Zigbee無線傳感器網絡技術在心電監護系統中的應用研究

李建設,張友能

（安徽工貿職業技術學院,安徽淮南,230007）

Zigbee無線傳感器網絡技術在心電監護系統中的應用研究

李建設,張友能

（安徽工貿職業技術學院,安徽淮南,230007）

Zigbee具有功耗小、體積小、移動性好、覆蓋面強和低成本的特點。本文中就是基于此特點，給出了Zigbee應用于心電監護系統的設計方案，并對各數據之間的傳輸數據進行描述。

Zigbee；無線傳感器網絡；心電監護系統

隨著科學技術的不斷發展，醫療監控設備趨向網絡化和無線化已經成為未來醫療設備的發展趨勢，移動型、穿戴型的具備無線聯網功能的監護設備將會在未來的醫療領域大發異彩。在另一個方面，遠程醫療的技術的發展也迫切需要無線聯網技術與醫療設備進行結合，無線監護設備對患者的生命體征進行實時檢查，就可以簡化醫療設備的連線，為患者提供更加便捷的醫療體驗，同時又可以及時將數據反饋給醫生保證了良好的病情監控。

1 基于ZigBee技術的無線傳感器網絡基本理論

現階段無線傳感器的構建方式主要有兩種方式，一種是由中心管理機構將命令發給某區域的傳感器，并由傳感器返回此刻的監測數據；另一種是傳感器階段不斷監測周圍環境的變化數據，并實時將數據反饋給管理控制中心，后一種網絡布置方式較前一種網絡布置方式具有較大的數據量。

1.1 無線傳感器網絡的硬件組成

無線傳感器網絡的硬件組成由傳感器節點和網關節點組成，其中傳感器節點包括由傳感部分、模一數轉換(ADC)部件組成的應用部分，和由計算部件、存儲部件、通信部件、電源部件組成的節點平臺部分。

1.2 無線傳感器的網絡軟件組成

在硬件層搭建完成之后就需要進行軟件部分的編寫，軟件部分需要實現的功能包括無線傳感器網絡的數據采集和無線傳輸功能，同時還需要考慮路由功能、網絡拓撲、能耗考量和容錯性能等。本文涉及的是應用較為復雜的場景，因此在軟件搭建上可以根據無線傳感器網絡的特點構建相應的嵌入式操作系統，這樣就可以滿足系統對軟件實時性、可移植性的要求。常用的無線傳感器網絡的軟件層面主要包括硬件抽象層、系統服務層和應用層三個層次，在本系統的軟件構建中也采用這種方式。首先對硬件平臺的各種細節進行抽象，其中包括數據采集、無線傳輸、供電系統等，這樣就可以在為以后的工作屏蔽掉底層繁雜的硬件細節；接著構建系統服務層，在這個部分的搭建過程中主要是對通信服務、傳感服務等進行安排，同時對路由和算法進行實現。最后就是對應用層的定義，根據用戶具體需要進行進一步的定義。

2 心電信號特征及ZigBee協議

心臟病是一種常見的疾病，心臟病的發病具有極大的隨機性和偶然性，需要在醫治過程中抓住早期的診斷救治時間，所以需要對患者進行實時的心電監測來幫助醫生進行診斷治療，如果沒有進行實時的護理和救治就容易發生心電猝死狀況的發生。現有的心電監控設備大多都是有線設備，具有較大的體積，若是病人需要觀測就需要移動到特定的位置，這就極大的影響就診的便捷性。采用無線傳感器網絡構建無線的心電監控設備有助于迎合現在多元化、信息化的醫療監護模式，對患有心律失常和心肌缺血檢查方面的病人具有重要的意義。

2.1 心電信號的基本特征

想要對心電信號進行實時的監測，就需要充分了解心電信號的基本特征。心電信號采集于人體體表通常只有0.05-5mv,因為信號本身較為微弱所以在采集模塊通常需要采用信號放大和濾波的手段，否則微弱的心電信號就會被大量的干擾信號掩蓋掉，不能被正確的采集出來。另外心電信號通常處于低頻段，其頻帶所處的范圍一般為0.05Hz -100Hz，較干擾信號來說該部分集中心電信號的主要能量。其次由于人的身體具有不均勻性，并且通常會接收到多通道的輸入，心電信號容易受到外界的干擾。另外人體內各個器官之間有相互的干擾，并且人體和外界之間有密切的聯系，因此造成心電信號具有廣泛的不穩定性，來自內部和外部的變化會直接造成信號信號的變化。

