基于ZigBee无线传感网络的远程医疗健康监护终端的设计

引 言

随着我国人口老龄化的到来，生态环境与疾病谱的改变，居民健康面临着严峻的挑战。经济的发展，技术的进步人们对于医疗服务质量的要求也越来越高，服务的内容也从疾病的治疗到疾病预防和保健。而医院及监护中心数量有限，是必导致医患矛盾加剧，利用计算机技术和远程通信技术实现远距离的疾病诊断、治疗和健康护理等多种医学功能的远程医疗监护模式，势必将成为一种必然。

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成，综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信等技术的前沿研究领域。由部署在监测区域内的大量微型传感器节点组成，通过各类微型传感器节点对目标信息进行实时监测，形成的一个自组织的网络系统，通过无线通信网络将信息传送至远程监控终端。目前将无线通信技术、物联网技术、Internet技术相结合，已成为无线远程医疗监护研究的热点。国内已经有很多企业和研究机构参与无线医疗监护网络产品的设计和研发，重庆大学杨永明设计了基于 Internet 的远程医疗监护即时通信系统，用于对患者的病情进行远程在线监控；北京生命在线研发的基于蓝牙的远程家庭健康管理监护网络为患者提供了优质的居家慢性病管理医疗服务 ；珠海中立电子集团开发的心脏病集群监护系统，清华大学、深圳大学等高校研究机构研制的多参数监护网络系统已经投入各大医院使用。为了实现对患者的实时监护，系统设计将 ZigBee 和GPRS 技术相结合，以 SPCE061A 微控制器、CC2520 射频芯片为核心器件，构建了一个能实现生理参数的采集和无线传输的远程医疗监护终端，为监护用户和医生提供各种重要的生理参数变化，有利于对监护者健康的实时监护和疾病的预警、诊断及治疗。

1 无线远程医疗监护系统的总体设计

系统设计由智能监护终端、ZigBee 收发模块、GPRS 通信模块（GPRS 网络）、Internet 、医院局域网及医院监护中心等部分组成，其总体设计框图如图 1 所示。该系统将 ZigBee和 GPRS 技术相结合，利用 Internet 网络实现从家庭监护、院内监护到急救现场、社区医院乃至整个城市和全国的医疗监护网络的互联互通。医院监护中心服务器端随时处于监听状态，实时响应用户发出的连接请求与读取请求，以实现对监护用户全方位、全天候的实时监护。

智能监护终端由ZigBee生理参数采集传感器和ZigBee收发模块构成，若干个智能监护终端可以利用ZigBee灵活组网建立星型、树形和网状网络的技术特点，构成一个微型监护网络。利用SPCE061A控制器对所需要监测的生命指标进行采集，通过ZigBee收发模块将数据发送至ZigBee协调器，并利用RS232串口送至与其所连接的PC或由GPRS移动通信网络以无线的方式连接到Internet。通过Internet网络可以将 数据传输至医院监护中心，由监护中心专家对数据进行统计 观察与分析处理，提供必要的咨询服务，实现远程医疗。在 救护车、自然灾害救灾或战争急救现场监护终端利用GPRS 模块连接到I nternet,实现将急救病人、伤病员情况的实时传送, 以利于医院抢救室和远程指导工作。

2监护终端的硬件设计

监护终端的主要功能为监护身份的识别、人体生理指标 数据的采集，并通过无线通信模块将数据传输至ZigBee协调 器或利用GPRS网络发送到监护中心。设计主要包括生理参 数采集模块和无线通信模块硬件设计和软件编程。为了实现 低成本、小型化和移动灵活的特点，以SPCE061A为主控芯 片，它是一款具有语音处理功能的u'nSpTM结构的微控制器, u'nSpTM指令系统提供了具有较高运算速度的16位X16位的 乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了 DSP功能， 方便实现系统的语音和指纹身份识别功能的实现。

本系统将采集模块和GPRS (General Packet Radio Service)通信模块、ZigBee模块相结合来实现生理参数的无 线传输。首先由SPCE061A发出开始监测某项生理参数的指令, 对人体生理信号(心电、血压、血氧、脉搏等)进行采集。该 系统一方面对数据进行处理和显示，另一方面将结果数据无 线上传至个人健康数据库供检索和回放。图2所示是本监护终 端的硬件结构图。

2.1生理参数采集模块

生理参数采集模块由传感器、微控制器单元、电源构 成。采集监护用户的血压、血氧、体温和心电信号。系统心电 信号的采集，利用心电导联线的方式获取，由信号调理电路 进行放大和滤波，才能满足系统要求。快速检测并提取清晰 的心电信号是进行监护和分析诊断的基础，由于心电信号属低 频的微弱信号，设计采用ADI公司的集成单电源仪表放大器 AD623进行前级放大，再经过后续的多级放大和滤波后，送 入单片机SPCE061A的ADC接口，完成心电信号的数字化， 并由SPCE061A进行处理和显示。AD623是一个在无外接电 阻时单增益(G=1),在1和8引脚间外接电阻后可编程设置增 益，增益最高可达1〜1 000 dB，且具有很好的线性度和可 靠的温度稳定性。其电路如图3示。

