隨著城市化進程的加速發展，大型醫院病人的日益增多，現有的病人病情監護機制已經不能滿足需要，因其不能實時對病人的狀況進行監護，造成耽誤救治、誤診時有發生。人們對醫療健康的關注和高質量醫療服務的需求，使得基于WSN 技術的無線醫療監護也越來越受到人們重視。ZigBee 技術在構建智慧醫療無線傳感網絡時，具有獨特的優勢。能實時的獲取病人的生命特征數據，并通過智能終端設備，無線網絡向護士、醫生、控制中心實時傳輸。
1 Zigbee技術
Zigbee 技術近年來在無線傳感領域應用非常廣泛。IEEE802.15.4 協議標準定義了它的PHY 層和MAC層，ZigBee 聯盟制定了網絡層、安全和應用層標準，用戶可根據自己的應用需求進行應用層開發。網絡的工作頻段分為868MHz,915MHz 和2.4GHz 共3 個頻段。在通信上，采用CAMA/CA（免沖突多載波信道）接入方式，有效避免了無線電載波間的沖突；能實現密鑰長度為128 位的加密算法對數據進行加密，確保了通信數據的安全保密性。網絡拓撲結構有星形、樹形和網絡形，能實現自動組網、多跳路由。滿足了醫院病人實時監護的組網需求。
Zigbee 技術在組網時的特點：
① 低功耗：在低耗電待機模式下，2 節5 號干電池可支持1 個節點工作6~24 個月，甚至更長。
低成本：通過大幅簡化協議，降低了對通信控制器的要求，ZigBee 免協議專利費，每塊芯片的價格大約為2 美元。
② 低速率：ZigBee 工作在20~250 kbps 的較低速率，分別提供250 kbps（2.4GHz）、40kbps （915 MHz）和20kbps（868 MHz） 的原始數據吞吐率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。
③ 近距離：相鄰節點間的傳輸范圍一般介于10~100 m 之間，在增加RF 發射功率后，亦可增加到1~3 km.如果通過路由和節點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。
④ 短時延：ZigBee 的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15 ms,節點連接進入網絡只需30 ms .
⑤ 高容量：ZigBee 可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254 個子節點；同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000 個節點的大網。
⑥ 高安全：提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單（ACL） 防止非法獲取數據以及采用高級加密標準（AES 128）的對稱密碼。
⑦ 免執照頻段：采用直接序列擴頻在工業科學醫療（ISM） 頻段，2.4 GHz（全球） 、915 MHz（美國） 和868 MHz（歐洲）。
2 系統及網絡結構
本文設計的醫院病人實時監護系統分為三層：病人所攜帶的各種傳感器構成的感知層、Zigbee 技術構建的無線網絡層、控制中心的應用層（如圖1 所示）。
圖1 系統及網絡結構圖
當病人攜帶無線監護器（傳感器）和智能終端設備在醫院的病區和公共區域活動時，各種傳感器能實時記錄穩定狀態、空間位置（定位）、心率、體溫、呼吸等人體生命特征數據，通過Zigbee 網絡上傳到控制中心，得到醫護人員的實時監護。
無線網絡由協調器節點（控制中心），適當數目的路由器節點（路由）和大量的終端節點（手持智能終端）組成，如果地理空間較大的話，也可以多協調器組網。這種組網方式具有極好的靈活性，病人持有的終端節點進入相應的路由區域都能自動組網。GPRS模塊給遠離醫院的醫護人員能不間斷的監護提供了可能。
若綜合考慮經濟等方面因素，各種傳感器（數字脈搏傳感器、數字體溫傳感器、血壓傳感器、呼吸傳感器、數字三軸加速度傳感器、RSSI 定位傳感器）可部分設計在病人手持智能終端上，也可單獨設計成產品。手持智能終端預留接口，靈活選配使用。
3 系統設計
3.1 硬件設計
3.1.1 病人手持智能終端
病人手持智能終端基于TI 公司的CC2530芯片開發，CC2530 芯片廣泛應用在2.4-GHz IEEE 802.15.4系統、RF4CE 遙控制系統、ZigBee 系統、低功耗無線傳感器網絡、消費類電子和衛生保健。CC2530 需要實現的功能以及外圍模塊主要有3 個部分：通過A/D 口控制傳感器模塊進行數據采集；控制無線RF 模塊完成數據收發；通過I/O 口相應主機控制。傳感器采集的數據也可通過I/O 口與微處理器相連，通過RS232接口可實現網絡節點與PC 機的通信。
由于CC2530 芯片內集成了許多特色功能模塊，因此，其典型的外圍電路也就非常簡潔（如圖2）。其中，主時鐘晶振采用32mhz 無源晶振以及32.768khz時鐘晶振；無線RF 模塊外圍電路采用無巴倫的阻抗匹配網絡，天線使用50 歐鞭狀負極性天線。且將數字三軸加速度傳感器和RSSI 定位傳感器集成在智能終端上。
