基于ZigBee的無線醫療監測系統設計

王雪靜

(鄭州工業應用技術學院 醫學院，鄭州 451100)

1 ZigBee無線網絡技術的應用概述

1.1 ZigBee無線網絡協議棧

ZigBee無線網絡協議棧是按照層順序堆疊的多模塊集合，每個模塊所起的作用是為上一級模塊提供服務，全部過程由數據實體傳輸數據，完成服務指令。而其余功能均由管理實體負責，還有服務實體來實現對上級提供接口，通過與接口接入各模塊，完成各模塊對應的功能。ZigBee協議棧的分層結構決定這些數據只能在相鄰的層級之間實現流動。分層結構的設計基于標準的開放式系統互聯(OSI)參考模型，結合無線網絡的協議特點，由IEEE802.15.4規范物理層和介質訪問控制層構架。ZigBee深刻闡述了網絡層和應用層的構架，指出應用層主要包含了應用程序對象、ZigBee設備和應用程序支持子層。ZigBee無線網絡的物理層分別由2.4GHz高頻率層、868MHz和915MHz低頻率層兩種不同頻率組成，低頻率層主要在美國使用，高頻率層在全球范圍內通用。

1.2 ZigBee設備類型及拓撲結構

ZigBee協調器在不同的ZigBee網絡均具有一大特點，即唯一性。ZigBee網絡可以通過網絡配置參數來調整網絡的穩定性。在此過程中完成網絡與網絡之間的連接工作，使不同的網絡之間能夠保持正常通訊狀態。ZigBee路由器在通信設備之間起到路徑搭建的作用，并能保證路徑上數據信息的轉發，通過調整拓撲的網狀或樹型結構來實現對網絡功能的擴展。需要注意的是，在ZigBee網絡中，星型結構被禁止使用。ZigBee終端設備主要負責完成ZigBee網絡的功能，該設備具有低功耗的特點，一般情況下只需要完成該網絡中既定的目標。

1.3 ZigBee技術特點

與GPS、藍牙等無線傳輸技術相比，ZigBee技術具有省電且傳輸速率低的特點，其傳輸速率一般為10kbps～250kbps之間。可以充分滿足低速率傳輸速率的應用設計，在工作狀態下，ZigBee技術發射功率只有1mW，并且ZigBee在不工作時可以調整到休眠模式。ZigBee網絡耗電量相對較少，兩節五號電池就可以滿足ZigBee設備較長時間的使用。當前，ZigBee協議對使用者是完全公開免費的，且ZigBee模塊的成本較低，極大降低了無線醫療監測系統的開發成本，使研發經費可以更多應用在其他部分的優化與創新。激活休眠狀態下的ZigBee模塊只需要15ms，ZigBee模塊在通信中的時延也只有15ms，有利于無線醫療監測系統的精細操作和反應時間的控制。搭建ZigBee網絡中具有一個主節點和若干個字節點，一個主節點可以組成多達65 000個節點的大網絡，ZigBee具有龐大的網絡容量，以滿足無線醫療監測系統使用需求。

2 基于ZigBee的無線醫療監測系統設計與實現

在設計ZigBee網絡無線醫療監測系統時，要使系統能在遠程范圍內對病房內病患的身體狀況進行監測。既要求其獨立于其他醫療設備，還需要防止受到或產生電磁干擾。對于無線醫療監測系統設計，系統需要建立數據采集終端，且該終端的電源系統是獨立的，主要是為了避免通訊設備的接引電源出現供電不足的現象。由于ZigBee設備在設計中實現了低能耗，因此，需滿足數據傳遞終端獨立電源的要求。ZigBee網絡一般是由傳感器收集人體健康信息，再由上位機傳遞給監控中心主機，從而實現實時監測病患的身體特征。

