新型Zigbee無線傳感器網絡的心電監護系統的研究與設計

李建設，張友能

（安徽工貿職業技術學院，安徽 淮南 230007）

新型Zigbee無線傳感器網絡的心電監護系統的研究與設計

李建設，張友能

（安徽工貿職業技術學院，安徽 淮南 230007）

現有的有線心電圖監測和保護系統具有連接比較復雜、移動麻煩以及擴展不良等弊端。這種在Zigbee網絡基礎上的心電圖監測系統，正是為了解決這些問題而提出的。想解決這些問題，在進行收集心電信號與研究電路圖之后，進一步探討了可以實現模數轉換以及可實現調節網絡節點的研究，從而設計了Zigbee整個網絡的系統，最終實現監測軟件的研究。實驗顯示，此系統相對來說更靈活并且可以更好的擴展，這樣就可以更方便快捷的進行心電監測。

心電；Zigbee；A/D轉換；無線網絡

0 引言

對人體十分關鍵的一些生理值包含在心電信號中，為了提前知道并及時醫治心腦血管方面的疾病，非常關鍵的一點就是要對此類生理值進行監督和測量，最近一段時間，由心臟類疾病引發的死亡率逐漸顯現出增高的趨勢，心腦血管類的疾病己經成為在全球范圍內非常普通的，也經常危及人類身體健康的一種疾?。?］，因為這類疾病發病大多都很偶然，之前沒有預兆，所以為了預防和治療心腦血管病，一定要堅持對患者進行一段時間的治療；另外，心血管病發病的偶然性和突發性要求我們一定要把握好治病的時間，如得了急性心梗的患者，最好是在發病60分鐘以里為患者進行治療，根據調查顯示：超過80%的病人在心梗病發的60分鐘內并沒有得到有效的醫治［2］，考慮到以上事實，就急需找到某些行之有效的途徑，在患者入院后，醫生能以最快的速度了解到患者的相關心電值，也就縮短了從病發到接受治療患者可能錯過的最佳治療期，這樣，心電監護就提供了一種非常適合的方便的解決途徑。

當今社會，人們開始越來越多的關心身心健康方面的相關知識，而無線傳播技術、傳感科技等相關技術的進步，為健康的檢測和遠程就醫提供了可能，其中健康的監測和保護最為常用的則是心血管監護一項，現代醫學設備發展的一個分支就是設計心電的檢測和保護系統［3］，建立具有很多功能的心電監測和保護系統，一方面可以對病人進行及時準確的心電監測和保護，另一方面也可以直接對病人的心電值進行研究和判斷，大夫可隨時通過這一系統觀察病人的心電顯示圖，如看到不正常的心跳，系統就會馬上發出提示信號，系統可將病人顯現病癥的心電圖經由傳輸線發送到大夫那里，以便大夫及時做出最佳治療辦法，從而縮短耽誤病人的治療時間，并使病人早日康復出院。

0.1 心電監護系統

目前，心臟類的疾病時時刻刻都影響著我們的身體健康，甚至危及生命，由于心電監護類系統具有輔助醫生進行相關病癥的監護與診斷的功能，已經成為臨床心血管類疾病診療的常用儀器之一，醫院里常用的心電檢測和保護儀器有三種：一種是實施臨床監護的心電監測和保護系統；第二種是Holter系統，需要患者進行24小時佩戴，以記錄動態的心電數據，但它不具有實時監測與數據傳輸的功能；第三種是能夠進行實時動態監測的可遠距離控制心電監測和保護系統［4］。

0.2 遠程心電監護系統

因為心腦血管類的疾病發病一般都比較突然，很多病人在發病之前并沒有明顯的征兆，突然發病，往往很難及時被送到醫院，而對于這些突發疾病的病人，如果不能得到及時救治，很可能因此失去生命，故而，一定要盡可能讓病人在第一時間得到醫治，因此，研究與設計遠程心電的監測與保護系統已經成了學界普遍關注的課題，目前大多遠距離控制心電監測與保護系統主要是通過那些運營商的GPRS/3G/WCDMA網絡實現非靜態的監測和保護，與其他遠距離控制的心電監測和保護系統相比，在Zigbee的基礎上建立的系統因為制作花費少、能量消耗少、有很好的抗干擾能力的這些優點，已經備受學界關注［5］。

