理器。由于該芯片先進的指令集和單周期指令執(zhí)行所用時間較短，ATMEGA128L的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，因此能很好的解決系統(tǒng)在功耗和處理數(shù)據(jù)速度之間的矛盾。

3.4 ZigBee通信模塊設計

ZigBee通信模塊的功能由Chipcon公司的CC2420射頻芯片完成。該芯片將傳感器采集到的生理信息運用ZigBee無線傳輸協(xié)議發(fā)送出去，由家庭網關節(jié)點接收后再通過無線局域網上傳給醫(yī)院的終端服務器。CC2420是TI公司開發(fā)的首款符合ZigBee標準的2.4GHz射頻芯片，集成了所有ZigBee技術的優(yōu)點，可快速應用到ZigBee產品，其工作頻帶為免授權的2.4G頻帶，數(shù)據(jù)傳輸速率達250kbp/s，硬件支持CSMA/CA功能，傳輸距離最大為100m，內部集成可用于實現(xiàn)節(jié)點測距功能的數(shù)字RSSI模塊、電源監(jiān)控和信道變換等功能模塊，包含硬件MAC和CRC自動校驗處理，具有非常高的接收靈敏度[5]。該器件是第一款適用ZigBee產品的RF器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的功耗和敏感性等指數(shù)超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性[6]。圖4給出了一個CC2420外圍電路的實例[1]，各元器件的推薦值如圖4所示。

圖4 CC2420的外圍電路設計

4.系統(tǒng)軟件設計

4.1 生理信息采集傳感器節(jié)點的軟件設計[7]

圖5 生理信息采集傳感器節(jié)點的軟件設計

ZigBee傳感器節(jié)點的軟件設計包括ZigBee協(xié)議棧和節(jié)點應用程序兩個方面，其中ZigBee協(xié)議棧是為了實現(xiàn)ZigBee無線網絡通信的功能而設計的，而節(jié)點應用程序是為了實現(xiàn)節(jié)點的具體功能而設計的。圖5是傳感器節(jié)點所實現(xiàn)的功能。用戶打開家庭網關和傳感器終端節(jié)點的電源。傳感器節(jié)點便會自動搜索是否存在網絡，若發(fā)現(xiàn)存在網絡的話，便會主動發(fā)出與網關通信的請求。成功通信后，傳感器節(jié)點便會將自身的地址信息發(fā)送給網關，網關也會將自身的地址發(fā)給傳感器節(jié)點，兩者在私有協(xié)議的基礎上完成點對點通信。傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)主要是采集到的脈搏信息、對網關命令的回復以及節(jié)點的地址數(shù)據(jù)。

4.2 家庭網關節(jié)點的軟件設計

本系統(tǒng)的家庭網關節(jié)點軟件實現(xiàn)生理信息采集模塊采集到的數(shù)據(jù)接收和處理，然后發(fā)送到無線局域網。實現(xiàn)的思路是先把ZigBee數(shù)據(jù)包轉化為TCP/IP數(shù)據(jù)包，通過INTERNET網傳送到遠程醫(yī)療機構。具體轉化過程是：無線網絡中的生理信息采集模塊通過ZigBee協(xié)議把采集到的信息打包，然后通過ARP（地址解析協(xié)議）解析出該模塊的網絡MAC地址，確定了模塊物理地址后再把數(shù)據(jù)包發(fā)送給網關應用程序，經分析后再同過SOCKET套接字把數(shù)據(jù)通過INTERNET網發(fā)送到遠程醫(yī)療機構[8]。

5.實驗測試

本系統(tǒng)把生理信息采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，由ZigBee協(xié)議通信將數(shù)據(jù)包通過家庭網關再傳到無線局域網，最終通過INTERNET把數(shù)據(jù)顯示在遠程醫(yī)療機構的上位機上。圖6顯示了對實驗病人的脈搏進行檢測并在監(jiān)護終端電腦上通過測試界面程序顯示數(shù)據(jù)的情況。

圖6 遠程電腦上顯示脈搏測量曲線

6.結束語

本文應用基于ZigBee傳輸協(xié)議的無線傳感器節(jié)點，構建了一個家庭單元-居民社區(qū)-遠程醫(yī)院的遠程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)，并初步完成了系統(tǒng)的軟硬件設計。實驗結果表明，該系統(tǒng)具有高可靠的信息傳輸性能，能實時的傳輸無線傳感器節(jié)點采集到的生理信息數(shù)據(jù)，方便了醫(yī)院對于病人生理狀態(tài)的監(jiān)控，從而做出正確的診斷結論，非常具有實用價值。

參考文獻

[1]王守利.基于無線傳感器網絡技術的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的研制.哈爾濱理工大學工學碩士學位論文.哈爾濱理工大學，2009： 1-2.

[2]王中生，黃動力.基于ZigBee的遠程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2014，（2）.

[3]繆鵬程.基于ZigBee無線傳感器網絡的遠程醫(yī)療健康監(jiān)護終端的設計[J].物聯(lián)網技術，2014，（8）.

[4]http：//www.biotester.com/Products/DigiSat.htm.

[5]Smart RF CC2420 "PRELIMINARY Datasheet[S].AS Chipcon Oslo，Norway，2004.

[6]董挺挺，沙超，王汝傳.基于 CC2420 的無線傳感器網絡節(jié)點的設計[J].電子工程師，2007，33（4）：67-70.

[7]劉建.基于ZigBee技術的遠程醫(yī)療監(jiān)護節(jié)點的設計與研究.西安.西安科技大學碩士論文.西安科技大學，2011： 39.

[8]楊順，章毅，陶康.基于ZigBee和以太網的無線網關設計[J].計算機系統(tǒng)應用.2010（19）.

基金項目：廣西機電職業(yè)技術學院2012年院級科研項目（【2012】KY004）。

作者簡介：

盧錦川（1984—），女，壯族，廣西南寧人，碩士，廣西機電職業(yè)技術學院工程師。

陳衛(wèi)國（1983—），男，河南孟州人，碩士，廣西機電職業(yè)技術學院工程師。