摘 要： 介紹了一種基于ZigBee的醫療監護系統的設計與實現技術。系統集嵌入式、無線傳感網絡、ZigBee和計算機等技術于一體，設計了一種便攜式的生理參數檢測終端設備。其可對人體的體溫、脈搏和體位等生理信號進行感測，以無線和有線網絡相結合的傳輸方式將生理信號傳輸至醫院監護中心，并最終在PC上進行實時顯示和進一步分析，實現遠距離的醫療監護功能。該設計打破了當前醫療行業普遍采用的有線設備在使用范圍上的局限性。
關鍵詞： ZigBee；無線傳感器網絡；體溫；脈搏信號；加速度信號
遠程醫療是一門新興的綜合性較強的學科，其橫跨了醫學、計算機網絡、通信工程等多個學科領域，并將最先進的實用的科學技術應用于醫療領域。在傳統的醫療監護系統中，對某些重要生理信號參數的觀測只能由醫院的相關醫護人員通過床旁監護設備來進行，這種通過有線電纜傳輸信號的大型設備大多價格昂貴，且在很大程度上限制了被監護人的活動空間[1]。
近年來，無線技術獲得了快速發展，逐漸從軍用轉向民用。多種多樣的無線技術標準也隨著科學的進步而產生，如Wi-Fi、ZigBee、藍牙等。在無線通信技術飛速發展的環境下，開發一種便攜式監護設備，并設計以無線通信技術為基礎的遠程醫療監護系統勢在必行。
在此背景下，本文結合近年來在國內發展迅猛的ZigBee及無線傳感器網絡技術提出了一種遠程醫療監護系統。該設計以無線傳感網絡的方式，將體溫、脈搏、體位/體動等不同的生理信號，經處理后，通過ZigBee無線傳輸至上位機進行數據的分析處理。其設備輕便、使用靈活，具備極強的可移動性，彌補了當前醫療監護系統的種種缺陷，具有重要的現實意義。
1 系統組成與結構
在遠程醫療監護系統中，無線傳感網絡的終端節點利用各種生命指標傳感器，對所需監測的生理信號進行數據感測，并通過無線通信方式將數據發送至協調器，協調器將接收到的數據傳輸至與其相連接的PC或者其他網絡設備上，最后通過Internet、電話網絡、GSM/GPRS等公共服務網絡，將數據傳輸至遠端的醫療監護中心，由專業的醫療監護人員對數據進行觀察和分析，并提供醫療咨詢和救治服務，實現遠程醫療。
本系統中遠程醫療監護系統主要由前端的ZigBee無線傳感網絡和后端的公共服務網絡兩個部分組成，其系統網絡架構如圖1所示。
本系統選擇ZigBee技術作為遠程醫療監護系統的無線通信方式。ZigBee技術具有功耗低、傳輸可靠性高、組網容量大、安全性高、易兼容等特點，使它在工業控制、智能家居、遠程醫療等領域體現出了極大的應用價值。ZigBee技術是在無線個人區域網（IEEE 802.l5.4）協議標準基礎上進行的完善和擴展，主要為小型廉價設備的無線聯網需求提供了具有統一技術標準的解決方案[2]。完整的ZigBee協議由IEEE 802.15.4負責的物理層和鏈路層及由ZigBee聯盟制定網絡層、應用層組成[3]。
根據實際情況和用戶的需求，一定數量的節點可以組成3種不同拓撲結構的網絡，分別是星形網絡、樹形網絡和網狀網絡[4]。本設計采用樹形網絡作為無線傳感網絡的拓撲結構，樹形網絡總長度短、成本較低且節點易于擴充，如圖2所示。
為達到遠程目的，協調器與監控中心之間采用有線傳輸來完成數據的可靠通信。本系統后端公共服務網絡方案采用局域網方式傳輸，以便將某一個社區或醫院醫療監護網絡接入Internet，從而進一步發展成為更大的全國范圍的醫療監護網絡。
2 應用電路
本系統研究重點在于實現遠程醫療監護系統前端的ZigBee網絡的組建，即實現組網節點的硬件設計，其節點結構框圖如圖3所示。
2.1 處理器模塊和通信模塊的硬件設計
