基于ZigBee的人體健康數據采集系統的設計

張玉++姚凱學

摘 要：基于ZigBee技術的人體健康數據采集系統涵蓋了對脈搏、血壓、體溫等參數的采集，并通過無線方式進行傳輸。在監控中心建立以社區人員為中心的電子健康檔案，為人體的健康提供數據支撐。通過電子健康檔案來滿足醫生對所需數據的要求，通過分析用戶電子健康檔案存儲的數據信息來了解其日常的活動狀況，加強醫生對患者的了解，從而開啟因人而異的治療方式。

關鍵詞：ZigBee；數據采集；無線傳輸；健康檔案

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

隨著居民生活水平的提高、人口老齡化的加速與下一代健康安全問題的日益突出，老人和兒童的健康監護需求不斷加大。目前的醫療資源與水平無法滿足這種需求。隨著無線傳感器網絡（WSN）的快速發展，其在遠程醫療領域已經發揮了無可替代的重要作用[1]。目前，在國外已有科研人員將無線傳感器網絡應用于醫療監護系統，對被監護者的心電信息進行實時采集、監護[2]，也有將ZigBee應用于智能家庭醫療保健的方案。而在國內，市場上采用無線傳感器和ZigBee技術對家庭健康數據進行采集的相關產品還不多。

基于Internet的社區健康遠程監護數據采集方式是研究開發的熱點問題。基于物聯網技術，傳感器網絡建立的遠程醫療監護數據采集儀就可以讓患者在社區享受到大型醫院的常規檢查，減少排隊現象。還可以提高醫生看病診斷的效率，加強居民對自身狀況的了解，更正不正確的生活方式與不健康的生活習慣，以達到做好疾病預防、提高居民健康水平、減少醫療機構壓力的目的。

本文以物聯網和云計算為依托，提出了基于ZigBee無線技術的遠程健康數據采集系統，與社區醫院結合，面向患有心臟病、高血壓的老人及其他需要實時監護的病人，完成對人體生理參數的采集、上傳，并將詳細數據提供給醫生以方便醫生進行診斷。

1 系統設計原理

系統主要由健康數據采集傳感器、ZigBee-WiFi網關、智能終端、云平臺組成，通過傳感器采集人體生理參數并進行數據預處理，再通過異構網絡進行數據傳輸，將人體生理參數傳送至云平臺，在云平臺上進行數據存儲與分析，從而實現對人體各項生理數據進行實時傳輸、實時監測的功能。

1.1 ZigBee技術簡介

ZigBee網絡通常由協調器（Coordinator）節點、路由器（Router）節點、終端設備（End Device）/傳感器節點[3]組成。協調器用來建立ZigBee網絡，并為加入ZigBee網絡的終端節點分配網絡地址，每個ZigBee網絡需要且只需要一個協調器；路由器可以起到路由轉發數據的作用，又可以作為數據節點，還可為加入網絡的節點分配網絡地址[4]。

ZigBee技術具有短距離、低功耗、抗干擾性較強等特點，適用于遠程健康數據采集平臺。無線信號基于CC2530芯片構造的無線傳感網絡傳輸，采用Mesh拓撲結構。Mesh拓撲結構如圖1所示。點對點的網絡拓撲可以自動建立傳輸網絡。Mesh網絡可使數據經由多個節點傳輸，從而使付出的功率代價最小。

1.2 系統設計

本文中的無線傳感器節點主要將生理信號轉換成模擬電信號，并進一步轉換為數字信號，通過無線通信的方式將生理信號的數據發送到上層（中繼）節點。中繼節點把接收到的數據信息按照地址傳送、轉發至網關節點。網關節點通過Internet或串口與監護中心相連，將接收到的數據信號傳送至PC機，提供給醫護人員方便其分析與診斷。系統整體設計如圖2所示。

ZigBee-WiFi網關是數據采集系統的核心，主要實現對各傳感器終端設備的控制及對終端傳感器數據的采集與轉發，及時將數據轉發至網絡監控中心，實現數據的實時存儲與監護。

ZigBee協調器在ZigBee網絡中只能存在一個，其主要負責建立和初始化ZigBee網絡及確定ZigBee網絡的工作及網絡地址分配等。

ZigBee路由設備作為數據采集系統網絡的中間節點，負責數據從終端節點到ZigBee協調器的中轉工作，并為數據傳輸開辟了更為有效的路徑。

由于傳感器采集模塊具有低功耗、輻射小、抗干擾性強等優點，因此人體可直接佩戴，通過傳感器來采集人體相關信息[5]。

為降低系統功耗，ZigBee網絡中的傳感器設備采用簡化功能設備（Reduced Function Device，RFD）器件來設計，ZigBee協調器、ZigBee路由器采用全功能器件（Full Function Device，FFD）設計，可有效減少不必要的功耗。

2 硬件設計

2.1 生理數據采集終端的設計

生理數據采集模塊的主要功能是進行人體生理數據采集，通過與之相連的無線傳輸模塊將生理數據傳送至協調器節點，進而發送至遠程監控中心。

數據采集終端采用德州儀器（TI）的CC2530芯片，內置MCU8051單片機，負責天線與上層節點通信。當接收到上層發送過來的測量命令時，向傳感器模塊傳達采集命令并接收測量數據。生理數據采集終端如圖3所示。

