基于ZigBee的可穿戴式病房無線監護系統

王世平，王志武，顏國正

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海200240）

基于ZigBee的可穿戴式病房無線監護系統

王世平，王志武*，顏國正

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海200240）

針對傳統病房監護系統結構復雜，操作不便的不足，給出了一種新型可穿戴式多生理參數無線監護系統設計方案。設計了集血壓、血氧、脈率及體溫于一體的多功能腕式測量終端，其具有體積小，便攜及易于佩戴等諸多優點；搭建了采用Zig?Bee網狀拓撲結構的無線傳感網絡，通過實現服務器與無線傳感網絡之間的多網關通信提高了網絡性能；建立了相應的中心監護軟件以實現測量數據的實時顯示，病人信息的集中管理以及遠程報警與控制等功能；制作了一定數量的原理樣機并在局部范圍內驗證了該系統應用于醫院病房監護的可行性。

無線傳感網絡；監護系統；星型拓撲；多網關通信；ZigBee

傳統的醫用多生理參數監護系統經過長期發展，其技術已比較成熟，然而在使用過程中也暴露出一些有待優化的缺陷，如傳統的有線連接方式以及相對較大的儀器體積給測量帶來了不便；測量設備功能單一；購置及維護成本高昂，因此新型的監護系統成為一種需求。

隨著物聯網概念的興起和發展［1］，無線傳感網絡（WSN）逐漸成為新的研究熱點［2］。在無線通信協議方面，有著諸如ZigBee，Bluetooth，WirelessHART和WiFi等多種選擇，而在傳感器方面，智能化，微型化和集成化［3］也成為發展趨勢。如今WSN已被應用于如環境監測［4-5］、智能家居［6］等許多領域，這也使得人們看到了將其應用于醫療監護系統的廣闊前景。

實際上這方面的研究工作已在進行，其主要內容是多生理參數的采集和無線數據傳輸。目前關于多生理參數采集終端研究多集中于腕式［7-8］、植入式［9］以及背帶式［10］三種，其中腕式以其舒適性和便于佩戴的特點最適于長期臥床的病人使用。從無線通信角度來看，主要分為遠距離與近距離兩種數據傳輸，前者需要依靠公用通信網絡如GSM/GPRS/ CDMA［11］，后者則可以借助標準的無線通信方式如Bluetooth/WiFi/ZigBee，或者通過非標準通信協議的收發器實現，其中ZigBee技術憑借其低成本、低功耗、良好的擴展性和多跳通信等特點逐漸應用于醫療監護領域［7-9，12-14］。然而從目前來看，大多數仍處于初始搭建階段，能實際投入醫院病房監護應用的研究成果少之又少。

本文首先給出了系統整體框架，繼而分別對生理參數采集終端及相應測量模塊，網狀拓撲ZigBee網絡和中心監護站做了詳細介紹，最后對本套監護系統進行了相關驗證。

1 系統整體框架

系統的概念框架如圖1所示，其主要包括測量終端，ZigBee無線網絡以及上位機（中心監護站）三部分。ZigBee無線網絡采用網狀拓撲，包括一個協調器和若干路由器及終端節點。路由器和協調器均配備了以太網和GPRS接口而作為網關使用，至于哪個節點作為網關使用要取決于具體環境及網絡布局。終端節點通過外圍集成的傳感器采集病人的生理參數信息并發送至網關，繼而由網關通過以太網或GPRS輸送至服務器。在無線信號傳輸可靠性方面，ZigBee協議棧物理層采用了擴頻技術，MAC層通過CSMA機制能夠擇優選擇信號傳輸信道，數據包發送采取了循環冗余校驗和避免碰撞策略；網關在一般情況下以有線以太網的方式與服務器建立UDP連接，若所處環境使用有線連接存在困難，則通過備用GPRS接口接入互聯網與服務器進行通信，GPRS通過網際協議（IP）保證傳輸可靠性，然而與有線方式比較還是在通信時延、穩定性、通信速率、成本等方面皆處于劣勢。上位機包括服務器和客戶端兩部分，采用典型的C/S架構，服務器負責獲取、分析和存儲由網關傳輸上來的數據并實時推送至客戶端，通過客戶端登錄服務器之后可實時監控病人信息，也可通過客戶端操作界面向服務器發送相關指令控制終端節點的狀態。借助本系統，可實現每位病人生理信息的集中管理與實時查看，醫生可以通過接入醫院數據庫隨時隨地了解任意病人的生理狀況。

