基于ZigBee的多生理參數測量與分析系統的設計

楊林，張永魁

1.蘇州大學附屬第一醫院 醫學工程處，江蘇 蘇州 215006；2.東南大學 學習科學研究中心，江蘇 南京210096

基于ZigBee的多生理參數測量與分析系統的設計

楊林1，張永魁2

1.蘇州大學附屬第一醫院 醫學工程處，江蘇 蘇州 215006；2.東南大學 學習科學研究中心，江蘇 南京210096

本文介紹一種基于ZigBee協議的無線傳感網絡系統，系統采用MCU+RF的方案設計，以ATmegal 128L作為傳感器節點的MCU，CC2420作為RF射頻模塊。采集節點具有6個通道可獲取病人的生理參數和環境數據，然后將這些數據傳輸到接收節點，再通過RS232接口連接到PC。終端設計的Labview程序可以對采集的多種生理參數進行顯示、存儲和分析。

傳感器網絡；生理參數監測；Zigbee協議

多參數監護儀是臨床護理中重要的生理參數監護設備，生理參數監護技術就是把被監測者的各種生理參數及時、準確地測量出來進行處理、分析，幫助醫護人員對患者病情進行監測和防護。在現有醫療監護系統中，患者身上佩戴的傳感器采集的數據多通過串口電纜（RS232/485）傳送到PC上或通過串口聯網服務器傳到局域網上。由于所檢測的信號多是人體信號，而人體處于自然狀態時的信號才能夠真實地反映其生理狀況，因此，將檢測設備通過有線方式連到人體上進行監測的傳統方法會使患者感覺受到束縛，從而導致所檢測到的數據不準確。而且在病房中，各種連線不僅使病人感到不適，而且還使病房顯得雜亂無章，影響醫護人員的工作效率。另外，對康復期病人和需要監護的老年患者，具有一定的活動能力，而傳統監護儀的體積比較大，耗電量高，限制了被監護者的運動。因此，醫療單位希望以一種低成本、高可靠性的無線傳輸方案來代替傳統的有線方式。無線局域網具有微功率、抗干擾能力強、組網靈活等特點，是實現無線醫療監護系統的理想選擇[1]。

目前，無線技術已經開始在醫療監護領域逐步應用，但大多是具有基站的單星形拓撲結構的應用，而不是真正意義上的無線傳感器網絡[2]。ZigBee協議（IEEE802.15.4）是一種近年來才興起的無線網絡通信技術標準，主要應用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間，典型的傳輸數據類型有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據。對于生理參數的監護，ZigBee技術的應用有以下幾方面的優勢：① 低成本：監護傳感器節點是低成本的。② 低功耗：內置電池正常使用時間不低于1個月，減少因頻繁更換電池帶來的麻煩。③ 性能可靠：這些產品無須大量維護、經久耐用。④ 伸縮性能好：可連接網絡幾百至幾千個設備[3]。ZigBee是目前最適合用于生理數據采集的短距離無線通信技術。本研究的目的正是利用ZigBee技術實現患者多生理參數的無線傳輸和監測分析。

1 系統結構概況

用于對病區進行監控的無線傳感網絡系統包括數據采集節點、接收節點以及PC監視系統3個部分。采集節點佩戴在病人身上，每個節點均具備采集生理參數的功能，并能通過ZigBee協議射頻方式發送到接收節點，節點內置的嵌入式軟件能夠實現通信鏈路的保存和管理，從而實現節點的組織功能[4]。每個節點都具備傳感器信號的采集、處理、節點間的通信和信息的路由等功能。接收節點獲取病人的數據后傳輸到PC系統中，PC監視系統通過設計的LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW）程序可以實時地看到病人的生理參數。根據無線傳感器網絡的功能需求以及系統的組成，本著成本低、功能高、穩定可靠性高、技術實現簡捷的原則，本文設計的基于ZigBee的嵌入式無線傳感網絡的系統結構，見圖1。

