基于ZigBee可穿戴傳感器的醫療監護系統

　　為了實現醫療設備的微型化、醫療監護的無線化，設計基于ZigBee 可穿戴傳感器的醫療監護系統，它能夠擴大病人的活動空間，減輕監護人員的工作強度，降低醫療費用。系統采用病區/監護中心兩層結構，利用可穿戴傳感器采集病人體溫、脈搏等生理參數，數據經過處理后送至無線通信模塊，最后由ZigBee 無線網絡傳輸至監護中心。經過實驗獲得了病人生理參數，并與傳統測量結果進行了對比。結果表明，系統穩定、可靠，很好地實現了病人生理參數的采集、傳輸和顯示，符合設計要求。

　　0 引言

　　隨著科學技術的發展，醫療衛生事業也取得了很大的進步，但目前醫院的大部分醫療設備仍是基于傳統的有線方式，接線繁雜、體積笨重，設備不便于移動，也不利于遠程操作。同時，眾多附于病人身體的設備探頭，會造成病人的緊張情緒和心理負擔，使得檢測結果與真實情況存在一定偏差，影響病情的準確診斷。針對目前大部分醫療設備接線繁雜、功能單一的問題，本文設計了基于ZigBee 技術的可穿戴傳感器監護系統，可穿戴傳感器采集病人生理參數后，由ZigBee網絡傳輸至監護中心，供工作人員進行進一步分析。

　　1 ZigBee 簡介

　　ZigBee 是一種無線通信技術，其協議基于IEEE802.15.4 標準。該協議的結構從下到上分別為物理層（ PHY）、媒體訪問控制層（ MAC）、傳輸層（ TL）、網絡層（ NWK）和應用層（ APL）。目前，比較成熟的短距離無線通信技術，包括紅外（ IrDA）、藍牙（ Bluetooth）、Wi-Fi 等，都有自己的優點和應用領域。但針對醫療監護領域，ZigBee 有著無可代替性，其最大優勢在于組網方便，可以實現多個網絡節點管理，且網絡規模極大，完全能夠滿足對若干病人進行監護和管理的要求。

　　2 系統結構

　　監護系統采用病區/監護中心兩層結構，分布在病區的可穿戴傳感器利用敏感元件采集病人生理參數，通過ZigBee 無線網絡將數據發送給網絡協調器，然后協調器將接收的數據傳輸至與之相連的上位機，系統架構見圖1。

　　圖1 系統架構

　　3 系統硬件設計

　　系統硬件主要由無線傳感器、網絡協調器和上位機三個部分組成。無線傳感器負責采集病人生理參數和數據發送；網絡協調器負責數據接收以及與上位機通信；上位機負責數據顯示。

　　3.1 無線傳感器

　　如圖2 所示，無線傳感器主要包括敏感元件、數據處理模塊、無線通信模塊和電源模塊。敏感元件負責采集病人生理參數；數據處理模塊負責對采集信號進行預處理，以符合單片機對輸入信號的要求；無線通信模塊由51 單片機和射頻芯片組成，負責整個傳感器的任務分配與調度、數據整合與傳輸等。

　　圖2 無線傳感器結構圖

　　3.1.1敏感元件與數據處理模塊

　　本系統集成了多種醫療監護傳感器，可以測量體溫、脈搏、血氧、血壓等生理參數。限于篇幅，本文以脈搏為例，闡述整個系統的工作原理和設計方法。脈搏測量的基本原理是：人體組織（手指）的半透明度會隨著心臟的搏動而發生周期性的改變。當血液送到人體組織時，組織的半透明度減小；當血液回流回心臟，組織的半透明度增大。因此，本系統的脈搏采集模塊用紅外發射二極管產生的紅外線照射到手指，然后用另一側的接收三極管來捕捉通過手指的光信號強度，接收管的反向電流與發射管的光照強度成線性關系，這樣可以把光信號轉換成電信號（電流）。

　　信號采集使用的敏感元件是紅外發射二極管IR928－6C 和與之配對的光敏三極管PT928－6C，具有低工作電壓、高穩定性、高可靠性等特點。如圖3 所示，通過電阻R16 將流過二極管的電流控制在20 mA左右，根據接收的光信號強度轉換成電流（ mA 級），通過負載電阻R17 轉換成電壓，人體脈搏大概是50 ～200 次/min，對應的頻率約為0.83 ～ 3.34 Hz，屬于低頻信號，電路中采用R17 和C14 來完成濾除高頻干擾的任務。

　　圖3 信號采集電路

　　由于人體電信號具有阻抗高、信號弱、頻率低等特點且處于嚴重的背景噪聲之中，因此需要對采集轉化的電信號進行預處理，這既為了保證信號最大程度的保真性，也方便后續進一步的數據處理。

　　如圖4 所示，數據處理電路包括信號濾波放大和整形兩個環節。

　　圖4 數據處理電路

　　濾波放大環節中，首先使用C15、C16 背靠背串聯組成的雙極性耦合電容構成一個簡單的光電隔離電路，實現對于外部干擾光線的隔離并設計了由LM324A、R18、C17 組成的低通濾波器，截止頻率約為，可進一步去除高頻干擾信號。由于采集轉化的脈搏電信號（電壓）比較小，一般在mV 級，通過R18 和R23 構成的放大器把采集的脈搏信號放大200 倍左右，已達到V 級。

　　整形環節中，信號通過比較器LM324B 將正弦波轉換成方波，利用R30 電位器可以實現將比較器的閾值調定在系統工作電壓范圍內。接下來，從LM324B 的引腳輸出的方波信號經C19、R25 構成的微分電路處理成為正負相間的尖脈沖。LM324D 提供參考電壓，再經過LM324C 之后就變成系統所需的標準脈搏脈沖信號了。最后將脈沖信號送到無線通信模塊。

　　3.1.2 無線通信模塊

　　無線傳輸模塊采用TI 公司的高集成度的片上系統（ System on chip，SOC）芯片CC2530，其內部集成了1個高性能的ＲF 射頻收發器和1 個增強型的低功耗8051 微控制器內核，它具有較遠的數據傳輸距離和較強的抗干擾能力。8051 作為基礎芯片，價格低廉，這樣就大大降低了產品研發的難度和成本；同時，可以用C51 程序代碼進行軟件的開發，這樣也就極大地縮短了產品研發的周期。

　　3.1.3 電源模塊

　　電源模塊為可穿戴傳感器提供能量。受體積限制且設備不能頻繁更換電池，必須采取一系列有效措施降低能耗，以保證醫療節點具有較強的續航能力。鋰電池自放電率低，放電電壓平緩的特點符合系統對電源的要求，故采用可充電的鋰電池對可穿戴傳感器供電。但系統正常工作時，數據處理模塊工作電壓是3.3 V，傳感器工作在5 V，電源需要經過電壓轉換后才能應用到系統中。在電壓轉換中，利用MC7805 穩定輸出5 V 電壓，利用AMS1117 穩定輸出3.3 V 電壓。如圖5所示。