圖1 無線監護網絡概念框架圖

2 多生理參數測量終端

可穿戴式生理參數采集終端是無線醫療監護系統的核心組成部分。本系統仍然沿用了臨床上較為認可的腕式測量終端，并采用TI公司生產的CC2530芯片作為其主控芯片。其內部功能模塊如圖2（a）所示，主要包括血氧測量模塊，血壓測量模塊，體溫測量模塊，微控制器系統，無線收發模塊和電源系統等部分，其原理樣機如圖2（b）所示。CC2530在對不同生理參數測量數據進行打包發送時會以不同測量ID進行標識，以便上位機進行解析。

圖2 測量終端

2.1 血氧（脈率）測量模塊

血氧模塊采用光電容積脈搏波描記法（PPG）測量血氧飽和度。它基于Lambert-Beer定律，利用氧合血紅蛋白與脫氧蛋白對單色光吸收程度的顯著差異進行測量。本設計采用660 nm波長紅光與940 nm波長紅外光兩路光信號以屏蔽其他干擾。

2.1.1 模塊配置

本模塊采用Cypress生產的CY8C29466芯片（PSoC1）作為主控制器，PSoC系列芯片在內核周圍集成了可配置的模擬與數字外圍器件陣列［15］，因此可以通過充分利用內部資源而減少外圍電路的使用，進而減小模塊的體積。CC2530芯片通過串口（UART0）中斷讀取血樣模塊數據，然后對血氧、血氧波形及脈率數據進行解析和分別打包，并定時向服務器進行發送。片內功能模塊配置的測量通道如圖3（a）所示，圖3（b）為血氧模塊實物圖。

圖3 血氧模塊

控制器以100 Hz頻率交替控制兩路LED亮滅，光電信號經過外部I-V轉換之后依次進行低通濾波（LPF）和前置放大（PGA），然后信號分為兩支，一支將進行差分放大，比較信號為內部算法得到的直流偏移量，繼而進行AD轉換；而另一支信號直接進行AD轉換。由此得到的兩路信號分別為交流信號與直流信號，繼而借助相關經驗公式得出最終的血氧飽和度，同時脈率可由波形頻率得出。

2.1.2 濾波算法

針對低通濾波難以濾除的低頻噪聲干擾，設計了形態濾波與相干濾波組合算法對信號波形進行了處理。形態濾波可以通過開運算與閉運算分別來消除噪聲疊加于波形的尖峰與波谷，同時直流信號（DC）閉運算的結果即可為后續的差分放大過程提供直流偏移量。而相干濾波通過對相鄰波形幅值取平均值平滑了波形，進一步消除了噪聲干擾。

2.2 血壓模塊與體溫模塊

血壓模塊采用了由蘇州康人研發生產的電子血壓計模塊，如圖4所示，以及相配套的氣囊袖帶。此模塊具有體積小，精度高，測量穩定等優點。CC2530通過串口（UART1）中斷讀取血壓數據，通過狀態機模型對數據進行解析，打包之后定時向服務器進行發送，同時模塊的啟動及測量操作可通過向串口發送相關控制指令實現。

體溫模塊測量基于橋路中熱敏電阻的阻值變化，繼而進行相應的修正計算實現體溫的測量。CC2530以輪詢的方式通過SPI總線進行體溫數據的讀取，定時每3 500 ms向服務器發送一次數據。一般來說體表溫度受周圍環境影響較大，很容易造成較大測量誤差，為盡量避免這種影響，可通過專用系帶輔以保溫材料將熱敏電阻固定于袖帶下方。

2.3 電源系統

為降低測量終端功耗，提升使用體驗，電源模塊經過了反復設計驗證，實現細節如圖5所示。

圖4 蘇州康人電子血壓計模塊

圖5 終端電源系統設計

終端由兩節七號干電池供電，電池電壓首先經過L6920升至5 V給上述模塊供電，然后經LT1763穩壓至3.3V給CC2530及其外圍系統供電。由電源管理芯片LTC2950控制使能以上芯片，通過按鍵給LTC2950超過300 ms的低電平會使LTC2950使能端瞬間拉高，整個系統包括CC2530會開始工作，待LTC2950收到來自CC2530的反饋信號之后會保持使能有效，系統才開始正常工作，否則會使能無效。終端關閉也是通過LTC2950按鍵低電壓檢測完成。

