基于ZigBee的穿戴式醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)節(jié)點的設計與實現

 目前，醫(yī)院中的監(jiān)護系統(tǒng)大多采用固定的醫(yī)療監(jiān)護設備，通過線纜將傳感器采集的人體生理參數傳輸至監(jiān)護中心，這樣的系統(tǒng)往往體積大、成本高，限制了病人和醫(yī)護人員的行動，增加了病人的生理和心理負擔，已經越來越不能滿足當今實時、連續(xù)、長時間地監(jiān)測病人體征參數的醫(yī)療監(jiān)護需求。

隨著微電子技術、傳感器技術和通信技術的飛速發(fā)展，新興的穿戴式醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)正越來越受到人們的關注，本文就針對穿戴式醫(yī)療系統(tǒng)的發(fā)展現狀，應用ZigBee技術，設計并實現了一種穿戴式醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)節(jié)點，該節(jié)點能夠實時獲取人體體溫、脈搏、身體姿態(tài)等信息并以無線的方式傳送至協(xié)調器，達到醫(yī)療監(jiān)護的目的。

1 穿戴式醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)整體設計

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協(xié)議。它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低成本的無線網絡技術，廣泛應用于各種無線傳感器網絡的搭建。圖1為一個典型的基于ZigBee技術的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，其中由網絡協(xié)調器建立ZigBee網絡，穿戴式傳感器終端上電后自動加入該網絡，若通信距離較遠，可以采用多跳的方式加入網絡。穿戴式傳感器終端實時采集人體的重要生理信號，經過簡單處理后發(fā)送給網絡協(xié)調器。網絡協(xié)調器將收到的信息轉發(fā)給匯聚節(jié)點，最后匯聚節(jié)點將網絡中所有的傳感器信息匯總打包后發(fā)送給監(jiān)護中心計算機，供醫(yī)護人員查看、分析。本文的重點是介紹該網絡中的穿戴式傳感器終端的設計。

2 穿戴式傳感器終端節(jié)點的硬件設計

2.1 穿戴式傳感器節(jié)點系統(tǒng)硬件總體設計

穿戴式傳感器節(jié)點以網蜂公司的CC2530核心板為基礎研制，硬件結構圖如圖2所示。系統(tǒng)選用TI公司的CC2530作為微控制器，該芯片集成了兼容ZigBee協(xié)議的射頻模塊以及一個增強型8051內核的單片機，可以運行TI的Z—Stack協(xié)議棧，為系統(tǒng)的軟硬件設計提供了極大的便利。

考慮到測量的便利性以及減少受試者的佩戴負擔，系統(tǒng)采用非接觸式人體紅外溫度測量傳感器MLX90615檢測人體體溫，使用反射式脈搏傳感器模塊獲取人體脈搏數據。同時，系統(tǒng)使用ADXL354加速度計實時檢測人體姿態(tài)，對于跌倒等意外情況及時發(fā)送報警信息。

穿戴式傳感器節(jié)點還加入了低功耗Nokia 5110 LCD顯示器、LED、按鍵，可以與受試者進行簡單的交互，如顯示時間、提醒服藥、呼叫醫(yī)護人員等。

2.2 電源設計

作為穿戴式設備，系統(tǒng)必須使用電池供電。為了在保證足夠續(xù)航時間的前提下盡量減小佩戴著的負擔，系統(tǒng)選用能量密度較高的鋰電池供電。同時，考慮到穿戴式傳感器節(jié)點在電池電量耗盡時應盡快恢復工作，系統(tǒng)選用了便于更換的7號3.7 V/650 mAh鋰離子電池。

由于系統(tǒng)選用的CC2530、MLX90615、ADXL345等芯片均需要3.3 V供電電壓，3.7 V的鋰電池無法直接為這些芯片供電，故采用高精度穩(wěn)壓芯片HT7533與10μF的鉭電容組成可靠的降壓電路，獲得穩(wěn)定的3.3 V為系統(tǒng)供電。

2.3 傳感器電路設計

系統(tǒng)采用非接觸式人體紅外溫度測量傳感器MLX90615檢測人體體溫，該傳感器由Melexis設計生產，具有極高的測量精度。該傳感器為TO-39封裝.其中集成了對紅外靈敏的熱電堆探測器芯片和信號處理ASSP(專用集成電路)芯片，能夠通過基于I2C總線規(guī)范的SMBus接口直接輸出溫度數字量，從而極大簡化了系統(tǒng)電路設計。該傳感器外圍電路設計如圖3所示，VCC為芯片提供所需的3.3 V工作電壓，同時為減小外界信號的干擾，在電源和數字地之間加入0.1 μF去耦電容。I2C總線的數據線SDA和時鐘線SCL分別通過10 kΩ電阻上拉至VCC，之后連接于CC2530芯片的P0.1與P0.2引腳。由于CC2530不具有硬件I2C接口，故采用模擬通信時序的方式讀寫MLX90615的RAM和EEPROM，從而得到人體體溫數據。

本系統(tǒng)使用一個簡單的反射式光電脈搏傳感器模塊來檢測受試者的脈搏，該模塊成本較低、性能穩(wěn)定，其電路原理圖如圖4所示。其基本原理是依據光電容積法檢測由于心臟泵血引起的人體末端毛細血管的體積變化，從而間接測量出心臟的跳動情況。

該模塊選擇了模擬輸出的APDS-9008環(huán)境亮度傳感器。該傳感器在設計上緊貼人眼的光譜響應曲線，對于波長500 nm左右的綠光尤其敏感，故本電路選擇了綠色LED作為反射光源。APDS-9008輸出電流信號，通過一個12 kΩ的電阻進行I/V變換，得到的信號進入無源低通濾波網絡，濾除高頻干擾后經過一個基準電壓為VCC/2的反向比例放大電路放大后輸出。CC2530通過內置的A/D轉換器以100 Hz的采樣頻率獲取該模塊的輸出電壓，通過對信號的分析計算，獲得受試者的脈搏。

