摘  要： 介紹了一種基于ZigBee的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)。系統(tǒng)集嵌入式,、無線傳感網(wǎng)絡(luò),、ZigBee和計算機(jī)等技術(shù)于一體，設(shè)計了一種便攜式的生理參數(shù)檢測終端設(shè)備,。其可對人體的體溫,、脈搏和體位等生理信號進(jìn)行感測，以無線和有線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的傳輸方式將生理信號傳輸至醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心,，并最終在PC上進(jìn)行實時顯示和進(jìn)一步分析,，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的醫(yī)療監(jiān)護(hù)功能。該設(shè)計打破了當(dāng)前醫(yī)療行業(yè)普遍采用的有線設(shè)備在使用范圍上的局限性,。
關(guān)鍵詞： ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò),；體溫,；脈搏信號；加速度信號

　遠(yuǎn)程醫(yī)療是一門新興的綜合性較強(qiáng)的學(xué)科,，其橫跨了醫(yī)學(xué),、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信工程等多個學(xué)科領(lǐng)域，并將最先進(jìn)的實用的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域,。在傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中,，對某些重要生理信號參數(shù)的觀測只能由醫(yī)院的相關(guān)醫(yī)護(hù)人員通過床旁監(jiān)護(hù)設(shè)備來進(jìn)行，這種通過有線電纜傳輸信號的大型設(shè)備大多價格昂貴,，且在很大程度上限制了被監(jiān)護(hù)人的活動空間[1],。
　近年來，無線技術(shù)獲得了快速發(fā)展,，逐漸從軍用轉(zhuǎn)向民用,。多種多樣的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也隨著科學(xué)的進(jìn)步而產(chǎn)生，如Wi-Fi,、ZigBee,、藍(lán)牙等。在無線通信技術(shù)飛速發(fā)展的環(huán)境下,，開發(fā)一種便攜式監(jiān)護(hù)設(shè)備,，并設(shè)計以無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)勢在必行。
　在此背景下,，本文結(jié)合近年來在國內(nèi)發(fā)展迅猛的ZigBee及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了一種遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng),。該設(shè)計以無線傳感網(wǎng)絡(luò)的方式，將體溫,、脈搏,、體位/體動等不同的生理信號，經(jīng)處理后,，通過ZigBee無線傳輸至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理,。其設(shè)備輕便、使用靈活,，具備極強(qiáng)的可移動性,，彌補(bǔ)了當(dāng)前醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的種種缺陷，具有重要的現(xiàn)實意義,。
1 系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)
　在遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中,，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點利用各種生命指標(biāo)傳感器，對所需監(jiān)測的生理信號進(jìn)行數(shù)據(jù)感測,，并通過無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器,，協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)傳輸至與其相連接的PC或者其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，最后通過Internet,、電話網(wǎng)絡(luò),、GSM/GPRS等公共服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)端的醫(yī)療監(jiān)護(hù)中心,，由專業(yè)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察和分析,，并提供醫(yī)療咨詢和救治服務(wù),，實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。
本系統(tǒng)中遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要由前端的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和后端的公共服務(wù)網(wǎng)絡(luò)兩個部分組成,，其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示,。

　本系統(tǒng)選擇ZigBee技術(shù)作為遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的無線通信方式。ZigBee技術(shù)具有功耗低,、傳輸可靠性高,、組網(wǎng)容量大、安全性高,、易兼容等特點,，使它在工業(yè)控制、智能家居,、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域體現(xiàn)出了極大的應(yīng)用價值,。ZigBee技術(shù)是在無線個人區(qū)域網(wǎng)（IEEE 802.l5.4）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的完善和擴(kuò)展，主要為小型廉價設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)需求提供了具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的解決方案[2],。完整的ZigBee協(xié)議由IEEE 802.15.4負(fù)責(zé)的物理層和鏈路層及由ZigBee聯(lián)盟制定網(wǎng)絡(luò)層,、應(yīng)用層組成[3]。
　根據(jù)實際情況和用戶的需求,，一定數(shù)量的節(jié)點可以組成3種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò),，分別是星形網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[4],。本設(shè)計采用樹形網(wǎng)絡(luò)作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，樹形網(wǎng)絡(luò)總長度短、成本較低且節(jié)點易于擴(kuò)充,，如圖2所示,。

　為達(dá)到遠(yuǎn)程目的，協(xié)調(diào)器與監(jiān)控中心之間采用有線傳輸來完成數(shù)據(jù)的可靠通信,。本系統(tǒng)后端公共服務(wù)網(wǎng)絡(luò)方案采用局域網(wǎng)方式傳輸,，以便將某一個社區(qū)或醫(yī)院醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)接入Internet，從而進(jìn)一步發(fā)展成為更大的全國范圍的醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò),。
2 應(yīng)用電路
　本系統(tǒng)研究重點在于實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)前端的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建,，即實現(xiàn)組網(wǎng)節(jié)點的硬件設(shè)計，其節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,。