處理器模塊主要負責對傳感器得到的生理信號進行處理和傳輸控制；通信模塊完成生理信號的傳輸，包括生理信號的無線收發和與PC的串口通信。本系統采用TI的CC2430單芯片集成SoC方案，CC2430單芯片方案集成了微處理器和無線收發模塊，并且內置ADC，ADC支持12 bit模數轉換。CC2430的集成特性，使其外圍電路只需要很少的元件就能構成功能健全的網絡節點，適用于各種ZigBee或類似ZigBee的無線網絡節點。
2.2 傳感器模塊硬件設計
終端節點上的傳感器模塊主要負責實現人體生理參數的獲取。從體溫、脈搏、體位/體動傳感器得到的相關電信號，經過電壓放大、模數轉換等處理，被轉化為待傳輸的數字信號。脈搏傳感器選用HK-2000B+型集成化脈搏傳感器，有專用的調理模塊。
體位傳感器選用ADXL345加速度傳感器，基于iMEMS技術的3軸數字輸出加速度傳感器，超低功耗及標準的I2C或SPI數字接口，非常適合于移動設備應用[5]。體溫傳感器選用Pt100溫度傳感器應用于人體溫度的測量，測量范圍比較窄，36℃～42℃即可滿足要求，信號調理電路設計采用惠斯登電橋電路，如圖4所示。
3 無線傳輸模塊軟件設計
本系統ZigBee通信部分軟件設計由ZigBee網絡的建立、節點加入網絡和數據的無線射頻傳輸等幾個部分組成，這幾個部分的軟件設計都是針對通信模塊核心芯片CC2430增強型8051進行操作。另外，對于上位機圖像界面的設計，本系統選用Qt跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發框架。
整個系統軟件設計部分的總體流程如下。
（1）終端節點通過利用CC2430的ADC通道對體溫和脈搏數據進行采樣，利用I2C接口獲取體位/體態信息數據。
（2）終端節點ZigBee無線發送模塊將接收的生理數據通過RF射頻發射端發送出去。
（3）路由器節點ZigBee接收并中轉終端節點發來的生理數據。
（4）協調器ZigBee模塊的RF射頻接收端接收無線傳輸的數據。
（5）協調器通過串口將接收的數據發送給PC，并在PC上進行顯示。整體軟件流程圖如圖5所示。
4 實驗與結果
協調器與終端節點間的距離在最大通信范圍內且無門、墻等阻隔時，協調器與終端節點可正常組網通信；若協調器與終端節點間有阻隔，或超出最大通信范圍時，只要將終端節點移至通信范圍內或消除阻隔，隨即通信恢復正常。由于本系統增設了路由節點，當距離或阻礙等環境因素無法改變時，亦可恢復節點的正常通信，且最長有效傳輸距離為室內80 m左右，室外空曠地帶150 m左右，并且信號強度隨距離增加減弱得比較平滑。
PC Qt上位機的圖形界面顯示如圖6所示。A、B、C為模擬的3個終端節點被監護者的生理信息顯示，依次為體溫數據（Temp）、脈搏數據（Pulse）、身體傾斜度（angel）以及是否發生跌倒（跌倒為燈亮）。
本文提出了基于ZigBee技術的醫療監護系統的設計方案，在家庭和社區中采用樹形拓撲結構，完成可移動傳感器節點設計，實現了被監護者體溫、脈搏及體態信息的處理、無線傳輸及上位機實時顯示。采用便攜式終端，打破了當前醫療行業普遍采用的有線設備在使用范圍上的局限性。這種將傳感器技術和無線技術融合的方案，為遠程醫療健康監護提供了很好的解決平臺。
參考文獻
[1] 汪豐，趙明光，符志鵬．基于Zigbee技術的無線醫療監護網絡的研究[J]．中國醫療設備，2008（12）：13-16．
[2] 潘云寬.基于ZigBee的無線傳感網絡環境監測系統研究[D].南京：南京理工大學，2010.
[3] 高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.
[4] 赫曉昂.ZigBee路由協議分析與改進[D].武漢：華中師范大學，2011.
[5] 王驥，沈玉利，林菁．基于無線傳感器網絡生理參數采集系統設計[J]．電子測量與儀器學報，2009，23（2）：94-99．