基于ZigBee的人體健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張玉++姚凱學(xué)

摘 要：基于ZigBee技術(shù)的人體健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涵蓋了對(duì)脈搏、血壓、體溫等參數(shù)的采集，并通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行傳輸。在監(jiān)控中心建立以社區(qū)人員為中心的電子健康檔案，為人體的健康提供數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)電子健康檔案來(lái)滿(mǎn)足醫(yī)生對(duì)所需數(shù)據(jù)的要求，通過(guò)分析用戶(hù)電子健康檔案存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息來(lái)了解其日常的活動(dòng)狀況，加強(qiáng)醫(yī)生對(duì)患者的了解，從而開(kāi)啟因人而異的治療方式。

關(guān)鍵詞：ZigBee；數(shù)據(jù)采集；無(wú)線傳輸；健康檔案

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

隨著居民生活水平的提高、人口老齡化的加速與下一代健康安全問(wèn)題的日益突出，老人和兒童的健康監(jiān)護(hù)需求不斷加大。目前的醫(yī)療資源與水平無(wú)法滿(mǎn)足這種需求。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的快速發(fā)展，其在遠(yuǎn)程醫(yī)療領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮了無(wú)可替代的重要作用[1]。目前，在國(guó)外已有科研人員將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，對(duì)被監(jiān)護(hù)者的心電信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、監(jiān)護(hù)[2]，也有將ZigBee應(yīng)用于智能家庭醫(yī)療保健的方案。而在國(guó)內(nèi)，市場(chǎng)上采用無(wú)線傳感器和ZigBee技術(shù)對(duì)家庭健康數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的相關(guān)產(chǎn)品還不多。

基于Internet的社區(qū)健康遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)采集方式是研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)問(wèn)題。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)建立的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)采集儀就可以讓患者在社區(qū)享受到大型醫(yī)院的常規(guī)檢查，減少排隊(duì)現(xiàn)象。還可以提高醫(yī)生看病診斷的效率，加強(qiáng)居民對(duì)自身狀況的了解，更正不正確的生活方式與不健康的生活習(xí)慣，以達(dá)到做好疾病預(yù)防、提高居民健康水平、減少醫(yī)療機(jī)構(gòu)壓力的目的。

本文以物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算為依托，提出了基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的遠(yuǎn)程健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與社區(qū)醫(yī)院結(jié)合，面向患有心臟病、高血壓的老人及其他需要實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)的病人，完成對(duì)人體生理參數(shù)的采集、上傳，并將詳細(xì)數(shù)據(jù)提供給醫(yī)生以方便醫(yī)生進(jìn)行診斷。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)主要由健康數(shù)據(jù)采集傳感器、ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)、智能終端、云平臺(tái)組成，通過(guò)傳感器采集人體生理參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，再通過(guò)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將人體生理參數(shù)傳送至云平臺(tái)，在云平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體各項(xiàng)生理數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能。

1.1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee網(wǎng)絡(luò)通常由協(xié)調(diào)器（Coordinator）節(jié)點(diǎn)、路由器（Router）節(jié)點(diǎn)、終端設(shè)備（End Device）/傳感器節(jié)點(diǎn)[3]組成。協(xié)調(diào)器用來(lái)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并為加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)需要且只需要一個(gè)協(xié)調(diào)器；路由器可以起到路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的作用，又可以作為數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，還可為加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址[4]。

ZigBee技術(shù)具有短距離、低功耗、抗干擾性較強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于遠(yuǎn)程健康數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。無(wú)線信號(hào)基于CC2530芯片構(gòu)造的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸，采用Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢宰詣?dòng)建立傳輸網(wǎng)絡(luò)。Mesh網(wǎng)絡(luò)可使數(shù)據(jù)經(jīng)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸，從而使付出的功率代價(jià)最小。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)主要將生理信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)無(wú)線通信的方式將生理信號(hào)的數(shù)據(jù)發(fā)送到上層（中繼）節(jié)點(diǎn)。中繼節(jié)點(diǎn)把接收到的數(shù)據(jù)信息按照地址傳送、轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)Internet或串口與監(jiān)護(hù)中心相連，將接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)傳送至PC機(jī)，提供給醫(yī)護(hù)人員方便其分析與診斷。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器終端設(shè)備的控制及對(duì)終端傳感器數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)發(fā)，及時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與監(jiān)護(hù)。

ZigBee協(xié)調(diào)器在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能存在一個(gè)，其主要負(fù)責(zé)建立和初始化ZigBee網(wǎng)絡(luò)及確定ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作及網(wǎng)絡(luò)地址分配等。

ZigBee路由設(shè)備作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)從終端節(jié)點(diǎn)到ZigBee協(xié)調(diào)器的中轉(zhuǎn)工作，并為數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)辟了更為有效的路徑。

由于傳感器采集模塊具有低功耗、輻射小、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此人體可直接佩戴，通過(guò)傳感器來(lái)采集人體相關(guān)信息[5]。