圖2 CC2530 外圍電路圖
3.1.2 路由
基于TI 公司的CC2530 芯片開發，采用高性能的工業級32 位通信處理器、工業級蜂窩無線模塊和ZigBee 模塊，以嵌入式實時操作系統為軟件支撐平臺，同時提供RS232（或RS485/RS422）、以太網和ZigBee接口，可同時連接串口設備、以太網設備和ZigBee 設備，實現數據透明傳輸功能和路由功能。
3.1.3 醫護人員手持智能終端
可采用ARM+WinCE 架構，提供Zigbee、GPRS、藍牙、串口、USB 等多方式的網絡接口，集成化軟件服務平臺，方便醫護人員透明化的應用。
3.1.4 控制中心
控制中心由CC2530 和PC 機構成，CC2530 作為ZigBee 網絡的協調器，負責整個網絡的建立和管理。
病人的生命參數指標和呼叫信息，通過網絡轉發到控制中心進行集中顯示，并通過串口傳至PC 機進行存儲以便進行查詢。生命特征數據偏離了正常值而自動產生的報警信息會發至對應醫護人員的手持設備上。
3.2 軟件設計
3.2.1 系統網絡啟動流程圖
基于Zigbeer 技術能實現自組網功能，網絡協調器（控制中心）、路由節點和終端節點在啟動時，能根據自身狀態自動組網或加入網絡（圖3）。
圖3 系統網絡啟動流程圖
3.2.2 傳輸生命特征數據原理
只要病人身上攜帶有無線監護器，相應傳感設備就能自動發出代表病人身份的信號和生命特征數據。
手持智能終端就將病人的身份信息發送到最近的路由節點，通過網絡發送到數據中心站，確認身份后，病人當前的生命特征數據（如體溫、心跳、血壓、呼吸狀態等）就會發送給控制中心。
3.2.3 數字三軸加速度平衡檢測算法
三軸加速度傳感器工作時，敏感元件將被測點的加速度信號轉換為成比例的電信號，進入信號調整電路進行放大調整、改善信號的信噪比，再進入單片機，由軟件控制單片機內的多路選擇器將3 個軸的信號分時輸入A/D 轉換器，進行模數轉換得到數字信號，然后，RS422 接口串行輸出到上位機。
以Z 軸對應人體直立時的垂直軸，X 軸對應人體的前后向水平軸，Y 軸對應人體左右側向水平軸， X、Y、Z 軸相互正交，任意空間方向上的矢量變化均可以分解成X、Y、Z 三個方向上的分量變化，在直角坐標系下從人體由直立狀態變為接進水平狀態、人體較長時間處于接近水平狀態、加速度的變化速度較快三個方面，通過閾值來判斷是否發生跌倒。
3.2.4 RSSI 定位算法
根據定位機制不同，定位算法總體上可分為2 類：
① 基于測量距離（range-based）的定位算法，通過測量節點間的距離或角度信息使用三邊測量、三角測量或最大似然估計定位法計算節點位置，其定位精度較高，比較常用的測距技術有RSSI、TOA、TDOA 和AOA.
② 不需要測距算法（range-free），利用節點間的鄰近關系和連通性實現定位的算法，定位精度較低，如DV-hop 算法、GPS-less LCO 算法等。
3.2.5 醫護人員手持智能終端系統設計
醫護人員智能終端系統選用帶有觸屏的ARM9 開發板，內置Windows CE 6.0 操作系統，用。NET 編寫的用戶界面程序。主要實現如下功能：
病人信息查詢：通過觸摸屏進行瀏覽，可查詢出病人的名稱、入院時間、病情、診斷信息等。
用藥提醒：提醒病人按時服藥。
服務呼叫：對突發的情況，提供呼叫服務功能。
治療記錄：病人治療過程在線記錄。
4 實驗與數據分析
4.1 Zigbee 網絡（模塊）組網測試
本實驗基于文中（圖1）構建的網絡結構，利用病人手持智能終端外接溫度傳感器進行數據采樣、發送，輔助器材（如電吹風）產生不同的溫度值，控制中心進行數據接收，實驗數據如下：（×表數據丟失）。
表1 網絡測試數據表
從實驗數據分析可知，在80 米范圍內，本網絡能正確的進行數據傳輸，當通信距離接近100 米時，會產生數據丟失。因此，在構建WSN 時，應保證相鄰路由節點間的距離不應大于160 米。在Zigbee 模塊沒有增加RF 發射功能時，節點間距離在100 米以內最穩定。
表2 智能終端傳感測試數據表
4.2 病人手持智能終端性能測試
由于病人手持智能終端可外接的傳感器較多，本實驗只選取手持智能終端上集成的數字三軸加速度傳感器進行性能測試。
測試過程由6 個志愿者協助，攜帶樣機就向前跌倒、向后跌倒、向左跌倒、向右跌倒四個姿勢進行，控制中心進行相關信息的獲取。
從這個實驗中可以看出基于CC2530+數字三軸加速度傳感器的解決方案能夠有效地對跌倒狀態進行檢測。當然，這里只是一個簡單的實驗方案，對于其它的傳感器同樣需要進行更加全面、有效和長期的實驗來驗證該解決方案的可靠性。
5 總結
無線醫療監護系統能使醫院和醫護人員實時的掌握病人信息、生命特征數據，及時響應實發事件（如跌倒、走失、呼救等）、人性化的管理病人。同時，病人能自由組合的使用各種傳感監護器監護自身的各種生命參數指標，對治療的效果和進程明晰，能緩解治療情緒，有利于治療，該系統有著廣泛的實用性和社會需求。
