基于無線傳感網的遠程醫療監護系統研究

馮英偉 賈 濱 杜春梅

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口075000)

1 引言

進入21世紀以來，我國人口結構的老齡化越來越明顯，老年人占我國總人口的比例逐年提高，老年人的身體健康和生命安全已經成為社會的重要問題，如何為老年人提供良好的、安全的醫療監護環境，已經成為社會所關注的熱點.鑒于此，研究用于家庭、社區的遠程醫療監護系統勢在必行，遠程醫療監護系統不但可以使患者在家里實現遠程醫療、遠程監護和健康咨詢等，而且還能夠降低患者的醫療負擔.由于傳統的監護設備大多安置在床邊，不便于攜帶，限制了病人的自由移動，并且傳統醫療監護設備的系統擴展性比較低，成本還比較高［1］.因此，最近幾年，對于無線通訊技術在醫療監護系統中的研究，特別對監護系統提出了便于移動的要求.在計算機技術、網絡技術和通信技術高速發展的時代，遠程醫療監護系統已經成為醫學技術交流和新醫療會診方式中的全新的技術體系.

2 關鍵技術ZigBee技術

20世紀90年代末，鑒于半導體技術、通信技術以及計算機技術的飛速發展，在大洋彼岸的美國發展了現代意義上的無線傳感器網絡技術.隨著短距離無線技術規范ZigBee出現以后，無線傳感器網絡技術的相關研究工作在世界上主要發達國家轟轟烈烈的開展起來，一些重要機構也將無線傳感器網絡技術預測為將會改變世界的重大新技術.

ZigBee是基于802.15.4無線標準研發的新興的短距離無線通訊技術［2］.ZigBee是無線傳感器網絡的一種延伸，同時ZigBee也是一種供廉價的固定、便攜或移動設備使用無線連接技術.ZigBee作為一種近距離、較低的復雜度、較低的功耗、較低數據傳輸速率、低成本的雙向無線通信技術，在自動控制和遠程控制領域得到了廣泛的應用.ZigBee支持地理定位功能，非常適合用作無線傳感器網絡的通信協議，ZigBee技術是家庭互聯、工廠自動化、醫療設備、傳感網絡等的理想解決方案.

藍牙(Bluetooth)、無線局域網(Wi－Fi)和ZigBee都是目前使用較廣泛的近距離無線通信技術，它們都具有其各自的優點，有的在傳輸速度、耗電量上性能優越一些，有的在功能的擴充性上效果更好，還有的是符合某些單一應用的特別要求，相比于其它無線通信技術，ZigBee技術的特點如下:

(1)安全性特別好.由于ZigBee采用AES－128加密算法，同時ZigBee數據校驗功能也比較好，從而保障了數據的安全性.

(2)成本比較低廉.ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，所以成本大為降低，芯片模塊價格最終會控制在10元人民幣以下.

(3)從電池功耗上來看，zigBee無疑具有巨大的優勢.無線局域網在數個小時之內能耗就耗光了，藍牙能夠堅持到幾天，而zigBee在低耗電待機模式下能夠達到幾年的壽命.

(4)ZigBee采用的全球通用2.4GHz免費工作頻段.

(5)延時非常短.通常延時都在15～30毫秒之間.

(6)數據傳輸速率比較低，每秒能夠達到10～250兆字節，這樣的速率非常適用于低傳輸速率網絡.

(7)ZigBee支持大量的網絡節點，最大可以達到216個.

(8)從覆蓋距離上來看，藍牙覆蓋范圍最小，大約在10m左右，其次是無線局域網，覆蓋范圍能達到100m左右，而ZigBee的覆蓋范圍則要根據其實際發射的功率等因素而定，一般能夠達到100～300m之間.

鑒于ZigBee有以上的技術特點，使得ZigBee非常適合于遠程醫療監護系統.人們要想在自己的家中或醫院自由活動的狀態下時刻的得到醫療監護，只要隨身攜帶了集成ZigBee技術和測量生理指標的功能模塊就可以輕松實現了.

