無線傳感器網(wǎng)絡技術在醫(yī)療監(jiān)護中的應用
目前，醫(yī)院監(jiān)護系統(tǒng)大多使用固定的醫(yī)療監(jiān)護設備，通過傳感器采集人體生理參數(shù)，通過線纜將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)護中心。建立在線纜連接基礎上的傳統(tǒng)監(jiān)護系統(tǒng)往往體積大、功耗大、不便于攜帶，限制了病人和醫(yī)護人員的行動，增加了他們的負擔和風險，已經(jīng)越來越不能滿足當今實時、連續(xù)、長時間地監(jiān)測病人的重要生命特征參數(shù)的醫(yī)療監(jiān)護需求。同時這種傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護方法容易增加病人心理壓力和緊張情緒，進而影響病人身體狀況，使診斷數(shù)據(jù)與病人真實的生理狀況產(chǎn)生一定差距，影響對病情的正確診斷。為了使經(jīng)常需要測量生理參數(shù)的患者(如慢性病人或者老年患者等)能夠在隨意運動的狀態(tài)下接受監(jiān)護，無線醫(yī)療監(jiān)護技術已越來越受關注。
本文以測量人體血氧飽和度為例，提出了一種基于ZigBee無線通信協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡技術的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)解決方案。該方案可以測量血氧飽和度參數(shù)，并將測量數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心對這些生理參數(shù)進行處理，并以此評價人體健康狀況。
本設計的關注點是如何實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的無線傳輸，因此傳感器采用市場上現(xiàn)有的人體血氧飽和度傳感器。該系統(tǒng)可以集成多種傳感器，使之具備應用在不同應用領域的不同功能，因此，本系統(tǒng)的應用領域很廣，移植性很強，醫(yī)療監(jiān)護領域的大部分檢測傳感器（如體溫、脈搏、血壓等）都可以集成到本系統(tǒng)上。
1 無線傳感器網(wǎng)絡技術
無線傳感器網(wǎng)絡WSNs(Wireless Sensor Networks)的概念起源于美國國防先進技術研究計劃署中的一個研究項目，由于無線感測網(wǎng)絡結合了感測、運算以及網(wǎng)絡連接的能力，不同傳感器在其感測范圍之內監(jiān)控與偵測周圍環(huán)境與特定目標的狀態(tài)，并透過無線網(wǎng)絡將這些狀態(tài)回傳到主機，系統(tǒng)管理者在收到這些信息時，就能據(jù)此做出適當?shù)奶幚怼?br /> 無線傳感器網(wǎng)絡要求節(jié)點具備無線通信能力，目前有多種主流無線通信協(xié)議（見表1），這些傳輸協(xié)議都有各自的優(yōu)勢和特點。但就總體比較而言，目前無線傳感器網(wǎng)絡技術主要使用ZigBee協(xié)議。
ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡技術，主要用于近距離無線連接。它依據(jù)IEEE802.15.4標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，其通信效率很高。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術，ZigBee技術將是最低功耗和成本的技術。ZigBee的出發(fā)點就是實現(xiàn)一種易實現(xiàn)的低成本無線網(wǎng)絡，同時它的低功耗性能可以使采用電池供電的產(chǎn)品維持6個月到數(shù)年的工作時間。其低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點，決定了ZigBee技術適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務。通過ZigBee可以簡單地實現(xiàn)各種器件的連網(wǎng)。作為一個全球標準，ZigBee為實現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡創(chuàng)造了條件。
2 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)硬件分為人體血氧飽和度無線傳感器節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點。
2.1 無線傳感器節(jié)點系統(tǒng)硬件總體設計
系統(tǒng)由三大部分組成：血氧飽和度傳感器、信號處理電路以及無線通信電路，如圖1所示。
血氧飽和度傳感器采用透射式人體血氧傳感器探頭，輸出4mA~20mA電流模擬信號。信號處理電路以TI公司的MSP43FG437為控制核心，無線通信電路以能夠支持IEEE 802.15.4 ZigBee通信協(xié)議的Chipcon公司的CC2430-F128射頻芯片為無線通信電路核心。值得注意的是為了實現(xiàn)真正意義上的“無線傳感器”，系統(tǒng)硬件設計要求小型化、緊湊化，而且為了便于以后該系統(tǒng)在應用領域的可移植性，系統(tǒng)電源部分設計為兩節(jié)干電池供電，這樣既能夠發(fā)揮ZigBee通信協(xié)議的優(yōu)勢，又能夠很好地實現(xiàn)無線傳感器的“無線”、“便攜”特點。
2.2 信號處理電路硬件設計
信號處理電路是本系統(tǒng)的核心部分，其作用是驅動人體血氧傳感器工作，采集人體血氧飽和度傳感器的模擬量信號，處理血氧飽和度信號，并將經(jīng)過處理的信號通過片上串口通信方式傳送給無線通信電路。