2.1 無線醫療監測系統組成及結構

建立起基于ZigBee技術的無線醫療監測系統后，各監測傳感器離散分布于ZigBee無線網絡中，并按照既定的ZigBee協議完成設備與設備之間信息傳遞工作，達到實現數據傳輸的目的。該數據傳輸方式低能耗且高效率，這些設備一部分具有信息采集節點作用，一部分承擔信息匯聚節點作用，還有一部分承擔網絡協調節點功能。在基于ZigBee技術的無線醫療監測系統中，按層級構架組網，從上至下分別由監控主機、上位機以及ZigBee無線傳感網組成，屬于典型的樹形拓撲結構。在底層分布著路由器節點和各傳感器終端節點，監控中心與ZigBee網絡之間使用上位機連接。監控中心將獲取到的信息通過自帶的傳輸系統傳遞給上位機，上位機將數據打包傳遞給ZigBee網絡。

2.2 無線醫療監測系統工作原理

圖1 監測系統的硬件結構

在基于ZigBee技術的無線醫療監測系統中，協調器主要實現網絡建立、控制命令發送的功能。路由器和終端節點將溫濕度、電壓/電流值等不斷傳遞給協調器，協調器通過RS-232串口與上位機相連。其中，RS-232接口是PC機常用的通信接口，將機房內環境數據和設備運行狀態傳送給上位機。天線作為IEEE 802.15.4和ZigBee網絡協議框架下無線通信的關鍵設備，可以將其看作為無線電磁波的入口和出口。在ZigBee無線網絡中，天線的輻射網絡要求為全向，一般情況下使用倒F天線和折疊偶極子天線。

2.3 無線醫療檢測系統中硬件部分的設計

基于ZigBee網絡技術

的無線醫療監測系統如圖1所示。主要設計無線網絡和外圍設備兩大部分，具體包括三大模塊：數據/傳輸模塊、傳感器，模塊和電源模塊。數據處理/傳輸模塊一般選取CC2430芯片，既可以兼容8051內核，也可以兼容ZigBee網絡通信協議，而且具有穩定性方面的優勢。無線醫療監測系統的傳感器又分為溫度傳感器、濕度傳感器、熱釋電紅外傳感器和壓力傳感器等4個傳感器。電源模塊主要選用能耗低，電壓低的電源芯片，能有效降低硬件系統運行中的電消耗量。

無線醫療檢測系統必須具備定位系統并能準確獲取移動節點的位置信息，快速將信息傳遞給相應的數據處理系統。無線醫療檢測系統的定位系統根據不同功能，將各硬件節點分為移動節點、參考節點和網關節點三大類，一般是被檢測者的移動終端中安裝定位信息發射源，系統通過各節點之間信息的傳遞和處理，確定被檢測者的位置，然后采集相關信息數據。

無線醫療檢測系統的前體模塊是數據處理/傳輸模塊，為整個檢測系統提供大量數據，保證監測系統能夠全面檢測人體各項指標?；谌梭w健康檢測系統的特點，數據采集模塊選取的主要控制芯片必須具備能耗低、可靠性高和運行速度快等特點。該芯片能采集人體體溫、脈搏次數等多個人體生理參數。以MSP430F449單機片為例，如圖2所示。該單片機是一種低功耗的16位單片機，具有IO多、資源量多、儲存空間大等特點，能方便資源擴容，優化MSP430單片機仿真調試功能。如圖2所示，MSP430F449單機片芯片中，XTAL1和XTAL2主要起到時鐘脈沖功能作用，能保證整個系統定時啟動或完成某項工作。JTAG口為整個模塊提供調試接口和下載接口，整個單片機還含有4大模塊，完成溫度采集、脈搏采集、數碼管顯示數據等工作。單片機將采集到的信息完整的通過窗口傳遞至ZigBee網絡系統的傳感器上。經過處理后根據通信協議傳遞至控制終端進行處理并記錄數據，為人體健康情況提供數據參考。