1 Zigbee介紹

Zigbee是一種操作比較規范嚴格的，只適用于不是很長距離的無線信息傳播技術，它與速率較慢的非有線網絡相匹配，結合IEEE802.15.4的系數，在成千上萬的特別小的傳播感應器之間互相傳遞信息，那些傳播感應器僅僅消耗一點點能量，信息就會以一傳一的方式在兩個節點之間進行傳遞，這樣就能達到在世界2.4GHz無需付費的范圍內進行高速、低能耗的信息傳播目的［6］，并且Zigbee系統可以檢查和測量能量，同時還結合了防止碰撞的技術，從而有效解決了數據傳輸過程中數據矛盾的問題，有關于網絡安全的問題，128位的嚴密算法被用在這一系統，以對相關信息做好保護工作，這樣就能確保信息在傳遞過程中不被篡改和盜用，截止目前，其它國家在家用互聯、管控網絡和移動電話設備等一些地方或多或少接受了Zigbee技術，然而目前在Zigbee技術基礎上搭建的網絡只能在非有線個人區域網拓撲的結構使用［7］，協議要求的節點量大大超過各接收點可以包含的傳播感應器的節點量，為實現傳播感應器網絡高密度覆蓋的目標，我們一定要做繁瑣的組網，這樣一方面會提高網絡的繁瑣性，另一方面也將提高全部網絡的能量消耗和制作投資，同時也會降低傳播感應器節點的使用壽命，基于Zigbee創立的非有線傳播感應器網絡會在很大程度上解決這些問題，在Zigbee技術基礎上創立的非有線傳播感應器網絡具有能量消耗少、制作投資少、設計精簡、體積不大、易于拓展、方便安全等優點，這一技術用AdHoc的方法把一系列Zigbee節點組合成非有線網絡，它一般采取協調運作的方法，可及時準確地感應、收集以及處理網絡包含區域內感應對象的信息，在傳播感應器網絡中的一些或所有節點并不是固定不動的，傳播感應器網絡的中主要結構同時也會因為節點位置的變化而進行移動［8］，所有傳播感應器的匯節點都可以完成非靜態的搜索、追蹤定位以及重新連接的任務，綜上所述，這種非傳統無線傳播感應器網絡技術一定會在很多領域都得到使用，圖1即是Zigbee無線傳播感應器網絡結構體系。

圖1 Zigbee無線傳播感應器網絡結構體系

2 系統結構

本文探討的在Zigbee基礎上建立的非有線網絡心電監護系統，是想達到給心電進行沒有遙測與非一個人的監督和測量，這個設計采用的CC2430非有線模型塊是適用于Zigbee科技參數的，同時在設計過程中也參考了拓撲結構的MESH呈網態的拓撲形式［9］，這一網絡跟其他網絡不同，它以一個傳一個的方法把信息在兩點之間進行傳播，它可以實現智能創建與保護信息的作用，并不需要人為的操作，MESH形式里面的協作控制器與路由器一定要是FFD，移動設備則可有FFD與RFD兩種，所以研究創建系統的時候，主站會被放在醫院的某個監管保護室里，即上文提到的FFD，同時會為各病房配備獨立的FFD，即路由器，最后就是給各患者提供各自的RFD，即移動設備，由此，大夫就可以在監護室里，通過由移動設備發出中間通過FFD，最終傳到主站的心電信息來實時了解病人的信息。

圖2給出了系統設計時分層級的結構，適用2.4G Hz IEEE 802.15.4的收取發射頻率器（ChiPcon公司首推）與高端的微型控制器被組合應用在這一非有線心電監測和保護系統中，主要通過里面的微型控制器在固定時間收取和發射遠距離的信息傳遞，這樣就可以實時對患者進行檢測和保護，而創建非有線網絡、檢測和保護主機傳遞信息的工作則由網絡協作調節器來負責，調控心電信息的收集和轉移置換則由終端節點來完成，最后，通過主站的心電監測程序來反映出病人心率這類信息。

