基于WBAN的多參數健康監護系統研究與設計

李建輝　劉暢　王彩申　王強強

摘 要： 針對家庭健康監護設備可穿戴、易用性的基本特征需求，提出一種基于WBAN實現的生命體征多參數監測。系統由數據中心、監測節點、智能終端融合多種無線通信網絡構成。監測節點通過ZigBee網絡采集心電、血壓、體溫監測節點信號，同時在本地儲存和實時顯示；設計智能終端專用APP軟件，通過藍牙獲取監測數據，并基于公網上傳到數據服務中心和監護人。測試比對結果表明，該系統能獲得與醫療級別監護設備相當的生命體征監測數據。系統通過多種無線通信方式融合和嵌入式技術應用，有效地減小了硬件體積，提高了可穿戴性能，有助于體征數據全面監控和管理，為家庭健康監護應用提供了一條有效途徑。

關鍵詞： 無線體域網； 穿戴式設備； ZigBee； 藍牙網關； 健康監護

中圖分類號： TN915?34； TN99 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0149?03

Abstract： Aiming at the demands for wearability and usability essential features of the home health monitoring device， a vital signs multi?parameter health monitoring system based on WBAN is proposed. The system is composed of the data center， monitoring node， intelligent terminal fusing multiple wireless communication networks. The signals of ECG， blood pressure， body temperature monitoring nodes are acquired through ZigBee network， stored in local， and displayed in real time. The APP software dedicated to the intelligent terminal is designed， which can acquire the monitoring data through Bluetooth， and upload the data via public network to data service center and guardian. The test and comparison results show that the system can acquire the vital signs monitoring data considerable with the medical grade monitoring device. The system can reduce the hardware volume and improve the wearable performance， by means of multiple communication modes fusion and embedded technology application， is contribute to the comprehensive monitoring and management of the sign data， and can provide an effective approach for home health monitoring application.

Keywords： WBAN； wearable device； ZigBee； Bluetooth gateway； health monitoring

隨著人口老齡化程度加快，家庭健康監護設備成為醫療監護研究的熱點課題。隨著物聯網技術快速發展，無線體域網（Wireless Body Area Network，WBAN）技術應運而生。WBAN是以人體為中心的短距離無線通信網絡[1]，已為人體健康監護、遠程醫療、社區養老等領域提供了重要技術支撐。近年來WBAN相關技術研究工作及應用取得了一些成果，如：周聰聰等穿戴式無線心率監測系統[2]，王長清等無線體溫監測系統[3]，顏國棟無線血壓監測系統[4]， GE公司GEB30監護系統，邁瑞特公司BenView T5，Philips公司Home?base Telemonitoring System 等專用監護設備。文獻[2?4]系統功能單一，專用監護設備價格昂貴，主要應用于醫院和大型療養機構，對于家庭健康監護并不適用。本文提出了一種采用可穿戴式無線生命體征監測技術和智能手機相結合的方式，可實時監測人體的心電、血壓、體溫信號，解決了部分體征參數檢測需要專業設備、專業人員參與、價格昂貴等問題，為家庭健康監護提供了一種新途徑。

1 系統架構

多參數健康監護系統總體框圖如圖1所示，系統由監測節點、智能終端、數據服務中心組成。監測節點采集和匯聚來自ZigBee網絡各獨立工作穿戴式節點采集的心電信號、血壓信號、體溫信號；智能終端融合ZigBee，藍牙、WLAN等通信協議，通過藍牙獲取監測數據，在自主設計的APP上進行存儲、顯示；數據服務中心、監護人通過公網獲取智能終端的監測信息，并儲存至個人健康檔案中。

2 穿戴式無線體域網傳感器節點設計

穿戴式心電節點、血壓節點和體溫節點構建了WBAN的最底層。各傳感器節點由微處理器、無線通信模塊、傳感器相關調理電路、A/D轉換和電源管理電路組成。微處理器采用CC2530F256微處理器，內置ZigBee協議棧、8路輸入和可配置分辨率的12位ADC。針對各穿戴式傳感器節點采集的生理信號差異，為其分別設計了硬件上有差異的傳感器調理電路，保證了各節點獨立、周期性地采集生命體征參數，進行數據處理及傳輸。endprint

2.1 心電信號監測節點設計

心電信號（ECG）具有微弱性、低頻特性、內阻大、干擾大等特征[5]。穿戴式心電信號采集模塊采用高增益放大電路、高阻抗匹配電路、較高共模抑制比、高品質因數、陷波電路、帶通濾波電路等特性的電路，來完成原始信號的放大和濾波。

ECG信號采集選用三導聯Ag/AgCl電極。電極采集到的信號，經AD623進行一級放大（5倍），經帶通濾波器（0.05～130 Hz）濾除由人體正常產生的低頻噪聲信號和線路引起的高頻噪聲，LM324二級放大（10倍）后，通過二階高通濾波器（0.05 Hz）進一步濾除低頻噪聲，陷波器（50 Hz）消除工頻干擾，經低通濾波（130 Hz）和LM324進行三級放大（15倍）后，送至CC2530的A/D轉換器，完成對心電信號的采集。