系统中使用的血氧模块和血压模块分别为北京迈创通元 电子仪器有限公司的BTN602无创血压模块和BTN604血氧 模块。BTN602模块通过示波法原理来实现收缩压、舒张压 及脉搏的测量，收到SPCE061A的指令后，对测量袖带充气 加压，直至肱动脉血流阻断，减压放气，这一过程中会产生一 系列脉搏波，脉搏波的最大值对应平均压，舒展压和收缩压与 脉搏波的最大值成一定的比例关系，就可以完成血压及脉搏 的测量，返回系统状态和相应数据。两个模块均采用UART 口与单片机通信，信号电平为TTL电平，与SPCE061 A单片 机可以直接相连，利用单片机普通I/O 口软件模拟串口与其通信。

2.2指纹识别模块

指纹识别模块用于监护用户身份的辨识，无需帐号和密 码即可自助完成登录和测量过程，这对于老人、残疾人群具 有重要意义。指纹是指手指末端正面皮肤上凸凹不平产生的 纹路，不同的人各不相同，在信息处理中称作“特征”，依靠 特征的唯一性，就可以验证用户的真实身份。系统设计 采用台湾富士通公司的划擦型指纹传感器MBF300和MBF300 属于电容性传感器，传感器发出的电子信号可以穿过手指的表 面和死性皮肤层，达到手指皮肤的真皮层，直接读取指纹图案, 从而大大提高了该系统的安全性。MBF300支持三种接口形 式,，即MCU接口模式、SPI接口模式和USB接口模式。系 统采用USB接口模式与SPCE061A单片机直接相连。

2.3 ZigBee与GPRS无线通信模块

医疗设备对电磁辐射的要求很高，辐射的电磁波既不 能够干扰其他设备正常工作，同时也应具有一定的抗干扰能 力，不受其他设备辐射出的电磁波干扰。系统射频通信采用 TI公司专门针对近距离高速数据传输的802.15.4/ZigBee标准 的CC2520无线射频收发器，具有出色链路预算、高工作温 度、低工作电压、远传输距离等出色特性和较高的数据纠错 和抗干扰能力。SPCE061A可以通过软件模拟SPI接口来实现 对CC2520的工作参数配置和发射/接收数据，模拟的关键在 于SPI的读写时序。GPRS通讯模块选取Simcom公司研制的内嵌TCP / IP协议的GPRS模块SIM300,该模块功能强大、 操作简单、性价比高，具有标准的AT指令以及支持GPRS无 线上网的AT指令。两模块与SPCE061A的硬件连接电路如 图4所示。

3健康监护终端软件设计

健康监护终端软件设计采用模块化的编程思想，使用单片机C语言完成底层程序的开发，主要包括心电、血氧、血压、脉搏等生理参数的采集、处理、存储、报警和显示以及各项数据的接收和发送。由数据采集程序、软串口程序、基于GPRS模块（GPRS模块初始化及GPRS内存读写等）、ZigBee模块的通信程序（模块入网、数据格式的定义、数据发送、数据接收等）以及数据显示与存储程序等模块组成。其中，ZigBee协调器负责建立网络，监护终端加入网络，然后周期性地采集各路信号发送给ZigBee协调器，协调器通过串口发送给PC机。监护终端的数据包使用的是结构体的形式，包含了数据包的头、尾、该监护终端的设备类型、网络地址、以及采集的传感器数据，当然还有检验信息等。同时，为了降低系统功耗，有效地完成多参数的采集，利用了多种中断方式来完成系统功能，包括键盘输入中断、串口中断、定时中断等。其程序流程框图如图5所示。

4结语

随着我国卫生体制改革的进一步深入，以社区、家庭为单元的远程医疗监护模式将得到逐步的兴起，基于ZigBee技术、GPRS技术、互联网技术及数据库管理等先进技术的远程医疗健康监护终端，将在家庭和临床得到广泛的应用，对提高人们的生活质量和医院的健康管理与服务水平，具有重要的现实意义。系统经过多次调试，基本实现了各项功能，性能稳定、数据传输可靠。系统设计创新之处：

（1）采用低功耗ZigBee无线传输技术，提高了节能效率；

（2）采用指纹识别模块用于监护用户身份的辨识，方便了老人、残疾人群的使用；

（3）应用无线传感网络与Interne结合，实现从家庭监护、院内监护到急救现场、社区医院乃至整个城市和全国的医疗监护网络的互联互通，让医疗资源的得以共享。

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