圖2 心電監測保護系統分層體系圖

3 系統設計

3.1 系統硬件與軟件設計

主站是這個心電監測和保護系統中最重要的部分，它大體上負責集中監測所有移動儀器上的心電信息、及時準確的分析、貯存、重播、打印相關信息以及監控所有設備上系數的工作，為了更好的發揮主站的作用并實現有效的通信，在硬件系統方面，選擇了由韓國三星研發的53C2410A處理器，這一處理器的內部核心是ARM920T，這一處理器是一個性能強大的微型控制器，它配備了適用于各種設備的接口，從而大大減少了所有設備的能量消耗，該主站的中心是53C2410A，同時可以拓展16MB內存的SD RAM以及32MB內存的Nand Flash芯片，同時以FO接口接入指示燈、鍵盤和液晶顯示屏這些硬件設施；配備了可以跟電腦傳遞信息的USB 2.0接入口；通過CC2430無線模塊完成同路由器之間的信息傳遞（具體參照圖3）。

uC/os-II實時操作形式被移動放置于53C2410A里，這樣就能更好地對患者進行實時監測和保護，從而保證了系統研發的時效性和安全性，參見圖4內容。

圖3 監護系統主站的硬件體系

3.2 定位算法

最小值二乘來進行測量距離并且定位的計算方法被用在本文的計算中，通過這種算法把傳入主站的數據中不小于3的一般信標數值的大體位置估算出來，從而確定其位置，等其位置確定了就可把它看做是一個信息標記的節點，詳細的操作過程即是：我們假設心電監測保護系統里一個二維范圍里存在n個超波感應器的節點，把信息標示節點用坐標點A1（x1，y1）...An（xn，yn），一般的節點坐標用（x，y）標注，一般節點與信息標示節點之間線段用r1...rn表示，這樣我們就得到了這樣三個線性方程式EX=a（1）

圖4 監護系統主站的軟件結構

線性方程組建立后，代入（4）式，就可以確定出普通節點的大體位置。

路由器的作用大體就是把心電信息由設備終端傳輸到主站，因此它就成了這個監護系統的中樞節點，在路由器的選擇上，用了比較經濟實惠的PIC18LF8722微型控制器與非有線模塊CC2430的組合，在軟件方面，因為監測保護系統中的距離測算方法是用最小值二乘的算法，這樣所有的節點就僅維系它們需求的路由，而傳遞信息過程中沒有到達指定節點路由則由沒有需要的節點來負責，這樣就保證了所有可動的節點之間建立起智能動態的逐層跳動的路由，路由的流程參見圖5。

3.3 無線節點電路設計

無線節點主要由負責協調、移動與收取數據的三種節點組成。

從上面的圖6看出，協作調節器節點的主體是CC2430無線模塊，就是通過它來實現信息收入節點與移動節點的位置劃分，進而由這些位置來完成信息在各個節點間的交互傳播。

在上面圖7中，信息收入節點的主體也是

圖5 路由算法流程圖

圖6 協調器節點框圖

圖7 數據接收節點框圖

CC2430無線模塊，其工作就是負責Zigbee非有線信息包的收入。

圖8 移動節點框圖

如圖8，由于本系統需要提供定位病人的功能，因此移動節點選擇了CC2431這款帶硬件定位引擎的Zigbee芯片。

3.4 終端設備

因為終端設備會與患者的身體直接接觸，所以我們要求設備盡可能的產生最少的輻射、消耗最少的能量并且不輕易被外界干擾，終端設備平臺的主體由CC2420和TI公司生產的MsP430處理器構成符合能量耗損非常低的需要，它在實時監控狀態下的電流只有8mA，同時還用傳播感應器把終端設備同患者聯系在一起，擴大、濾波和轉換從患者處采集的心電訊息，然后將會在固定的時間把這些處理過的信息傳輸到路由器，經路由器最后發送至主站；在未發送心電訊號的模式下，CC2430的能量消耗非常少，從而減少終端設備的能量耗損并且減少對患者身體的影響，終端硬件的體系參見圖9。