系統(tǒng)采用ADXL345加速度傳感器來實時檢測人的姿態(tài)，對于跌倒等情況能及時報警。ADXL345三軸加速度傳感器測量范圍達±16 g，具有3.9 mg/LSB的高分辨率，同時具有許多特殊檢測功能，如活動非活動檢測、敲擊檢測、自由落體檢測等，而這些功能可以映射到兩個中斷輸出引腳中，從而為系統(tǒng)的低功耗設計提供了極大的便利。ADXL345與MLX 90615一樣使用I2C總線通信，其數據線SDA和時鐘線SCL分別連接于CC2530的P0.1和P0.0引腳上，因為其器件地址與MLX90615不同，CC2530在與他們通信時并不會產生干擾。

2.4 人機接口電路設計

穿戴式傳感器節(jié)點可以通過LED指示燈、按鍵、Nokia5110 LCD與受試者進行簡單的交互。其中，LED用來顯示脈搏的跳動，按鍵用來執(zhí)行簡單的設定，Nokia 5110 LCD用來顯示受試者的脈搏、體溫等基本信息。兩顆LED使用驅動能力較強的P1.0、P1.1引腳直接驅動，兩枚按鍵經過10 kΩ上拉后連接至P0.4、P0.5引腳，Nokia 5110 LCD使用SPI接口與CC2530連接通信。

3 穿戴式傳感器終端節(jié)點的軟件設計

穿戴式傳感器終端節(jié)點使用TI公司的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0協(xié)議棧開發(fā)，該協(xié)議棧在實現了ZigBee協(xié)議基本功能的基礎上，提供了一個基于事件驅動的輪詢式操作系統(tǒng)，稱為OSAL(Operating System Abstraction Layer，操作系統(tǒng)抽象層)。OSAL為開發(fā)者提供了任務切換、內存管理等功能，在提升無線傳感器網絡穩(wěn)定性的同時大大降低了開發(fā)難度。

ZigBee網絡可以具有多種拓撲結構，如星型網絡、樹形網絡、網裝網絡，根據具體的需要可以在Z—Stack中進行相應的配置。在這些網絡拓撲結構中，無線傳感器網絡都是由協(xié)調器建立的，穿戴式傳感器終端節(jié)點在上電初始化后會自動掃描信道尋找合適的網絡，發(fā)送入網信息，在得到確認信息加入網絡后，立即進入休眠模式，等待定時器喚醒采集傳感器信息。

具體說來，穿戴式傳感器終端節(jié)點加入網絡后，在協(xié)議棧中設定COLLECT_INF0時間的為10 ms，定時10 ms的事件周期。由于體溫變化緩慢，具有大慣性特性，所以每100個事件周期讀取一次MLX90615的寄存器獲得體溫數據，并將體溫顯示于LCD上。脈搏傳感器穩(wěn)定輸出的幅值大于2 V，脈寬在120～190 ms的尖峰脈沖代表了脈搏跳動，因此每個事件周期內都通過CC2530內置的A/D轉換器對脈搏傳感器的輸出進行采樣。利用狀態(tài)機原理，當連續(xù)監(jiān)測到12個采樣值大于2 V時，認定為一次脈搏跳動。最后通過在一段時間內的脈搏計數算出受試者的脈搏，并將具體數值顯示在LCD上。最后，當傳感器信息采集完成后，將數據打包，調用協(xié)議棧中提供的數據發(fā)送函數AF_DataRequest()將數據發(fā)送到父節(jié)點。具體工作流程詳如圖5所示。

穿戴式傳感器終端還具有跌倒檢測報警的功能，這主要是依據文獻提出的跌倒檢測算法進行實現的，通過加速度傳感器依次對人體跌倒時的3種關鍵特性(失重、撞擊和靜止)進行識別，從而判斷人體跌倒。配置ADXL345的自由落體檢測中斷與活動檢測中斷，并映射至中斷輸出引腳。系統(tǒng)檢測到相應中斷后進行判斷，若判斷為跌倒的情況，則立即向協(xié)調器發(fā)送報警指令，完成跌倒檢測報警。

4 系統(tǒng)測試與討論

根據本文的設計，制作了4個穿戴式傳感器終端節(jié)點，如圖6所示，其佩戴效果如圖7所示。為了模擬病房結構，將該系統(tǒng)其布置于學生宿舍，并配置為星型網絡。經過一周的試驗，該系統(tǒng)運行良好，可以較準確地獲得4位受試者的體溫、脈搏數據，能檢測出大部分的跌倒情況，基本達到了設計要求。

但是通過實驗，我們也發(fā)現了本系統(tǒng)的許多不足，比如跌倒檢測不夠精確，存在誤報的情況，系統(tǒng)的電力不是十分充足，只能連續(xù)工作一周的時間，但是考慮到系統(tǒng)的成本、工藝等因素，在當前的技術條件下已經取得了不錯的效果。

5 結束語

本設計以ZigBee無線通信技術和傳感器技術為核心，以相對低的成本實現了低生理、心理負荷下對人體體溫、脈搏、生理姿態(tài)的獲取。若該穿戴式醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)節(jié)點能在醫(yī)院、養(yǎng)老院等機構推廣開來，可以提高病人、老人的生活質量、減少醫(yī)護人員的工作量，同時為醫(yī)生的診斷提供更加豐富詳細的數據依據，具有較好的應用前景。