基于ZigBee PRO的低功耗遠程醫療監護系統

李強，郭興，王春山

1.河北農業大學 信息科學與技術學院，河北 保定 071001；2.保定市急救中心 急救外科，河北 保定 071051

基于ZigBee PRO的低功耗遠程醫療監護系統

李強1，郭興2，王春山1

1.河北農業大學 信息科學與技術學院，河北 保定 071001；2.保定市急救中心 急救外科，河北 保定 071051

本文研究并設計了基于ZigBee PRO和3G技術的低功耗遠程醫療監護系統，系統由含ZigBee PRO節點的便攜式遠程醫療監測設備、ZigBee PRO-3G網絡和遠程醫療監護系統平臺組成。便攜式監測設備實時采集的生命體征數據，如血壓、脈搏等，經ZigBee PRO無線傳感器網絡傳輸，通過集中器的3G模塊發送到遠程醫療監護系統平臺；遠程醫療監護系統平臺的數據處理系統對相關數據進行整理，并及時反饋給醫務人員進行分析處理。本系統的應用可以使被監護人有更多的自由活動空間，可以使患者在家里或社區得到有效地遠程醫療診斷和監護。

遠程醫療監護系統； ZigBee PRO；3G技術

隨著我國國民經濟水平的迅速提高，先進的醫療設備也不斷地發展并應用到臨床診斷中，使我國醫療技術水平有了很大的提高。目前，醫療監護系統在臨床中獲得廣泛的應用，利用傳感器采集特定的生理參數，再通過線纜將數據傳送到監控中心，這是一種固定的醫療監測方式，但由于傳感器線纜長度的限制，需要病人在檢測設備旁邊，限制了病人的行動自由，較長時間的數據采集還會增加病人心理壓力，造成焦躁不安的緊張情緒，進而導致采集數據異常造成假象，影響醫生對病人身體狀況和病情的判斷。如何擺脫傳感器線纜長度的束縛，實現遠程、實時、連續、長時間的監測病人生理體征等參數，對于提高醫療技術水平，加快病情診斷和康復都具有重要的作用[1]。近些年來，新興的ZigBee和3G技術，為遠程無線醫療監護提供了一種新的技術手段。本文提出了一種基于ZigBee和3G技術的嵌入式ZigBee PRO的遠程醫療監護系統，采用生理傳感器數據檢測與遠程無線傳輸的方法，可對在家庭和社區的被監護對象進行實時地監控，使被監護對象能夠擁有較多的自由活動空間，在獲得較準確的測量指標的同時，也得到了更有效的監護。

1 Zigbee PRO和3G網絡簡介

無線傳感器網絡又稱為ZigBee網絡，其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本[2]。主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入到各種設備。從2004年2月的第1個版本ZigBee 2004，到2007年開發完成的ZigBee 2007（ZigBee PRO），該協議不斷完善和不斷改進，在網絡可靠性、網絡容量、低功耗、抗干擾等多個方面，技術日趨完善。與之前版本相比較，ZigBee PRO進行了如下技術上的完善和改進[3]：① ZigBee PRO是工業級和商業級協議棧。② ZigBee PRO適合于大型網絡（超過1000個節點的大型無線傳感器網絡）。③ ZigBee PRO改進了路由方式，使路由更加可靠，路由表格更加節省內存[4]。④ ZigBee PRO增加了高級跳頻技術，具有超強網絡抗干擾能力。⑤ ZigBee PRO可以分包傳輸長數據包。⑥ ZigBee PRO提供商業級的加密通訊[5]。

2 總體結構設計

基于ZigBee PRO的低功耗遠程醫療監護系統包括3個組成部分（圖1）： ZigBee PRO節點的便攜式遠程醫療監測設備，ZigBee PRO-3G網絡和遠程醫療監護系統平臺。通過在便攜式遠程醫療監測設備的ZigBee PRO 無線傳感器節點、多級路由節點以及集中器構成無線傳感器網絡實現數據通信的網絡化傳輸；集中器整合ZigBee PRO-3G網絡，將數據發送至遠程醫療監護系統平臺；遠程醫療監護系統平臺的數據處理系統對相關數據進行整理，并及時反饋給醫務人員進行分析處理。