2.1 處理器模塊和通信模塊的硬件設(shè)計
　處理器模塊主要負(fù)責(zé)對傳感器得到的生理信號進(jìn)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(fā)和與PC的串口通信,。本系統(tǒng)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(fā)模塊，并且內(nèi)置ADC,，ADC支持12 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換,。CC2430的集成特性，使其外圍電路只需要很少的元件就能構(gòu)成功能健全的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,，適用于各種ZigBee或類似ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,。
2.2 傳感器模塊硬件設(shè)計
　終端節(jié)點上的傳感器模塊主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)人體生理參數(shù)的獲取。從體溫,、脈搏,、體位/體動傳感器得到的相關(guān)電信號，經(jīng)過電壓放大,、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理,，被轉(zhuǎn)化為待傳輸?shù)臄?shù)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(diào)理模塊,。
　體位傳感器選用ADXL345加速度傳感器，基于iMEMS技術(shù)的3軸數(shù)字輸出加速度傳感器,，超低功耗及標(biāo)準(zhǔn)的I2C或SPI數(shù)字接口,，非常適合于移動設(shè)備應(yīng)用[5]。體溫傳感器選用Pt100溫度傳感器應(yīng)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(diào)理電路設(shè)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(shè)計
　本系統(tǒng)ZigBee通信部分軟件設(shè)計由ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的無線射頻傳輸?shù)葞讉€部分組成,，這幾個部分的軟件設(shè)計都是針對通信模塊核心芯片CC2430增強(qiáng)型8051進(jìn)行操作,。另外，對于上位機(jī)圖像界面的設(shè)計,，本系統(tǒng)選用Qt跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架,。
整個系統(tǒng)軟件設(shè)計部分的總體流程如下。
?。?）終端節(jié)點通過利用CC2430的ADC通道對體溫和脈搏數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,，利用I2C接口獲取體位/體態(tài)信息數(shù)據(jù)。
?。?）終端節(jié)點ZigBee無線發(fā)送模塊將接收的生理數(shù)據(jù)通過RF射頻發(fā)射端發(fā)送出去,。
　（3）路由器節(jié)點ZigBee接收并中轉(zhuǎn)終端節(jié)點發(fā)來的生理數(shù)據(jù),。
?。?）協(xié)調(diào)器ZigBee模塊的RF射頻接收端接收無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
?。?）協(xié)調(diào)器通過串口將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC,，并在PC上進(jìn)行顯示,。整體軟件流程圖如圖5所示。

4 實驗與結(jié)果
　協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點間的距離在最大通信范圍內(nèi)且無門,、墻等阻隔時,，協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點可正常組網(wǎng)通信；若協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點間有阻隔,，或超出最大通信范圍時,，只要將終端節(jié)點移至通信范圍內(nèi)或消除阻隔，隨即通信恢復(fù)正常,。由于本系統(tǒng)增設(shè)了路由節(jié)點,，當(dāng)距離或阻礙等環(huán)境因素?zé)o法改變時，亦可恢復(fù)節(jié)點的正常通信,，且最長有效傳輸距離為室內(nèi)80 m左右,，室外空曠地帶150 m左右，并且信號強(qiáng)度隨距離增加減弱得比較平滑,。
　PC Qt上位機(jī)的圖形界面顯示如圖6所示,。A、B,、C為模擬的3個終端節(jié)點被監(jiān)護(hù)者的生理信息顯示,，依次為體溫數(shù)據(jù)（Temp）、脈搏數(shù)據(jù)（Pulse）,、身體傾斜度（angel）以及是否發(fā)生跌倒（跌倒為燈亮）,。
本文提出了基于ZigBee技術(shù)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計方案，在家庭和社區(qū)中采用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，完成可移動傳感器節(jié)點設(shè)計,，實現(xiàn)了被監(jiān)護(hù)者體溫、脈搏及體態(tài)信息的處理,、無線傳輸及上位機(jī)實時顯示,。采用便攜式終端，打破了當(dāng)前醫(yī)療行業(yè)普遍采用的有線設(shè)備在使用范圍上的局限性,。這種將傳感器技術(shù)和無線技術(shù)融合的方案,，為遠(yuǎn)程醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)提供了很好的解決平臺。

參考文獻(xiàn)
[1] 汪豐,，趙明光,，符志鵬．基于Zigbee技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)的研究[J]．中國醫(yī)療設(shè)備，2008（12）：13-16．
[2] 潘云寬.基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].南京：南京理工大學(xué),，2010.
[3] 高守瑋,，吳燦陽.ZigBee技術(shù)實踐教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.
[4] 赫曉昂.ZigBee路由協(xié)議分析與改進(jìn)[D].武漢：華中師范大學(xué),，2011.
[5] 王驥,，沈玉利,，林菁．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生理參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]．電子測量與儀器學(xué)報，2009,，23（2）：94-99．