3 ZigBee數據傳輸網絡

ZigBee支持星型、樹狀和網狀三種拓撲網絡，相較于其他幾種，網狀拓撲在網絡容量，穩定性，通信能力等方面明顯占優［16］，因而本系統采用網狀拓撲結構。網絡基本框架如圖1所示，包括一個協調器，若干路由器及終端節點，協調器與路由器之間對等通信。

3.1 硬件設計

終端節點采用CC2530芯片作為主控芯片，它是真正應用于IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE的片上系統解決方案［17］，能以非常低的物料成本建立強大的網絡節點。協調器與路由器在硬件設計上完全一致，均配備了以太網與GPRS接口（備用），至于選取哪個作為網關進行與服務器的通信則需根據具體應用環境布局而定，路由器采用LM3S9B96作為主控芯片，通過SPI外接TI第二代ZigBee收發芯片CC2520實現無線通信。圖6為協調器內部模塊框圖及實物圖。

圖6 協調器

3.2 軟件設計

軟件部分設計基于TI公司推出的OSAL系統，OSAL是以實現多任務為目的的系統資源管理機制，核心是維護一張任務列表來響應具有不同優先級的任務。其在本系統中的主要任務是實現外圍硬件的初始化，Z-Stack初始化和數據的收發、解析。ZigBee通信主要通過OSAL內部的回調函數來實現，根據所接收數據的目標地址決定其發送方向。以太網連接采用UDP協議實現與服務器的通信，而GPRS通信則通過串口收發AT指令實現，兩者傳輸可靠性均由其自身傳輸協議保證，在路由機制方面，采用了Tree路由算法和Z-AODV算法混合路由策略以支持網狀網絡。

考慮到無線通信中可能出現的設備故障，網絡阻塞等問題，本系統數據傳輸網絡與服務器之間通信采用了多網關模式。其具體實現如下：服務器在一定的組播地址上周期性發送消息，網關節點則在同一地址上進行偵聽，如果節點接收到數據包則表明此節點支持以太網通信，然后此節點會以一定半徑R（固定跳數）廣播此節點可用的消息。所有的節點都會在內存中維護一張名為gw_tbl的表，一段時間內沒有被更新的表項會被認作已不支持以太網通信而被刪去。如果路由器接收到目標地址為服務器的數據包，會經過如圖7所示處理。

3.3 網絡布局

相關研究表明節點密度的變化對網絡性能有較大影響，隨著節點密度的增加，網絡通信質量與節點能耗情況都會顯著惡化［18］，因此綜合考慮醫院病房的布局環境，每個病房放置3～5個終端節點比較適宜。典型布局如圖8所示，每個病房放置若干終端節點，配置一個路由器負責病人生理參數的采集與路由，走廊也需放置一定數量的路由器保證傳輸路徑的順利搭建，協調器則應置于服務器附近便于以太網通信。

圖7 目標地址為服務器的數據包發送流程

圖8 系統典型布局

4 中心監護站（上位機）

上位機軟件使用VC#編寫，病人信息數據庫基于Microsoft Server 2008 Express開發，上位機包括兩部分：服務器與客戶端。服務器用來實現底層通信，維護網絡拓撲，處理傳感器所采集數據，數據庫訪問等功能，而客戶端則提供人機交互GUI，其采用WPF技術開發。

上位機實現了以下功能：①病人各項生理參數指標及生理狀態的實時顯示。主視圖（圖9（a））集中顯示所有病人信息，詳細視圖（圖9（b））可顯示每位病人的生理信息，而曲線視圖追蹤一段時間內所測生理參數變化趨勢；②網絡拓撲信息管理。可繪制與維護當前網絡拓撲，并實時顯示（圖9（c））；③控制終端節點測量操作。可以通過客戶端GUI按鍵發送控制命令控制任一測量模塊的打開關閉；④用戶信息管理。可實現用戶的注冊、登錄，以及用戶信息的修改和刪除功能；⑤病人和節點信息管理。可實現病人信息及終端和路由設備的創建、查詢、修改和刪除功能，并可根據實際需要實現病人與終端節點之間的任意綁定；⑥定時測量管理。可根據實際需要設定測量模塊開關時間及定時測量時間；⑦報警功能。可實現生理參數測量異常與終端節點電量不足報警。

