基于WSN的搶險救災醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的設計

丁緒星，施一萬，馮友宏，張 柳

（安徽師范大學物理與電子信息學院，安徽蕪湖241000）

0 引言

目前，國內外醫(yī)療監(jiān)護設備大多使用固定的醫(yī)療監(jiān)護儀，通過有線的方式采集生理參數(shù)，設備復雜，連線眾多，攜帶麻煩，嚴重限制了病人和醫(yī)護人員的行動[1]。尤其在一些特大自然社會災害中，如汶川地震、日本核爆炸，受災面積大，程度重。通過有線的方式采集生理數(shù)據(jù)根本無法滿足需求，所以國際上對遠程醫(yī)療越來越關注。

該文基于無線傳感器網絡系統(tǒng)，采用高頻率、多通道的無線數(shù)據(jù)傳輸方式。系統(tǒng)由佩戴在受災人群手腕上的傳感器節(jié)點采集心率、血壓、脈搏以及體溫等生理信息，通過IEEE802.15.4標準，經過一定的路由協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至信息匯聚節(jié)點（Sink節(jié)點），最后通過串口方式傳輸至監(jiān)護基站的電腦終端，從而對受災人群的生理狀況進行實時監(jiān)測，對信息數(shù)據(jù)異常的節(jié)點給予反饋報警。

1 系統(tǒng)硬件組成

1.1 節(jié)點的基本結構

節(jié)點硬件主要由傳感器、MCU和無線發(fā)射模塊組成。該系統(tǒng)的傳感器采用了PVdF壓電薄膜傳感器，在腕式傳感器的底部通過接受脈搏信號來監(jiān)測人體的心電信號。處理器模塊采用了ATEML公司的ATmega128微處理器，通信模塊選用了具有802.15.4/Zigbee標準Chipcon公司的CC2430芯片。

1.2 放大濾波模塊

由傳感器測出的脈搏心電信號幅值大概在1mV[2]，而在該電路系統(tǒng)中A/D轉換值需要在0～1V內，所以需要對電壓放大1000倍左右。該系統(tǒng)采用前后2級放大電路，前級放大為10倍，后級放大在1～100倍。

人的脈搏心電信號頻率帶寬范圍在0.05～100Hz，而信號采集的過程中同樣采集到高頻肌電信號，頻率范圍在20～1000Hz，同時由于器械、環(huán)境、呼吸以及咳嗽的影響，將會導致0.15～0.5的基線偏差，所以分別設計了截止頻率為100Hz的低通濾波器和截止頻率為0.5Hz的高通濾波器，其電路結構分別如圖1和圖2所示。

圖1 截止頻率為100 Hz的低通濾波器

圖2 截止頻率為0.5 Hz的高通濾波器

2 路由協(xié)議

2.1 路由算法的改進

經典的LEACH算法[3]被很多研究人員引用，但其中仍然存在一些問題，這里采用了改進后的LEACH-D算法。LEACH算法在選擇簇時沒有考慮節(jié)點的剩余能量，一旦有些能量低的節(jié)點被選為簇后，就很容易導致節(jié)點的死亡。新算法以簇內平均能量作為簇的選擇標準，節(jié)點以不同初始概率發(fā)送競爭消息，節(jié)點的初始化概率CHprob為:

Eelec為發(fā)射電路能量損耗，當傳輸距離小于d0采用自由空間模型，傳輸距離大于d0采用衰減模型，ξfs、ξmp分別為2種模型中功率放大所需能量。假設傳感器分布在M*M的正方形中，節(jié)點數(shù)為N，設每輪消耗的能量Eround近似相等，Eround=Ech+Enoch，Ech為簇頭消耗的能量，Enoch為非簇頭消耗的能量，Enoch=LEelec+Lξfsdtoch2，（dtoch為非簇頭到簇頭的距離），Ech=LEelec+LξmpdtoBS4+1/P*LEDF+（1/P－1）*LEelec，（dtoBS為簇頭到基站的距離，P為簇頭在節(jié)點中的百分比）。，（E為每個節(jié)點的初始能量，r為簇頭的選擇輪數(shù)）。進而節(jié)點將以為基準的初始概率發(fā)送競爭消息。