圖1 基于ZigBee的嵌入式無線傳感網絡的系統結構框圖

2 節點的硬件設計

無線傳感網絡系統的組織元素是節點，在應用系統中，要求傳感器節點具有體積小、功耗低、抗干擾能力強等特點。本研究利用GAINZ開發平臺設計采集節點和接收節點[5]。節點的系統構架包括前端傳感采集模塊、數字處理模塊、無線射頻模塊和電源模塊，節點硬件整體框圖，見圖2。其中，數字處理模塊和無線射頻收發模塊是圍繞核心部件ATmega 128芯片和CC2420 芯片進行整體硬件構架設計的。ATmega128L是基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器[6]。CC2420芯片是CHIPCON公司專門為低功耗無線通信設計的無線通信模塊，CC2420 RF收發器集成了支持不同調制格式的調制解調器，并且為數據包處理、數據緩沖、突發數據傳輸、清晰信道評估、連接質量指示和電磁波激活提供廣泛的硬件支持，使其更加適用于無線環境惡劣的地方[7]。

采集節點設計有多種傳感器，通過這些傳感器可以檢測到生理數據，ATmegal 128L 單片機經過A/D轉換器獲取數字化的數據并通過SPI接口傳輸到CC2420芯片 。本研究中設計的傳感器模塊的功能包括心電、溫濕度、加速度等數據的采集，同時在硬件擴展板上留有接口以便其他感興趣信號的采集。

圖2 節點硬件整體框圖

心電信號的采集采用雙極性標準肢體導聯I方式，導聯線使用三導聯線，除了兩路分別接左右手的電極外，另一路作為右腿驅動電路。其主要電路結構包括前置放大器、低通濾波、高通濾波、主放、50Hz陷波、電平提升和A/D轉換等部分[8]。由于ATmegal 128L中的A/D只能量化單極性信號，因此，在心電信號采集前必須進行整體電平提升，使心電波形全部處于零電平（地線電平）之上，再送MCU的 A/D采樣端口。溫/濕度傳感器模塊芯片選用了瑞士盛世瑞恩生產的SHT系列溫/濕度數字傳感器芯片，該傳感器是一款高度集成的溫/濕度傳感器芯片，提供全標定的數字輸出。在加速度測量電路中，采用美國Freescale公司的MMA7260QT 3軸加速度傳感器設計加速度模塊，3軸信號分別送MCU A/D采樣端口。加速度也是一個很重要的參數，可用來監測病人的運動狀態。多生理參數采集和分析系統節點實物，見圖3。

圖3 多生理參數采集和分析系統節點實物圖

3 節點的軟件設計

本系統的軟件采用AVR Stuidio開發編譯環境，無線數據傳輸的核心是CC2420 RF芯片，其通訊標準為ZigBee 協議（IEEE 802.15.4）[9]。IEEE 802.15.4標準網絡內的無線傳輸過程中采用沖突監測載波監聽機制，網絡拓撲結構主要是星型網。本研究采用了標準定義的2.4G的數據傳輸頻率，這是一種采取O-QPSK的調制方式[10]。在無線傳感器網絡設計中、采取了主機輪巡查問機制和突發事件報告機制。主機每隔一定時間向每個傳感器發送取數命令，傳感器收到取數命令后向主機回發數據。在發生緊急事件時，傳感器節點容許主動向中心節點發送報告。

系統軟件設計分為3層，硬件驅動層、操作系統內核層（包括協議層）及應用層。硬件驅動層提供了所有硬件設備的驅動，主要包括CC2420驅動、ADC模塊驅動、串口驅動以及板級初始化；OS內核層提供了簡單高效的任務管理、內存管理、設備管理、功耗管理以及無線通信協議棧；應用層主要是利用操作系統層提供的API編制相應的應用程序，傳感采集、射頻通信、串口通信等。系統設計中內核層與硬件驅動層接口采用直接函數調用的接口方式，因為硬件部分對時間有嚴格要求，采用消息方式效率太低。應用層與內核層之間接口從軟件整體模塊的結構性和移植方面考慮，采用消息方式。

發送節點的軟件設計流程為：發送節點上電后首先對CC2420進行初始化，然后嘗試加入網絡，如果加入網絡成功，當接收到網絡協調器發出開始采樣的指令時，開始采集數據，利用ATmegal128L片上的A/D轉換器進行A/D采樣，然后將數據包發送到網絡協調器。發送節點RFD模塊的程序流程，見圖4。

