基于ZigBee技術的健康監測儀嵌入式設計

曾紅武

摘 要：針對我國人口老齡化加劇，慢病發病人數快速上升，并逐漸成為影響國家經濟和社會發展的大問題的現象，文中提出了一種基于ZigBee技術的嵌入式健康監測儀。利用心率、脈搏、溫度等傳感器感知人體生理信號，通過ZigBee無線網絡將多種生理信號傳送到終端設備，利用向量自回歸模型對傳輸數據做優化處理，開發一種對多種生理體征進行同時、實時、隨時的監測儀。經驗證，該監測儀性能穩定，達到了設計要求。該設備的研發對慢病管理的家庭化起到了輔助作用。

關鍵詞：ZigBee技術；傳感器；向量自回歸；監測儀；嵌入式

中圖分類號：TP206；TN06 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）08-00-03

0 引 言

近年來，伴隨著人口老齡化的加劇，慢病發病人數快速上升，并已逐漸成為影響國家經濟和社會發展的大問題，因此加強慢病管理至關重要[1]。我國慢病管理模式主要為患者定時去醫院監測各項生理指標并記錄，醫生根據檢測指標做出相應的臨床診斷和處理。這種被動式記錄方式在現代生活中極大地增加了經濟成本和時間成本，造成醫療資源的浪費。如果有一種設備能方便、快捷地采集患者連續時間段內的體征數據，既有利于患者自我監測，也有利于醫生及時根據收集的體征數據進行臨床觀測和診治。

ZigBee技術具有構建成本低、功耗低、穩定性高、可自組網等優點，是一種使用比較廣泛的短距離無線通信技術，目前廣泛運用于智能家居等領域[2]。本文研究開發了一種基于ZigBee技術的健康監測儀，研究利用ZigBee無線傳感網絡將溫度、脈搏、心率傳感器等采集的人體生理參數發送到信息控制終端并顯示，同時創新性地提出采用向量自回歸模型保證數據傳輸的穩定性，實現了前端多種數據同時采集，后端進行數據處理的比較理想的慢病智能多路健康監測儀[3]。

1 系統設計

信息采集系統由感知層、網絡層、應用層組成，網絡拓撲結構采用典型星型結構。

（1）感知層由傳感器和節點組成，負責體征信息采集。

（2）網絡層由節點和協調器組成，節點將采集到的體征信息通過ZigBee網絡上傳至協調器。

（3）應用層通過上位機程序將協調器接收到的信息做相應的處理。

健康監測儀由傳感器模塊、終端節點、協調器組成，其工作結構如圖1所示。

當有節點傳感器失效時，采用向量自回歸模型，根據其前時數據和其他完好的傳感器數據計算出該傳感器的現時數據，以提高系統數據采集的完整性和準確性。

2 硬件設計

基于ZigBee技術的健康監測儀硬件主要包括節點模塊和協調器模塊。

2.1 節點模塊設計

傳感器模塊具有采集脈搏、心率、體溫等人體相應體征信息的功能。以采集體溫信息為例說明其工作運行模式。節點模塊包括ZigBee模塊和體溫傳感器。ZigBee模塊采用德州儀器公司生產的CC2530芯片作為核心。CC2530是單芯片上集成一個完整系統（SoC）的完美解決方案，廣泛適用于2.4 GHz

IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE等[4]。由于其可自組網，

因此能以較低成本建立強大的網絡節點。CC2530內置了性能優良的RF收發器，搭載了增強型8051中央處理單元，系統內可編程閃存，8 kB隨機內存和許多其他具有強大功能的模塊[5]。CC2530運行模式之間的轉換時間較短，以確保其功耗較低，非常適合家用。體溫傳感器采用合肥華科電子科技有限公司生產的HKT-09A體溫傳感器，該傳感器采用專業的電流驅動電路和Honeywell熱敏電阻敏感元件，芯片將CMOS與傳感器相結合，體積較小[6]。HKT-09A體溫傳感器具有溫度測量響應時間快、精度高（精度可達0.01℃）等特點[7]。HKT-09A支持在線溫度校準，可通過相應指令對測量溫度進行調整。該傳感器適合各類基于單片機開發的體溫測量系統[8]。圖2所示為HKT-09A與CC2530連接圖。

從圖2可以看出，HKT-09A傳感器的GND為接地管腳，傳感器RS 232與CC2530的P1-4連接，引腳上接一個10 kΩ的電阻實現上拉。傳感器RXTX與控制器P1-5連接，電源與地之間并聯一個電容。

2.2 協調器模塊設計

協調器負責多個節點信息的采集、匯總、上傳、組網。協調器由CC2530控制器模塊、時鐘模塊、WiFi模塊、存儲器模塊、顯示模塊等組成。WiFi模塊負責服務器與協調器之間的數據通信。協調器內部結構如圖3所示。

CC2530負責控制協調器模塊，是整個模塊的核心部分。服務器與協調器之間的信息傳遞借助WiFi模塊實現。在本文設計中，WiFi模塊采用億佰特科技公司生產的E103-W01模塊。E103-W01模塊的工作頻段為2.4～2.483 5 GHz，發射功率為100 mW，在沒有遮擋的情況下，其有效傳輸距離可達800 m，采用貼片小體積封裝工藝，是一款具有超高性價比的串口轉WiFi模塊。模塊中陶瓷天線與IPX并存，使得共振頻率較高，終端接收效果較好[9]。模塊可使用串口及其他接口進行數據收發，降低了無線應用的門檻[10]。E103-W01是一款工業級芯片，可在高溫、高濕、強電磁環境中長期使用，完全滿足本文設計的需求[11]。