3 無線傳感網絡的系統結構及工作原理

本文提出的基于無線傳感器網絡技術的遠程醫療監護系統是一種多層次網絡式體系結構，即由醫療監護基站和ZigBee傳感器節點構成的一個監護網絡.ZigBee傳感器節點與醫療監護基站之間構成了無線個人傳感器網絡，而很多這樣的網絡就可以組成一般的監護系統，甚至更大的遠程醫療監護網絡.ZigBee技術標準支持3種網絡拓撲結構［3］，即星型、樹型和網狀型拓撲結構.星型結構由于其能耗比較小、規模也比較簡單，主要適用于近距離傳輸.網狀結構在健壯性方面是最好的，但能量消耗較其它兩種結構相比卻是最大的.樹型結構既有星型結構功耗低的優點，而且還具有網狀型結構的擴展范圍［4］.鑒于醫院的監護范圍比較廣、節點傳感范圍有限，本文提出的遠程醫療監護系統選擇的是樹型網絡拓撲結構.

本文所提出的無線傳感器網絡主要是由部署在監測區域內大量的廉價微型ZigBee傳感器節點組成.ZigBee傳感器節點中的中央處理器的主要功能就是對需要監測的生命指標進行控制，并不斷的采集人體生理指標數據，還有中央處理器還會對某些醫療設備的狀況以及治療過程情況進行動態監測，實時的把數據傳送回去.在所要監控的區域內分布著大量的傳感器節點，傳感器節點時刻采集著諸如體溫、血壓、脈搏、血糖、血氧等有意義的數據，傳感器節點將采集到的數據沿著已經建立好的路徑傳送給與傳感器連接的ZigBee無線通信模塊，再傳輸到匯聚節點.最后，控制和顯示單元中的信息處理模塊會對匯聚節點收集到的數據進行處理和顯示，同時將結果數據存人數據庫供檢索和回放.處理好的數據還可以通過Internet網絡將數據傳輸至醫療監護基站，為了便于專業醫療人員對數據進行統計觀察，還可以將有用的信息通過終端外接的3G模塊傳送到指定醫療人員的手機中，這樣為實現遠程醫療服務又提供了一個全新的視角.圖1中描述了該遠程醫療監護系統的體系結構圖.

4 結語

隨著技術的進步，有線通信技術被無線通信技術所取代是未來發展的一個必然趨勢，特別是無線通信技術在傳感器網絡領域中的應用還有很大的發展空間.目前，無線通信技術的研究和應用受到了全社會的廣泛關注，ZigBee技術的突出特點是功耗低、較低成本、延時短，同時ZigBee技術的網絡擴展能力也是比較強的.鑒于ZigBee的技術特點使得它主要適用于自動控制和遠程監控等領域，其基本上能夠滿足小型廉價設備的無線聯網和控制方面的要求.隨著計算機技術、現代控制技術、現代通訊技術的發展以及人們對自身健康的重視程度的加強，ZigBee技術的市場應用前景和經濟效益定會逐漸的顯現出來.

近年來，隨著我國老年人口的急劇增加，醫療資源的不足就逐漸的顯現出來，所以開發無線傳感網絡遠程醫療監護系統的作用就顯得更加突出了.通過網絡技術、無線通信技術和現代計算機技術的應用，基于無線傳感網的遠程醫療監護系統能夠為患者和使用者提供醫學信息、醫療會診、醫療監護以及遠程會診等服務.當下，隨著網絡技術和通信技術高速發展，基于無線傳感網絡的遠程醫療監護系統已經成為遠程醫學技術交流、遠程醫療會診和遠程醫療監護方式中的全新的技術體系.相信在不久的將來，基于無線傳感網絡的遠程醫療監護系統必將會成為一種重要的醫療手段.

［1］李志剛，周興社.傳感器網絡［J］.計算機應用研究，2004

［2］ZigBee Alliance.ZigBee Specification［M］.2007

［3］李駿.ZigBee技術的樹簇網絡監控系統設計［J］.單片機與嵌入式系統應用，2009(6)

［4］黃慶南.基于ZigBee技術的醫療監護系統WSNs節點設計［J］.廣西工學院學報，2011，9月