信號處理電路以TI公司的MSP430FG437為控制核心。MSP430系列單片機是美國德州儀器公司生產(chǎn)的高集成度、高精度的單芯片系統(tǒng)(SoC)，是目前工業(yè)界中性價比高、功耗低的Flash 16位RSIC微控制器，具有豐富的片內外設。MSP430單片機集中體現(xiàn)了現(xiàn)代單片機先進的低功耗設計理念，其時鐘系統(tǒng)提供了豐富的軟硬件組合形式。它包括一個片內DCO和兩個晶體振蕩器,可以產(chǎn)生三種系統(tǒng)適用的時鐘信號，支持六種工作方式，有五種低功耗模式，可以通過軟件對內部時鐘系統(tǒng)的不同設置來控制芯片，使它處于不同工作方式，從而使整個系統(tǒng)達到最低功耗并發(fā)揮最優(yōu)性能。值得一提的是MSP430單片機的超低功耗特點。MSP430系列單片機在1MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在 200μA～400μA之間，時鐘關斷模式的最低功耗只有0.1?滋A。正因為如此，MSP430更適合應用于使用電池供電的儀器、儀表類產(chǎn)品中。
2.3 人體血氧飽和度傳感器驅動電路設計
根據(jù)人體血氧飽和度的測量方法定義，本設計采用的透射式人體血氧飽和度傳感器(如圖2所示)。由兩個能夠發(fā)射不同波長的發(fā)光二極管構成。兩個發(fā)光二極管需要按照一定頻率交替發(fā)光，本設計采用H橋電路解決兩個發(fā)光二極管交替發(fā)光的問題。
2.4 無線通信電路設計
本設計采用的CC2430芯片是Chipcon公司生產(chǎn)的首款符合ZigBee技術的2.4GHz射頻系統(tǒng)單芯片，片上集成高性能8051內核、ADC、USART等。結合Chipcon公司全球先進的ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設計，展示了領先的ZigBee解決方案。它適用于各種ZigBee或類似ZigBee的無線網(wǎng)絡節(jié)點，包括調諧器、路由器和終端設備。值得一提的是CC2430芯片的超低功耗特點，它工作時的電流損耗為27mA，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間特性，在休眠模式時僅0.9μA的流耗，外部中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；在待機模式時少于0.6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)，特別適合要求電池壽命非常長的應用。
2.5 網(wǎng)關節(jié)點系統(tǒng)硬件設計
本系統(tǒng)中人體血氧飽和度傳感器節(jié)點為數(shù)據(jù)發(fā)送端。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)兩點間通信，除了要具備發(fā)送端，還要具備接收端。以CC2430射頻芯片為核心設計接收端。CC2430芯片接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過串口通信方式傳送給PC機，由此網(wǎng)關節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和顯示，如圖3所示。
3 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)軟件分為四部分：信號采集、信號處理、信號傳輸、信號接收。其中信號采集、信號處理代碼是在發(fā)送端（即血氧飽和度傳感器節(jié)點）中運行，如圖4所示。信號接收代碼在接收端（即網(wǎng)關節(jié)點）運行，如圖5所示。
信號采集程序主要完成兩個功能：(1)驅動透射式人體血氧飽和度傳感器工作，主要是驅動H橋電路按照一定頻率切換電流傳輸方向；(2)通過MSP430單片機AD端口采集血氧飽和度數(shù)據(jù)。這部分代碼程序在MSP430芯片中運行。
信號處理程序的主要功能是濾波，這部分代碼程序在MSP430芯片中運行。
信號傳輸程序的主要功能是將由MSP430芯片處理好的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線通信協(xié)議棧傳輸?shù)搅硪粋€無線傳感器節(jié)點，這部分代碼在CC2430射頻芯片內的8051內核中運行。
信號接收程序的主要功能有兩個：(1)接收其他傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)并通過串口將數(shù)據(jù)傳送到PC機，這部分代碼在CC2430射頻芯片內的8051內核中運行；(2)PC機對數(shù)據(jù)進行處理，包括波形顯示、數(shù)據(jù)保存，這部分代碼在PC機中運行。
當無限傳感器節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點建立好之后，就要依靠ZigBee協(xié)議棧來實現(xiàn)點對點通信。本設計采用1.4.2版本的ZigBee協(xié)議棧API函數(shù)來實現(xiàn)。
本設計對ZigBee無線通信協(xié)議在醫(yī)療監(jiān)護領域中的應用進行了嘗試性的實踐，實現(xiàn)了一個人體血氧飽和傳感器節(jié)點和一個網(wǎng)關節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸。現(xiàn)今無線傳感器網(wǎng)絡技術領域還有許多熱點問題需要去研究，如安全傳輸問題、容錯機制問題、自組織組網(wǎng)問題等。但是，無線傳感器網(wǎng)絡的靈活性、容錯性、高感知能力、低費用以及快速布局等特點決定了它的應用領域必將極為廣泛，也必然會對醫(yī)療監(jiān)護事業(yè)產(chǎn)生巨大而深遠的影響。
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