圖1 基于ZigBee PRO的低功耗遠程醫療監護系統總體結構設計圖

3 關鍵技術的實現

3.1 生命體征傳感器設計

本醫療監護系統生命體征監測包括：跌倒監測、心率監測、體溫監測，且均采用模塊化設計。各監測模塊的標準接口設計，可以根據需要將各監測模塊從便攜式檢測設備中添加或移除。

3.1.1 基于3軸加速度傳感器的跌倒監測模塊

跌倒監測設備我們選擇ADI公司的ADXL345傳感器，ADXL345是基于iMEMS技術的3軸、數字輸出加速度傳感器。ADXL345具有±2g、±4g、±8g、±16g可變的測量范圍，最高13bit分辨率，固定的4mg/LSB靈敏度，40～145μA超低功耗，標準的I2C或SPI數字接口，32級FIFO存儲，以及內部多種運動狀態檢測和靈活的中斷方式等特性。所有這些特性，使得ADXL345有助于大大簡化跌倒檢測算法，使其成為一款非常適合用于跌倒檢測器應用的加速度傳感器。其管腳結構，見圖2。

圖2 ADXL345管腳示意圖

對跌倒檢測原理的研究，主要是找到人體在跌倒過程中的加速度變化特征。不同運動過程對應的加速度曲線也是不同的，對于跌倒過程，即速度變化，本研究主要根據跌倒過程中有可能發生的4種狀態特征進行分析，這4種特征主要包括：失重、撞擊、靜止、翻轉。將這4種狀態的判斷結合在一起，通過跌倒檢測算法進行分析判斷，并實現預警。

3.1.2 心率監測模塊

心率監測模塊主要使用透過型的脈搏傳感器實現，其結構相對比較簡單，由紅外發光二極管、光敏二極管和圓筒組成（圖3）。其原理是通過使用對血流敏感的紅外發光二極管做光源，與之對應的光敏二極管，在一個圓筒壁上挖2個小孔(兩個孔與圓筒截面的圓心在一條直線上)，一側放紅外發光二極管，另一側放光敏二極管，當手指放入圓筒時，由于心臟壓送血液的不同手指上通過的血流量也不同，其透光率也不同。光敏二極管對不同的透光率會有敏感的反映，通過的電流會隨透光率而變化，把電流的變化再轉換成電壓的變化，然后進行測量。

圖3 脈搏傳感器示意圖

3.1.3 體溫監測模塊

體溫監測通過高精度熱敏電阻和便攜式檢測設備的ZigBee PRO芯片的A/D轉換電路實現。通過分析計算熱敏電阻的阻值變化，再利用熱敏電阻R-T關系表及分段線性化公式得到相應的人體溫度。

3.2 無線定位與無線數據傳輸的實現

3.2.1 無線數據傳輸

（1）ZigBee數據采集部分，其功能主要是通過無線傳感器將被監護人員的生命體征參數傳輸到無線傳感器的網關節點。

ZigBee網絡設備根據功能分為全功能設備和簡化功能設備2類。又根據設備在網絡中的作用，定義了3種設備，即協調器(全功能設備)、路由器(全功能設備)、節點(全功能設備或簡化功能設備)。協調器主要負責建立并維護網絡，路由器主要用于路由消息數據，節點可接傳感器或其他終端設備獲取外部數據。上述3種設備可以靈活地構成3種網絡拓撲結構[6]（圖4）：① 星型網絡，該網絡中含1個協調器和若干個節點設備，節點設備之間通過協調器進行數據通信；② 樹狀網絡，該網絡由1個協調器若干路由器、若干節點構成，節點數據可以延樹狀網絡進行路由；③ 網狀網絡，該網絡由1個協調器、若干路由器、若干節點構成，結構比較復雜，節點數據可以通過網狀網絡的最優路徑傳輸[7]。