圖2 MSP430F449結構圖

脈搏與人體心臟跳動頻率一致，正常成年人的脈搏頻率范圍是60～100次/min，平均約為72次/min。老年人相對慢一些，睡眠、運動和激烈的情緒變化也會影響脈搏頻率。脈搏檢測也是評估人體健康狀況的一項指標。MSP430F449單機片芯片中，脈搏測量模塊主要是該芯片中含有透射式光電脈搏傳感器。傳感器中同時包含紅外發射二極管和紅外接收二極管，在測量被測者脈搏時，只需要被測者將手指縫在紅外發射二極管和紅外接收二極管中間即可開始測量。紅外發射二極管主要是將電能轉化成紅外光，紅外接收二極管主要是將光信號轉化為電信號。紅外光透過人手指時，系統經過手指的透光度數據，經過計算機分析確定人體的脈搏信號。手指的透光度越低，說明人體的脈搏值越高，因為燈紅外光透過手指時，手指中脈搏震動帶動血液吸收一部分紅外光，震動頻率越高，吸收越多。因此，光敏二極管的信號輸出，能夠間接反映人體脈搏值的變化情況。

無線收發模塊也是無線醫療監測系統的重要模塊之一。經過多典型通信芯片參數對比之后，確定ZigBee無線數據傳輸芯片是CC2530型號芯片。如表1所示，該芯片有多個不同的儲藏空間，性能高、能耗低，能有效節省成本。CC2530型號芯片有4大功能，微控制器功能能以128KB編輯閃存，支持在線仿真調試，開發期短。超低功耗，可以調節電流，切換工作模式達到性能與功耗平。RF/布局功能，抗干擾能力強，輸出功率可以控制，不需要借助外圍器維持芯片功能。片內外設含有21個IO引腳，2個串口，AES協處理器，8路12位ADC，內置溫度傳感器，電池監視器，數字化RSSI/LQI，看門狗，5通道DMA，IEEE 802.15.4 MAC定時器，通用定時器，32-k Hz睡眠定時器，硬件支持CSMA/CA，IR發生電路。

表1 典型通信芯片參數比較表

3 無線醫療監測系統的軟件設計

基于ZigBee技術的無線醫療監測系統，在軟件設計過程中需要充分考慮到數據采集和串口通信的功能。為減少系統研發中的工作量，一般將SimpleApp程序作為IAR集成開發環境設計的模板，還需要建立SerialAPP程序。在系統的應用層軟件設計中，需要合理安排各協調系統應用層的程序功能排布結構。在網絡液晶屏中顯示系統的運行現狀，并接受上位機的命令信息和參數配置信息，將系統在運行過程中收集到的環境監測數據，以特定的格式經過應用層傳輸給上位機。上位機通過串口處接收的數據傳輸到中的相應節點處，并從節點處得到的數據轉發的串口。 終端節點系統應用層程序需要接收來自協調器傳輸的數據，也通過移動終端節點傳輸出其他數據。終端節點系統存儲數據傳輸的配置信息，也接收數據采集模塊。傳輸過來的采集信息和設備參數信息，將信息打包轉化成特定的格式，送至協調器。信息包中還包含了遠程病房中的環境相關信息，由此可見，整個系統還包括環境數據采集功能。在建立基于ZigBee技術的無線醫療監測系統時，將各數據采集節點納入到整個網絡系統中，實現在顯示模塊中呈現網絡狀態信息、采集到的數據和傳感器終端節點信息，并根據實際需要增添按鍵模塊。

檢測系統在采集到人體相關參數并經過處理以后，將信息保存或發送到各大終端。當新的數據加入時，需要建立新的網絡，一般是調用NLME-NETWORK-FORMATIO.request實現，整個程序設置過程不需要引進其他網絡終端。如果在移動終端加入ZigBee網絡，一般發生在新的節點上。新節點加入ZigBee網絡，可以調用NLME-PERMIT-JOINING.Request原語完成，一旦調用成功，網絡會自動接入到應用層，從而達到加入新數據源的目的。無線醫療監測系統的軟件需要具備操作簡單、靈活性高、數據傳輸速度快等特點，盡可能做到數據傳遞過中通過的節點少，數據量損失小，最大程度地保證數據的完整度。

4 結語

隨著科學技術的不斷發展，越來越多的無線通信技術融入到我們的實際生活當中。通過將無線通信技術與教育、醫療、娛樂等多個領域的有效融合，逐步提升人們生活的便利化程度。在這個方面，遠程醫療有著舉足輕重的作用?；赯igBee技術的無線醫療監測系統，不僅可以節約人力物力、提高工作效率、改善醫療環境，也可以發展成為共享型的醫療資源。