3 軟件設計

系統軟件設計包括節點程序和協調器程序，其中協調器程序利用向量自回歸模型可有效保證數據收發的完整性。

3.1 節點程序設計

節點程序負責溫度、脈搏、心率等傳感器的初始化，接收傳感器采集到的信息并發送數據。節點將這些信息通過ZigBee無線網絡上傳至協調器。CC2530通過通道進行A/D轉換，將采集到的信息轉換為數字信號。節點程序設計框圖如

圖4所示。

傳感器及CC2530加電并復位，ZigBee協議棧調用函數osal_init_system（）執行初始化OSAL工作。向溫度模塊、血壓模塊、心電模塊發送執行命令，傳感器開始采集人體信號，并返回采集結果。無線模塊將采集到的信息發送到協調器。

3.2 協調器程序設計

協調器程序主要負責組網、節點信息收集，并接收上位機的指令進行相應的處理。協調器程序設計框架如圖5所示。

協調器加電復位后，系統調用osal_init_system（）函數初始化OSAL。節點與協調器自組網成功，協調器接收節點上傳的傳感器信息，然后驗證節點信息的完整性。如果完整則處理上位機命令，發送信息；如果不完整，則調用向量自回歸模型校正信息后再發送。但數據采集失敗次數超過三次，便會發出警報提示是否被采集人出現異常情況。

3.3 向量自回歸模型程序設計

當ZigBee網絡中部分傳感器失效時，系統將自動采用向量自回歸模型校正信息。向量自回歸模型的原理是根據之前采集的數據和其他完好的傳感器采集的數據融合計算出當前失效傳感器的正確值[12]。通過向量自回歸模型可以提高數據傳輸的穩定性和正確性。算法如下所示[13]：

（1）假設L為傳感器采集的總數據個數，Q為傳感器個

數，P為有效傳感器個數。

（2）假設完好的傳感器數據為Av1，Av2，…，Avn。

（3）依據向量自回歸算法構造向量矩陣 Mn=[1；Av1；…；Avn]。

（4）假設，對W矩陣進行LU分解，W=LU，得到，從而得到，根據參數值L，Q，P，U，B得到誤差向量。

（5）依據以上結果可知，失效傳感器的數據為Av=BUv+ε。

4 驗證及分析

以一個協調器、一個溫度節點進行驗證及分析，主要驗證溫度的誤差。本文使用北京金泰科儀生產的人體專用紅外溫度快速檢測儀CW110進行測試對比，CW110測試的標準溫度為36.7℃[14]。從200次測試結果來看，測量值與標準值的差在0.1～0.2℃之間，數據具有較高的穩定性，完全符合人體溫度測試要求。50次測試結果與標準值比較圖如圖6所示。

5 結 語

本文利用ZigBee技術開發了一種可同時采集、傳輸多種生理體征信息的健康監測儀。設備結構簡單，成本低，無線傳輸布線使用便捷，同時可方便地接入Web系統，完全可滿足人們對慢病的隨訪及相關信息的采集、管理、分析和利用，改善患者及家庭成員普遍缺乏慢病自我管理知識的現象，促進家庭與社區 “共同參與”，既符合我國國情，又具有成本低、效益好，能同時覆蓋大量慢病患者等優點，對于慢病防治具有重要意義。

參考文獻

[1] CALLAWAY E，GORDAY P，HESTER L，et al. Home networking with IEEE 802.15.4：a developing standard for low-rate wireless personal area networks[J]. Communications magazine IEEE，2002，40（8）：70-77.

[2]周文靜.我國人口老齡化的現狀與積極應對[J].經營與管理，2014（2）：14-16.

[3]石道生，任毅，羅惠謙.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（信息與管理工程版），2008，30

（3）：394-397.

[4]蔡偉超.基于ZigBee技術的老年人家庭健康監護設計[D].天津：天津大學，2009.

[5]劉小欽.基于ZigBee的老年健康監護系統的研究[D].合肥：安徽理工大學，2012.

[6]王小強，歐陽駿.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].北京：化學工業出版社，2012：30-40.

[7]呂捷.GPRS技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2001：15-30.

[8]赫建國，葛波海，鄭燕.MSP430微控制器基礎和應用設計[M].北京：電子工業出版社，2014：25-28.

[9]施保華，趙娟，田裕康.MSP430單片機入門與提高：全國大學生電子設計競賽實訓教程[M].武漢：華中科技大學出版社，2013：40-42.

[10]楊成才.數字溫度傳感器DS18B20在醫療設備數字化管理中的開發應用[J].醫療裝備，2013，26（8）：1-4.

[11]王平，劉清君.生物醫學傳感與檢測[M].杭州：浙江大學出版社，2010：45-60.

[12]潘付文.多參數人體健康監護系統設計與實現[D].北京：北京郵電大學，2012.

[13]李外云.CC2530與無線傳感器網絡操作系統TinyOS應用實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015：70-80.

[14]田華，李沭，張相林.慢病管理模式的國內外現狀分析[J].中國藥房，2016，27（32）：4465-4468.