圖 4 ZigBee 網絡結構

本監護系統采用協調器作為網關節點配合3G技術進行數據傳輸，路由器和普通節點實現無線定位和傳感器數據采集。

（2）3G數據傳輸。本系統采用基于3G的無線通信技術，將ZigBee網關所收集的生命體征信號發送到遠端的醫療監護平臺（圖5）。

圖 5 3G數據傳輸流程圖

3.2.2 無線定位

通過被監護人員所佩戴的無線傳感器，可以實時監控被監護人員的活動軌跡，了解當出現生命體征異常情況時的相關位置，對于幫助判斷、分析被監護人員的狀態是至關重要的。

本無線傳感器采用TI的CC2530作為ZigBee處理芯片，其定位過程：① 首先由網關對參考節點和未知節點進行廣播配置。② 一定時延后未知節點進行位置請求廣播。③ 參考節點收到廣播包后判斷是否已有該未知節點，若沒有則添加到節點列表，并做出回應[8]。④ 未知節點接收到回應包后進行單播的位置請求。⑤ 參考節點對請求進行單播的位置回應。⑥ 在收集到足夠多個參考節點的位置信息（3～8條）后，將數據傳輸給定位引擎進行定位。⑦ 計算位置偏移量，進行修正[9-10]，完成定位。

無線網關、參考節點與定位節點的定位流程，見圖6。

圖6 無線網關、參考節點與空位節點的定位流程圖

部分程序實現如下：

4 測試結果

本系統在實際環境中進行了初步測試，由志愿者佩戴便攜監測設備并對其體溫進行監測，將監測數據通過ZigBee PRO-3G網絡發送到遠程醫療監控平臺，監測結果，見圖7（其中縱坐標為采集到的實時體溫，橫坐標為時間）。

圖 7 體溫實時監測數據

在測試過程中，每隔30min采集1次便攜監測設備監測到的體溫數據，共采集5組數據，并與通過人體專用體溫測試儀所測試值相比較，見表1，誤差在0.5%以內。

表1 體溫監測數據結果比較

5 結束語

本文采用無線傳感器網絡ZigBee Pro技術與3G網絡技術結合實現了遠程無線醫療監護系統具有實用性、靈活性和可擴展性的特點。該技術的應用可以使被監護對象有更多自由活動空間,使其在家里或社區得到有效地遠程醫療診斷和監護。

[1] 石道生,任毅,羅惠謙,等.基于Zigbee技術的遠程醫療監護系統設計與實現[J].武漢理工大學學報,2008,30(3):396-397.

[2] 李文仲,等.ZigBee 無線網絡技術入門與實戰M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[3] 孫利民.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社,2005.

[4] Brain M.Blum.ZigBee與ZigBee PRO:那個功能集最適合?[J].電子產品世界,2010,(9):48-49.

[5] 章磊,黃光明.基于RSSI的無線傳感器網絡節點定位算法[J].計算機工程與設計,2010,31(2):291-292.

[6] 張少軍.無線傳感器網絡技術及應用[M].北京:中國電力出版社,2010.

[7] 鐘永鋒.ZigBee無線傳感器網絡[M].北京:北京郵電大學出版社,2011.

[8] 李文忠,段朝玉.ZigBee 2007/PRO協議棧實驗與實踐[M].1版.北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[9] 高明,吉祥,劉宇,等.ZigBee技術在室內定位中的應用[J].西安工業大學學報,2010,30(1):9-11.

[10] 李帥三,李佳,劉剛.基于ZigBee的胎兒心電社區遠程監護系統的研究[J].中國醫療設備,2011,26(6):111-112.

Introduction of Low Power Consumption Remote Medical Monitoring System Based on Embedded ZigBee PRO

LI Qiang1, GUO Xing2, WANG Chun-shan1
1.School of Information Technology, Agricultural University of Hebei, Baoding Hebei 071001, China; 2.Emergency Surgery Department, Baoding Emergency Center, Baoding Hebei 071051, China

This paper introduces low power consumption remote medical monitoring system based on embedded ZigBee PRO and 3G. The system consists of portable remote medical monitoring devices including ZigBee PRO nodes, ZigBee PRO-3G network and platform of remote medical monitoring system. The vital signs such as blood pressure, pulse rate collected by portable monitoring devices, were transmitted by the ZigBee PRO wireless sensor network and the 3G to the remote medical monitoring system platform; the platform collate the data and feedback to the medical staff for analysis and processing timely. This system can be the sick to have more free space. At the same time the sick get more effective care from the doctor.

remote medical monitoring system; ZigBee PRO; 3G technology

TP393.17；TP212.9

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.02.007

1674-1633(2012)02-0028-04

2011-08-25

2012-01-09

保定市科技支撐計劃項目（11ZF028）。

本文作者：李強，講師，主要從事計算機網絡研究。

作者郵箱：li_gulit486@163.com