基于WSN的醫療監護系統的設計

徐玉炎， 明 軒 ， 張 瑞， 李奇越， 楊 潔

（1.合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009；2.杭州娃哈哈科技有限公司 浙江 杭州 310009）

傳統的醫療監護系統采用有線傳感器探頭來獲得受試者的生理數據，這類設備往往連線眾多，進行檢測時受試者只能坐臥于床，使受試者的行動受到很大限制；此外，傳統的醫療監護設備往往給受試者代理較大的生理、心理負荷，可能造成所測得的數據與真實情況有一定差距，影響病情的正確診斷[1]。

針對上述現狀，本文基于WSN技術，設計了穿戴式的醫療監護系統。受試者佩戴的傳感器終端可以實時采集病人的體溫、脈搏、姿態等生理參數，并以無線的方式傳輸至監護中心；醫生可以通過PC軟件實現對監控網絡的管理，同時可以隨時隨地訪問Web應用，實現對病人生理數據的獲取。

1 系統整體方案設計

系統主要包括監測網絡、監護中心計算機上位機程序、Web應用3部分，其整體結構如圖1所示。其中無線傳感器網絡包括協調器與穿戴式傳感器終端，傳感器終端可以采集病人的體溫、脈搏、姿態等參數，通過協調器匯聚，經RS485總線傳輸至監護中心計算機；監護中心計算機的上位機程序將監測數據存儲到數據庫中，同時對于病人危險的生理信息及時報警；Web應用與監護系統的數據庫連接，醫生可以很方便的通過手機、平板、電腦等各種終端對病人的監護信息進行訪問。

圖1 醫療監護系統總體結構圖Fig.1 Overall structure of medical monitoring system

2 無線傳感器網絡的設計

本文設計的醫療監護系統主要應用于醫院、養老院等室內場所，這些場所中的墻壁、設備都會對無線射頻信號的傳輸造成阻礙，所以如何在這樣的環境下保證網絡的穩定是本系統首先要解決的問題。同時，本系統的傳感器節點為穿戴式的，受試者會長期佩戴，為保證受試者的移動性必須使用電池供電，這就對系統的功耗提出了很高的要求，所以本系統設計的網絡必須盡量滿足終端節點的節能要求。

針對上述討論，設計出無線傳感器網絡結構如圖2所示。該網絡為兩級樹形網絡，第一級網絡為RS485總線型網絡，監護中心計算機、無線傳感器網絡協調器都掛載在該總線網絡上；第二級網絡為各個協調器與穿戴式傳感器終端組成的星型無線網絡。總線網絡保證了各個協調器與監護中心計算機在建筑物內的穩定通信，廣泛布置的協調器保證了無線傳感器網絡的覆蓋率，簡單星型無線網絡在保證可靠通信的同時極大降低了穿戴式傳感器終端的能源消耗。

圖2 無線傳感器網絡拓撲結構圖Fig.2 Topology structure of WSN

具體的無線網絡方面，本系統選擇了較成熟的ZigBee技術來搭建。ZigBee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。ZigBee網絡根據應用需要可以組成星型網絡、網狀網絡和樹狀網絡[2]。網狀網絡通過終端多跳通信來保證網絡覆蓋，故能耗較高，樹狀網絡通過配置相應的路由節點來提高網絡覆蓋，而本系統已經配置足夠多的協調器來覆蓋整個應用場所，故最簡單的星型網絡即可滿足需求，同時這種網絡中的終端節點具有最低的功耗。

本系統中所有的協調都具有同樣的網絡號，系統上電后，協調器會自動選擇一個信道，建立網絡，穿戴式傳感器終端節點會自動與最近的協調器通信，加入網絡，同時協調器為其分配一個16位的邏輯地址。在應用層，事先為每個終端節點規定了唯一的設備號，并以此來標識不同的節點。當系統需要獲得某確定節點的傳感器信息時，所有的協調器都會在網絡中廣播包含該節點設備號的指令，終端節點對設備號進行比對，如果相同則發送所需的傳感器數據。當傳感器終端節點因為移動或障礙物遮擋等原因脫離當前協調器建立的網絡時，會立即尋找最近的協調器重新加入網絡。通過這樣設計，提高了網絡的穩定性，同時了降低傳感器節點的功耗。

3 無線傳感器網絡節點的設計

3.1 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研制的CC2530核心板為基礎研制，硬件結構如圖3。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ZStack協議棧，為系統的軟硬件設計提供了極大的便利[3]。

圖3 穿戴式傳感器節點硬件結構圖Fig.3 Structure diagram of wearable sensor nod

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，該傳感器主要由紅外熱電堆傳感器、低噪聲放大器、16位模數轉換器和功能強大的DSP單元等組成，可以通過I2C總線與單片機通訊。由于CC2530不具備硬件I2C接口，故采用軟件模擬的方式獲取該傳感器的數據[4]。

系統采用反射式脈搏傳感器模塊獲取人體脈搏數據，使用ADXL354加速度計檢測人體姿態，對于跌倒等意外情況及時發送報警。穿戴式傳感器節點還加入了低功耗的Nokia 5110 LCD顯示器以及按鍵，可以與受試者進行簡單的交互。

3.2 人體脈搏數據的采集

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[5]。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。

3.3 基于加速度計的跌倒檢測

由于病人身體虛弱或行動不便，往往會發生跌倒的意外，若跌倒后沒有得到及時的救助，將會導致嚴重后果，所以跌倒監測成為本系統要解決的問題之一。系統采用ADXL345加速度傳感器來檢測人的姿態，結合相應算法，判斷病人是否跌倒，在跌倒時發送信息至監護中心計算機，完成報警。