為降低系統(tǒng)功耗，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的傳感器設(shè)備采用簡(jiǎn)化功能設(shè)備（Reduced Function Device，RFD）器件來(lái)設(shè)計(jì)，ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器采用全功能器件（Full Function Device，F(xiàn)FD）設(shè)計(jì)，可有效減少不必要的功耗。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 生理數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)

生理數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是進(jìn)行人體生理數(shù)據(jù)采集，通過(guò)與之相連的無(wú)線傳輸模塊將生理數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

數(shù)據(jù)采集終端采用德州儀器（TI）的CC2530芯片，內(nèi)置MCU8051單片機(jī)，負(fù)責(zé)天線與上層節(jié)點(diǎn)通信。當(dāng)接收到上層發(fā)送過(guò)來(lái)的測(cè)量命令時(shí)，向傳感器模塊傳達(dá)采集命令并接收測(cè)量數(shù)據(jù)。生理數(shù)據(jù)采集終端如圖3所示。

當(dāng)傳感器采集到人體生理參數(shù)后，通過(guò)ZigBee模塊內(nèi)置的CC2530單片機(jī)的AD模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)無(wú)線模塊RF射頻部分將數(shù)據(jù)發(fā)送至路由節(jié)點(diǎn)或者ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)。CC2530芯片外圍電路的接線如圖4所示。蜂鳴器部分的電路如圖5所示。

2.2 ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)ZigBee數(shù)據(jù)報(bào)文與以太網(wǎng)報(bào)文的雙向轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)ZigBee和TCP/IP兩種不同的協(xié)議格式，因此需在網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中將ZigBee數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為T(mén)CP/IP數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸。

本設(shè)計(jì)采用三星生產(chǎn)的S3C6410芯片作為網(wǎng)關(guān)處理器。S3C6410是三星公司基于ARM11內(nèi)核推出的一款高性?xún)r(jià)比、低功耗的16/32位RSIC微處理器[6]。該處理器為了提供更好的硬件性能，采用由AXI＼AHBT APB總線組成的64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)。它還內(nèi)置了許多強(qiáng)大的硬件加速器，具有音頻處理、視頻處理、二維圖形加速、顯示處理等功能[7]。其芯片內(nèi)部集成1個(gè)LCD控制器，支持TFT-24 bit真彩色帶有觸摸屏的液晶顯示屏，SDRAM控制器，NAND Flash控制器，支持4通道UAR口，32通道DMA，4通道具有PWM功能的計(jì)數(shù)器和1個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘，全功能的SPI，I2C總線接口，I2S數(shù)字音頻總線接口，3個(gè)PLL，看門(mén)狗計(jì)數(shù)器，USB OTG，USB HOST，3通道MMC/SD等[8]。ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)框圖如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體流程及節(jié)點(diǎn)流程

當(dāng)有新的終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入時(shí)，會(huì)搜索整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并向與其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)加入，成功加入后處于等待狀態(tài)（上層給終端節(jié)點(diǎn)的指令）。當(dāng)接收到上層指令時(shí)，進(jìn)入工作狀態(tài)，采集人體的生理數(shù)據(jù)，并由路由器節(jié)點(diǎn)/協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳送至ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行人體生理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[9，10]。系統(tǒng)整體流程如圖7所示。

在系統(tǒng)運(yùn)行之前，所有終端設(shè)備都會(huì)進(jìn)行初始化End-Device init（）操作，當(dāng)收到上層指令時(shí)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)工作流程如圖8所示。

3.2 軟件校正

文中的人體生理傳感器包括體溫、脈搏、血壓等。由于溫度傳感器DS18B20測(cè)量的數(shù)據(jù)有一定誤差，使用算法對(duì)其在軟件上進(jìn)行校正。校正的方法采用常用的數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)——最小二乘法。

最小二乘法通過(guò)最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，可以簡(jiǎn)單求得未知數(shù)據(jù)，并使這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和最小。假設(shè)給定m個(gè)點(diǎn)集（xi，yi）（i=0，1，2，…，m），其中xi為測(cè)量值，yi為真實(shí)值，最小二乘法即求與給定的m個(gè)點(diǎn)距離平方和最小的曲線y=ax+b。

（1）

將y=ax+b帶入式（1），當(dāng)最小時(shí)，可求對(duì)a、 b的偏導(dǎo)數(shù)，得到a、b的值。由此得出測(cè)量值與真實(shí)值之間的線性關(guān)系。

（2）

（3）

4 以溫度為例采集數(shù)據(jù)

以溫度為實(shí)例采集數(shù)據(jù)，DS18B20傳感器在開(kāi)啟后需要一段測(cè)量時(shí)間，由圖9可知體溫在150 s后趨于穩(wěn)定。數(shù)據(jù)為經(jīng)過(guò)最小二乘法在軟件上做修復(fù)的數(shù)據(jù)。由此可知，終端節(jié)點(diǎn)可以較準(zhǔn)確的測(cè)量出人體體溫。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的人體生理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由傳感器終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由器、ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)四部分組成。本文給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，并為之建立了一個(gè)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。文中構(gòu)建的基于ZigBee的人體健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能提供給用戶(hù)更多的生理信息，方便用戶(hù)隨時(shí)了解自身的健康狀況。

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