圖9

5 實驗驗證

為了驗證本系統的有效性，制作了相應數量的測量終端樣機與路由設備，對終端測量的各項參數以及系統網絡的運行情況進行了詳細測試驗證。

5.1 測量終端驗證

考慮到部分生理參數如血壓的真實值測量需要通過動脈內置導管完成，并不具有可行性，或者通過柯氏音聽診法測量，但前后兩次測量血壓并不能保證一致，或者同一次測量中兩種測量方法會互相干擾，也不具有可行性，因此選取了一些市場表現比較好的產品作為終端參數測量的比較對象。同時隨機選取3個測量終端與10名受測試者，對每項生理參數指標進行比對，其各項比對結果統計如表1所示，可見血壓測量達到了AAMI對于電子血壓計相關的測量標準［19］，而血氧與體溫等參數測量精度也基本能滿足臨床需要。然而由于手腕處體表溫度受周圍環境影響較大，并不能真正反應受測試者真實體溫及變化，此后續可以考慮采用專用體溫探頭置于病人腋窩處進行測量。

表1 測量終端對照試驗結果

終端能耗方面，經測試正常工作電壓在60 mA左右，待機功耗小于1 mAh，測量一次血壓耗能小于6 mAh，兩節干電池至少可供200次測量。終端測量精度與性能均能滿足臨床監護需求。

5.2 系統網絡測試

由于實驗室布局環境與醫院病房具有一定程度上的相似性，在實驗室搭建了無線傳感網絡并進行了初步驗證測試。15個終端節點，5個路由器與1個協調器分布于四個實驗室房間，每個終端節點對應一位受測試者。具體實驗室分布及網絡布局情況如圖10所示，于客戶端顯示的網絡拓撲結構如圖9（c）所示，圖中所示的只是一種可能的連接路徑，在測試過程中網絡環境可能會發生變化，因而由路由算法尋優得出的最佳路徑也會隨之變化。若應用于醫院病房，終端直接可以以病人床位號命名以方便管理。

圖10 網絡測試系統布局圖

測試過程持續了8小時，期間受測試者體溫、血氧和脈搏數據均能實時傳輸并推送至客戶端視圖，對每個終端節點不定時發送了5次測量指令，并均能順利完成，測試期間，除個別終端節點某時刻掉線又迅速恢復連接外，其余均保持正常通信，網絡總體表現比較穩定，但同時也說明網絡在性能方面仍有改進空間。

本次測試在局部范圍內檢驗了系統運行情況，從系統數據測量、采集、傳輸、存儲和實時顯示環節驗證了應用于醫院臨床的可行性。

6 結論

本文給出了一套面向醫院病房的多生理參數監護系統完整方案。相較于傳統監護方式，本系統具有結構簡單，易于穿戴且擴展性好等優點，通過實時監控病人生理信息，可有效減輕醫護人員負擔，同時也能在一定程度上減少醫療事故的發生。為能盡快投入醫療應用，還需進一步完成醫院實地驗證，同時需要獨立開發血壓測量模塊縮小測量終端體積提升使用體驗，進一步提高監護軟件人性化水平，并優化網絡結構增強系統穩定性。

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王世平（1991-）男，山東濰坊人，上海交通大學碩士研究生，主要研究方向為生理參數檢測及無線傳感網絡相關應用，wsp1991@sjtu.edu.cn；

王志武（1969-）男，湖北黃岡人，博士，上海交通大學副教授，主要研究方向為醫學監護系統，生物醫學電子、微傳感器及智能機器人，zwwang@sjtu.edu.cn。

A Wearable Wireless Monitoring System for Ward Based on Zigbee

WANG Shiping，WANG Zhiwu*，YAN Guozheng
（School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

To cover traditional ward monitoring system’s shortage of complex structure and inconvenience，this pa?per proposes the design method of a kind of wireless physiological parameters monitoring system for hospital ward.A multifunctional wrist-type collector which integrates the function of blood pressure，oxyhemoglobin saturation，pulse rate and body temperature measurement was designed with noteworthy advantages of small volume，portable and easy to wear；a wireless sensors network based on ZigBee mesh topology was built meanwhile multiple-gateway communication mode was adopted between WSN and serverto improve the network performance；corresponding cen?tral monitoring station was established to fulfill real-time view of measured parameters，centralized management of patients’information，distant alarm and control，etc.a certainnumber of prototypeswerefabricated and the feasibility applying to hospital ward is verified in local area.

WSN；monitoring system；mesh topology；multiple-gateway communication；ZigBee

TP393

A

1004-1699(2015)10-1563-07

??6150P

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.10.025

2015-04-03 修改日期：2015-08-08