4 實驗結果

在Zigbee基礎上建立的非有線傳播感應器網的心電監測保護體系具有能量消耗少、抗干擾能力強和安全性高的特點，它可把整個體系的能量消耗及設備對患者身體的輻射影響實現最小化，這樣就能確保系統以最佳的狀態來完成處理信息和收集數據等任務，實驗在三個病房的區域里建立了這樣的心電監測保護系統：三個病房各自配備一個終端設備，同時在整個范圍內設置一個路由器，主站設施則被放在監測保護室里，按照上述規劃的結構系統，信息的收集由100Hz的八位刀D的轉移置換器來完成，同時它也分別從移動終端與主站系統里采集相關心電波信息，參見圖10與圖11，將這兩個圖的信息進行比較，我們發現心電波信息在通過監測保護系統之后并沒有明顯的變化，只能看到某些區域因系統在傳遞信息過程中沒有按時發出信號而引起的不明顯的震動。

圖9 終端設備硬件體系

圖10 終端設備獲取的心電信息

圖11 主站設備收取的心電波信息

實驗檢測這一系統的原型機的結果證明，這一設計可以很好地抵抗外界干擾，同時具有75m的最遠輸送距離和250KB/S的高輸送率，已經滿足了實驗前的要求設定，未來可能會被更多的應用。

5 結語

與以往的監測保護體系的模式不同，在Zigbee基礎上建立的模式的設計概念是對患者進行非固定的監測和保護，同時它的微型處理器的價格也比較合理，其采用的CC 2430無線模塊也具有能量損耗少、糾正錯誤能力強等特點；另外，系統內部心電信息的傳遞是采取最小值二乘的方法來確定位置的；最后，在完成了設計原型機的臨床檢測之后，我們得出此設計不但安全可靠而且可以很好地抵抗外界的干擾，據了解，該系統現在已經處在臨床的試驗這一階段并且一直保持良好的工作狀態，事實再次說明Zigbee非有線傳播感應器網絡系統石可以被用在遠距離心電監測保護系統中的。

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［2］ 孫鳳池，宋萌，劉光.一種無線傳感器信號衰減自適應測距模型［J］.智能系統學報，2012（3）：213-215.

［3］ 田福英.便攜式心電監護系統中心電信號的實時分析方法設計［J］.中國醫學物理學，2012（2）：3143-3145.

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［6］ 杜月林，石欣然，王克寒.基于zigbee技術的室內定位系統算法研究及實現［J］.計算機技術與發展，2014（2）：1-8.

［7］ 董珍珍，楊云.淺析zigbee技術及其應用［J］.科技視界，2012（24）：209-211.

［8］ 曲振寧.基于zigbee的無線傳感器網絡節點設計及其在遠程健康監護中的應用［D］.長春：吉林大學，2006.

［9］ 金純，羅祖秋，羅鳳.等.Zigbee技術基礎及案例分析［M］.北京：國防工業出版社，2008.

責任編輯：吳旭云

Research and Design of ECG M onitoring System of NeW ZigBeeW ireless Sensor NetWork

LIJianshe，ZHANG Youneng
（Anhui Vocational and Technical College of Industry and Trade，Huainan 230007，China）

The existing cable ECGmonitoring and Protection system has the disadvantages that the connection is comPlex，shift is not easy and exPansion is bad，etc.The ECGmonitoring system based on network is Put forward in order to solve these Problems.After the collection of ECG signals and study on the circuit diagram，this PaPer further exPlores the analog digital conversion and the regulation of network nodes，designs the system of Zigbee network to ultimately realize research ofmonitoring software.ExPeriments show that the system is relativelymore flexible and can be better extended，and ECGmonitoring can bemore convenient.

ECG；Zigbee；A/D conversion；wireless network

TP29

A

1009-3907（2015）06-0024-06

2015-04-14

安徽教育廳自然科學研究項目（KJ2013Z014）；安徽教育廳自然科學研究項目（KJ2013B037）

李建設（1974-），男，安徽碭山人，講師，主要從事電路與系統方面研究；張友能（1973-），男，安徽銅陵人，副教授，碩士，主要從事微機測控技術和物聯網技術方面研究。