2.2 血壓信號監測節點設計

血壓監測方法采用國際上通用的測振法與幅度系數法來進行測定，節點的設計采用袖帶式監測。在血壓監測波形中，收縮壓（Ps） 產生時，幅值為As；舒張壓（Pd）產生時，幅值為Ad；波幅最大值Am。當袖帶壓>Ps時，動脈被壓閉；當袖帶壓

根據反復的測試情況，本系統最終設置[AsAm]=0.5，[AdAm]=0.76。血壓監測節點原理框圖如圖2所示，壓力傳感器采用MPX5050，內部有溫度補償、偏置電壓，輸出電壓正比于壓力值和偏置電壓，接A/D轉換后輸出。

2.3 體溫監測節點設計

體溫監測采用耳帶式進行監測，耳膜（鼓膜）溫度最接近人體真實體溫，傳感器選用非接觸數字紅外溫度傳感器MLX90614，其檢測精度為±0.2 ℃，完全滿足體溫測量要求。經由SMBus總線與CC2530連接，通過SMBus其兼容協議接口模式輸出。

3 WBAN數據傳輸關鍵單元設計

為了解決WBAN可靠性傳輸[6]等問題，本文設計了ZigBee/藍牙異構網絡網關，如圖3所示。網關實現數據匯聚、傳輸協議轉換。穿戴式無線體域網傳感器節點數據經ZigBee網絡進行匯聚，ZigBee網絡工作頻段為2.4 GHz。系統采用具有藍牙通信接口智能手機作為智能終端，藍牙工作頻段為2 400～2 483.5 MHz，可和ZigBee，WLAN設備共存。選用ZigBee網絡負責WBAN底層數據傳輸，模塊選用CC2530，藍牙通信協議作為本地數據上傳至智能終端的通信協議，模塊選用CC2540。協議轉換器控制器選用具有2個USRT的MSP430。

4 系統軟件設計

系統軟件主要實現穿戴式無線體域網監測節點數據采集、ZigBee/藍牙傳輸協議轉換等功能。

4.1 ZigBee/藍牙傳輸協議轉換設計

ZigBee/藍牙網關管理層主要實現數據分組封裝和拆封。ZigBee匯聚節點向智能終端藍牙發送生命體征信息其過程如下：

Step1：ZigBee匯聚節點將生命體征信息通過串口發送給網關主控器；

Step2：主控制器去掉ZigBee分組信息、頭文件，數據部分轉交給藍牙控制器；

Step3：添加藍牙頭分組及物理層分組后，將數據以藍牙協議格式發送至智能終端的藍牙適配器。

4.2 血壓監測節點數據采集軟件設計

Step1：CC2530 GPIO啟動氣泵充氣，充至袖帶壓強=200 mmHg；

Step2：10 mmHg/s的速度階梯放氣；

Step3：MPX5050檢出一路信號經CC2530 ADC0轉換后，監視直流分量；

Step4：另一路信號使CC2530的ADC1工作；

Step5： 查找Am= Ammax；

Step6：Ps=0.5Ammax，Pd=0.76Ammax。

5 系統測試

選取5位年齡19～65歲、3男2女測試，體溫、血壓、心電采用比對測量方式。儀器為歐姆龍電子血壓計HEM?7300，范圍為0～299 mmHg，精度為±4 mmHg；耳入式體標溫定儀，范圍為34.0～42.2 ℃，精度為±0.025 ℃；結果如表1所示；心電信號與醫院十三導聯的心電圖比對見圖4。

6 結 語

本文設計了一種以ZigBee穿戴式節點構建WBAN多參數健康監護系統可實時監測并獲得了較高精度心電、血壓、體溫信號；有效融合了多協議無線數據傳輸技術、實現了生命體征數據有效的管理和監護，同時減少了系統體積；智能終端選用智能手機，無線通信網絡采用公共網絡，系統總體成本較低；對實現家庭健康監護的穿戴性及普適性有積極作用。

參考文獻

[1] 孫彥贊，姜玉鳳，吳雅婷，等.基于改進式隨機不完全著色算法的無線體域網干擾協調[J].電子與信息學報，2015，37（9）：2204?2210.

[2] 周聰聰，涂春龍，高云，等.腕帶式低功耗無線心率監測裝置的研制[J].浙江大學學報，2015，49（4）：798?804.

[3] 王長清，楊琳琳.基于ZigBee技術的體溫監測系統的設計[J].河南師范大學學報，2014，42（1）：42?45.

[4] 顏國棟，戴敏.基于無線傳感網絡的連續血壓遠程監護系統[J].天津理工大學學報，2013，29（1）：37?40.

[5] 李兆元，方勇，于宗澤.基于靜態閾值的無線體域網壓縮感知心電降噪重構[J].電子測量技術，2016，39（11）：140?145.

[6] 李彥，周藝，劉雨聲，等.無線體域網中基于時隙滑動窗口的概率路由協議[J].計算機科學，2016，43（11）：259?263.