圖4 發送節點RFD模塊的程序流程圖

接收節點的軟件設計流程為：接收節點上電后首先對CC2420進行初始化，然后建立一個無線網絡，當有RFD節點加入時，分別給每一個RFD節點分配地址。當需要開始采集信號數據時，由網絡協調器向RFD模塊發送指令，其后等待接收采樣數據，如接收到數據，則通過RS232口將數據上傳給PC機。網絡協調器模塊的流程，見圖5。

圖5 網絡協調器模塊的流程

4 PC上的顯示、存儲和分析

在接收節點數據通過RS-232接口傳輸到PC中。本研究利用Labview程序設計了一個虛擬儀器，通過Labview虛擬儀器可以實現所獲取數據的圖形顯示，實時地呈現病人的生理數據。另外，如果需要對生理數據進行存儲以進一步分析，也可以通過該Labview程序實現，Express VI可以以.txt或者.xls的格式存儲生理數據。利用Labview的MATLAB Script node，還可以實現心電信號的小波分析和HRV分析，以及溫度、濕度、加速度等信號的分析[11]。對生理數據的呈現、存儲和分析對后期的研究具有重要的意義。

5 結果與討論

系統設計完成后進行了聯合調試，利用串口調試助手和后端顯示平臺Labview查看到接收的數據包格式相符，采樣率匹配，達到了設計的預期要求。通過被試者對系統的運行進行測試，可以采集到被試者的心電和加速度數據，以及實時的環境溫度，系統測試終端界面，見圖6。從圖中可以看到，界面最上方為被試者的心電波形圖；界面右下方為加速度顯示界面，用來反映被試者的運動狀態；左下方是功能選擇區，包括串口參數選擇控件、傳感器節點選擇控件以及接收數據字節顯示。通過這些功能控件，本系統可以實現多節點收發以及實時監測的功能。

目前，該系統雖然能初步應用于臨床監護數據采集，但還需進一步的改進和提高。系統僅僅采集了比較常用的體溫、加速度和心電參數等。而事實上，僅僅這幾個參數是不夠的，臨床還需要更多的生理參數來確定病人的生理狀態，如血氧飽和度、血壓等。另外，目前系統采用的ATmega128 儲存和處理能力在應對大規模組網還是略顯不足，在以后的應用中可考慮使用ARM處理器作為接收節點，并存儲數據。最后，為了便于對醫療效果的評估，需要建立相應的數學模型和一個健全的數據庫管理系統，以便于以后的管理、分析和數據挖掘。在后期的研究中，我們將地這些方面工作作為重點，以推動該系統在臨床的廣泛應用。

圖6 系統測試終端界面

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Design of Multi-physiological Parameters Measurement and Analysis System Based on ZigBee Protocol

YANG Lin1, ZHANG Yong-kui2
1.Biomedical Engineering Department, The First Affiliated Hospital of Soochow University, Suzhou Jiangsu 215006, China; 2.Research Center for Learning Science, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096, China

This study established a wireless sensor network system based on the ZigBee protocol. ATmegal 128L as the MCU of sensor nodes and CC2420 chip as RF module constitute the system architecture. This system can get access to a variety of physiological parameters and analysis those parameters. Collection nodes has six channels for obtain the patient's physiological parameters and environmental data, and then transfer the data to the receiving node which was connect to the PC through the RS232 interface. Terminal section designed by Labview program can achieve the displaying, storage and analysis of physiological parameters. The system was mainly developed for clinical monitor, to build a intelligence unit of clinical nurse which is covered by wireless network of multi-physiological parameters measured.

sensor network; physiological parameters monitor; Zigbee protocol.

TP277

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.02.006

1674-1633(2012)02-0025-03

2011-08-08

2011-09-01

本文作者：楊林，生物醫學工程碩士，主要從事醫療設備專業技術研究。

張永魁，副教授，主要從事無線傳感網絡的開發與應用研究。

作者郵箱：yang1635@126.com