2.2 ZigBee協議概述

現階段較為成熟的短距離無線傳輸技術包括藍牙、紅外和Zigbee三種技術，其中紅外和藍牙技術已經在生活中廣泛使用，而Zigbee較另外的兩種技術而言具有功耗小、體積小、移動性好、覆蓋面強和低成本的特點。ZigBee技術定義的是低速的無線個人區域網絡，其工作在不同的在載波下可以實現20kbps, 40 kbps和250 kbps三種不同的傳輸速率。ZigBee技術常用的網絡拓撲方式包括星型和點對點的傳輸方式的樹型和網狀三種方式。ZigBee技術通常的地址方式包括16位和64位兩種，16位地址是個域網中唯一的地址，當需要與外界進行連接時就需要調動64位的拓展地址。ZigBee技術具有載波多路偵聽技術以支持沖突避免，同時為了保證傳輸信息的可靠性可以采用ACK機制，較紅外和藍牙技術等短距離無線傳輸技術，ZigBee技術具有非常低的功耗，這樣就可以滿足電池供電的設備節點的使用。

2.3 Zigbee技術在心電監護系統中的定位系統

在無線傳感器網絡的構建過程中，對定位系統的研究是保證采集數據準確無誤的重要部分，若在心電監測系統中不能提供位置信息，那么該套系統將毫無意義。在本套系統中構建的定位系統是建立在心電監控網絡的原有基礎上，在功能部分分類上包括主站設備、路由器設備和終端設備三個部分， 其中主站是該定位系統中的控制部分，通過該部分與路由器部分的信息交互，實現坐標數據的無線傳輸，并將坐標數據傳遞給顯示終端，并將信息顯示在顯示界面中。另外該部分還需要時刻檢查整個系統的時鐘同步以及監測系統中路由信息的正確性。另一部分就是路由器設備，該部分主要是處理系統中的無線鏈路，將終端與主站進行動態鏈路的連接，同時也會參與到終端節點的具體任務。該部分保證系統內的信息交互，將終端設備中的坐標信息發送到主站中。最后一部分就是終端設備 ，該部分是心電監護設備的主體，可以實現與路由設備進行數據交互，并將自身的節點位置進行必要計算，通過路由設備中轉到主站中去。

3 結束語

在本文中分析了Zigbee無線傳感器網絡技術的心電監護系統，這是一種面向醫院研究的新型的心電監護系統。心臟病具有突發性和隨機性的特點，在現有的監控中可以實現對心電信號進行實時的監控和自動診斷，可以保證及時為醫生提供診療的信息，但同時這種心電監測設備具有體積大、移動不便的不足，這就為患者的診療造成不便。在文中討論了基于Zigbee無線傳感器網絡技術的心電監護系統，這樣可以實現患者的無線心電監測，為患者提供了一定的活動空間，這就為心電監測系統提供了新的發展方向。而在其中需要保證對移動患者位置信息進行實時定位跟蹤，在Zigbee無線傳感器網絡技術中對節點位置的監控十分必要。但該系統中由于一些硬件技術因素，對包括測距精度、能耗型等方面也需要進一步的改進和完善。

瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社，2007:313-347

Application of Zigbee wireless sensor network technology in ECG monitoring system

Li Jianshe,Zhang Youneng
(Anhui Industry &Trade Vocational Technical College Huainan Anhui,230007)

Zigbee has the characteristics of small power consumption,small size,good mobility,high coverage and low cost.This paper is based on this feature,gives the design scheme of Zigbee applied to the ECG monitoring system,and describes the transmission data between the data.

Zigbee;wireless sensor network;ECG monitoring system

安徽高校省級自然科學研究項目（KJ2013Z014） ; 安徽高校省級自然科學研究項目（KJ2013B037）

李建設，1974.6.22，男，職稱：講師，皖碭山縣，漢，本科，電路與系統。