當傳感器采集到人體生理參數后，通過ZigBee模塊內置的CC2530單片機的AD模塊進行模數轉換，經無線模塊RF射頻部分將數據發送至路由節點或者ZigBee-WiFi網關。CC2530芯片外圍電路的接線如圖4所示。蜂鳴器部分的電路如圖5所示。

2.2 ZigBee-WiFi網關設計

ZigBee無線網關主要實現ZigBee數據報文與以太網報文的雙向轉換。網關設計ZigBee和TCP/IP兩種不同的協議格式，因此需在網關的數據傳輸系統中將ZigBee數據包轉換為TCP/IP數據包，實現數據在兩個網絡之間的傳輸。

本設計采用三星生產的S3C6410芯片作為網關處理器。S3C6410是三星公司基于ARM11內核推出的一款高性價比、低功耗的16/32位RSIC微處理器[6]。該處理器為了提供更好的硬件性能，采用由AXI＼AHBT APB總線組成的64/32位內部總線架構。它還內置了許多強大的硬件加速器，具有音頻處理、視頻處理、二維圖形加速、顯示處理等功能[7]。其芯片內部集成1個LCD控制器，支持TFT-24 bit真彩色帶有觸摸屏的液晶顯示屏，SDRAM控制器，NAND Flash控制器，支持4通道UAR口，32通道DMA，4通道具有PWM功能的計數器和1個內部時鐘，全功能的SPI，I2C總線接口，I2S數字音頻總線接口，3個PLL，看門狗計數器，USB OTG，USB HOST，3通道MMC/SD等[8]。ZigBee-WiFi網關框圖如圖6所示。

3 軟件設計

3.1 系統整體流程及節點流程

當有新的終端節點申請加入時，會搜索整個網絡內的ZigBee網絡，并向與其對應的網絡申請加入，成功加入后處于等待狀態（上層給終端節點的指令）。當接收到上層指令時，進入工作狀態，采集人體的生理數據，并由路由器節點/協調器節點傳送至ZigBee-WiFi網關，進行人體生理數據的實時監控[9，10]。系統整體流程如圖7所示。

在系統運行之前，所有終端設備都會進行初始化End-Device init（）操作，當收到上層指令時開始采集數據。節點工作流程如圖8所示。

3.2 軟件校正

文中的人體生理傳感器包括體溫、脈搏、血壓等。由于溫度傳感器DS18B20測量的數據有一定誤差，使用算法對其在軟件上進行校正。校正的方法采用常用的數學優化技術——最小二乘法。

最小二乘法通過最小化誤差的平方和尋找數據的最佳函數匹配，可以簡單求得未知數據，并使這些求得的數據與實際數據之間誤差的平方和最小。假設給定m個點集（xi，yi）（i=0，1，2，…，m），其中xi為測量值，yi為真實值，最小二乘法即求與給定的m個點距離平方和最小的曲線y=ax+b。

（1）

將y=ax+b帶入式（1），當最小時，可求對a、 b的偏導數，得到a、b的值。由此得出測量值與真實值之間的線性關系。

（2）

（3）

4 以溫度為例采集數據

以溫度為實例采集數據，DS18B20傳感器在開啟后需要一段測量時間，由圖9可知體溫在150 s后趨于穩定。數據為經過最小二乘法在軟件上做修復的數據。由此可知，終端節點可以較準確的測量出人體體溫。

5 結 語

本文提出了基于ZigBee無線傳感器網絡的人體生理數據采集系統，由傳感器終端節點、ZigBee路由器、ZigBee協調器、ZigBee-WiFi網關四部分組成。本文給出了系統的整體設計方案，并為之建立了一個ZigBee無線網絡。文中構建的基于ZigBee的人體健康數據采集系統能提供給用戶更多的生理信息，方便用戶隨時了解自身的健康狀況。

參考文獻

[1]謝昕.基于物聯網的遠程家庭健康監護傳感器網絡研究[D].北京：北京郵電大學，2011.

[2]蔡利婷，陳平華，羅彬，等.基于CC2530的ZigBee數據采集系統設計[J].計算機技術與發展，2012（11）：197-200.

[3]孔維康，陶帥，汪祖民.基于ZigBee的養老院健康監護系統設計[J].計算機測量與控制，2016，24（1）：95-98.

[4]胡小海.基于ZigBee無線網絡的醫療監護系統的設計與研究[D].上海：上海交通大學，2014.

[5]鄭凱.基于ZigBee無線傳感器技術的心電監護網絡的研究[D].長春：吉林大學，2008.

[6]USER'S MANUAL S3C6410X RISC Microprocessor Confidential Proprietary of Samsung Electronics Co[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/9f9cba75f242336c1eb95ebe.html）

[7]林文.基于嵌入式開發的視頻監控系統設計與實現[D].成都：西南交通大學，2012.

[8]李強.基于S3C6410智能家居網關的技術研究與設計[D].西安：西安科技大學，2014.

[9]孟琳，陳萬忠，韓雙雙.基于ZigBee技術的社區醫療管理系統[J].微計算機信息，2009，25（20）：6-7.

[10]李學明.基于ATMEL9260的嵌入式生理數據采集系統的研究與實現[D].西安：電子科技大學，2011.