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。

依據文獻[6]提出的跌倒檢測算法對系統進行設計，主要是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。

3.4 無線傳感器網絡節點的軟件設計

無線傳感器網絡節點的軟件包括ZigBee協調器軟件與穿戴式傳感器終端軟件兩部分。這兩部分軟均使用CC2530所兼容的Z-Stack協議棧進行開發。

根據前述網絡拓撲結構，協調器負責建立與管理ZigBee星型網絡，同時通過RS485總線與上位機進行交互。在網絡數據傳輸方面，協調器主要處理兩種情況：一種是上位機定時發送查詢命令，獲得所有傳感器的數據；一種是穿戴式傳感器終端在檢測到跌倒后向上位機發送報警指令。對于前一種情況，協調器通過RS485總線接收到上位機發送的查詢命令后，向ZigBee網絡中的所有傳感器終端廣播查詢命令，待收到網絡內所有傳感器終端采集的信息后，協調器將數據打包上傳給上位機。對于第二種情況，協調器僅僅是將收到的報警信息轉發給上位機。

圖5 醫療監護系統上位機程序Fig.5 User interface of the PCprogram

穿戴式傳感器終端節點工作較為復雜。終端節點加入網絡后，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個事件周期采集一次體溫信息。當終端節點沒有收到任何查詢命令時，僅將體溫在LCD上顯示，供佩戴者查看。當終端節點收到查詢命令時，LCD顯示信息提醒佩戴者穿戴好采集設備，開始傳感器信息的采集。此時除了溫度信息，每個事件周期均采集脈搏傳感器的模擬電壓數據。經實驗，系統選用脈搏傳感器模塊的模擬電壓信號存在一個大于2 V的脈沖尖峰信號，該信號即代表脈搏跳動。其尖峰寬度在140 ms到190 ms之間。程序中利用狀態機原理，當檢測到連續12個事件周期中采集的模擬電壓信號大于2 V后脈搏計數值加一。為保證脈搏數據的準確性，脈搏采樣的過程設置為2000個事件周期。最后將計算得到的脈搏數據連同體溫一起單播發送給協調器。穿戴式傳感器終端還具有跌倒檢測報警的功能，根據3.3所述的檢測方法，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 監護軟件設計

監護軟件分為本地上位機程序與網絡Web應用兩部分。本地上位機程序負責管理WSN網絡，并將監護數據寫入網絡數據庫，同時為醫護人員提供監護數據的顯示；網絡Web應用可供病人或醫護人員訪問，提供所需的監護數據。

4.1 本地上位機程序設計

監護中心計算機通過RS485總線網絡與所有網絡協調器進行通信，配置無線傳感器網絡，獲得無線傳感器網絡的監測數據，在為醫護人員提供病人基本信息、病人監護數據的同時，將監護數據寫入網絡數據庫。

基于以上需求，使用C#語言，結合.Net技術[7]進行編寫上位機程序，程序界面如圖5所示。計算機通過串口與RS485總線進行通信，串口操作使用SerialPort類完成。所有的病人基本信息、監護數據都存儲于網絡數據庫中，數據庫選用的是MySQL，故數據庫的訪問使用MySQL Connector/NET來實現。

4.2 網絡Web應用設計

網絡Web應用如圖6所示，用戶可以通過瀏覽器訪問該應用獲得相應的監護數據。根據設計，病人與醫護人員都能訪問該應用，但其權限不同：以病人身份登陸時只能獲得自己的監護數據，以醫護人員身份登陸后則可以獲得所有病人的監護信息。

Web應用采用Apache服務器架構，連接至存儲病人信息的MySQL數據庫。服務器端CGI程序采用PHP語言編寫，顯示圖表使用基于jQuery的動感統計曲線生成插件Highcharts，客戶端程序使用腳本語言JavaScript，實現了像動態刷新和其他的強交互型功能。通過本Web應用，病人和醫生都能隨時隨地通過網絡獲取所需的監護信息，十分方便高效，這也是本系統的一大特色。

圖6 監護系統的Web應用Fig.6 User interface of Web application

5 系統測試分析

根以上設計，制作了具有兩個網絡協調器，四個穿戴式傳感器終端的醫療監護系統，為了模擬病房結構，將該系統其布置于學生宿舍。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。同時，用戶可以通過上位機程序或者Web應用進行監護數據的訪問與系統管理，基本達成設計目標。

6 結 論

本文介紹的基于WSN的醫療監護系統以較低的成本，實現了低生理、心理負荷下的人體體溫、脈搏及姿態等生理信息的獲取，同時，結合Web技術，編寫了Web應用，實現了對監護數據的多終端無障礙訪問 ，極大提升了系統的易用性。如果該系統在醫院等機構推廣開來，能在保證準確監護結果的前提下減少醫護人員的工作量，同時減少了病人的生理、心理負擔。

[1]王虹，吳飛.醫療監護技術現狀分析與探討[J].中國醫療設備，2012，26（7）:62-65.WANG Hong，WU Fei.Research of wireless intelligent healthcare monitor system based on electronic wrist strap[J].China Medical Devices，2012，26（7）:62-65.

[2]Baronti P，Pillai P，Chook VWC，et al.Wireless sensor networks:a survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards[J].Computer Communications，2007，30（7）:1655-1695.

[3]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.

[4]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/getlite rature.tsp?baseLiteratureNumber=swru191.

[5]Joel M，Yury G.Pulse Sensor Open Hardware[EB/OL].[2012-03-12].http://pulsesensor.myshopify.com/pages/openhardware.

[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.

[7]李佳，付強，丁寧，等.C#開發技術大全[M].北京:清華大學出版社，2009.