2.2 子節(jié)點的加入

在節(jié)點當選為簇頭節(jié)點之后，將周期性地廣播信標幀，子節(jié)點或者后加入的節(jié)點將根據(jù)接收信號的強弱選擇自己所要加入的簇，當所有節(jié)點加入后，簇頭將為所有加入的節(jié)點分配地址信息，為了避免干擾，將發(fā)出TDMA定時信息，并決定本簇所用的CDMA編碼，當前階段的CDMA編碼與TDMA一起發(fā)送，簇內節(jié)點接收到信息，就在被分配的時間槽內發(fā)送數(shù)據(jù)[4]。

3 系統(tǒng)的軟件構成

節(jié)點的軟件部分采用了專門為無線傳感器網絡開發(fā)的TinyOS操作系統(tǒng)，節(jié)點的應用程序設計通過AVR Studio 4.0完成，采用C語言編寫數(shù)據(jù)采集和傳輸控制程序，其軟件流程圖如圖3和圖4所示[6]。

圖3 簇節(jié)點的工作流程

圖4 簇內節(jié)點的工作流程

4 實驗結果

試驗中簇頭節(jié)點始終保持開啟狀態(tài)，以偵聽簇內節(jié)點傳遞來的數(shù)據(jù)，而簇內節(jié)點只在消息時隙到來時傳遞信息，其他時間處于休眠模式節(jié)能。實驗對象為30人，對象分別為靜止的人、剛運動完的人和準備運動的人，由傳感器采集脈搏信號，并通過寧波深聯(lián)科技開發(fā)的SNAMP軟件進行終端數(shù)據(jù)顯示。從實驗結果來看，當人處于靜止狀態(tài)時，波形波動幅度不大，中心值一直維持在700左右;測試對象變換為剛運動結束的人，波形幅值顯示在1500～1800之間，在之后的10min之間，波形逐漸趨于平緩，最后回落到700左右;最后的測試對象為即將準備運動的人員，結果顯示波形幅值會隨著運動的時間和運動的劇烈程度從700逐漸增至1400～1900之間，當運動逐漸減慢并至靜止時，波形幅值最終又會回落到700左右。

5 結束語

該系統(tǒng)采用的方案成功實現(xiàn)了在無線傳感器網絡技術支持下的脈搏心電信號采集，信號波形清晰、穩(wěn)定、實時性高，系統(tǒng)具有很高的靈活性和可擴展性，準確地反映了人體脈搏信號的變化情況，而且各監(jiān)護站采集的信息可以通過GSM方式傳輸至監(jiān)護總站進行匯總，以便全面了解受災區(qū)域的人員傷亡情況，從而針對傷亡的程度，給予相應的醫(yī)療配置。

[1]趙澤，崔莉.一種基于無線傳感器網絡的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)[J].信息與控制，2006，35（2）:265－269.

[2]SETAL L M.The National Institutes of Health Chronic Prostatitis Symptom Index[J].Development and Validation of a New Outcome Measure.J Urol，1999，162（2）:369－375.

[3]HEINZELMAN W R，CHANDRAKASAN A，BALAKR I H.Energy-efficient Communication Protocol for Wireless Micro Sensor Networks[C]//Proceeding of the 33rd Annual Hawaii Internationl Conference on System Science Maui，HI，2000:1－10.

[4]孫利民，李建中.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社，2005:10－20.

[5]尚鳳軍.無線傳感器網絡通信協(xié)議[M].北京:電子工業(yè)出版社，2011:53－54.

[6]黃峰一.基于Zigbee的無線測溫傳感器網絡[D].上海:上海交通大學，2010:69－79.