呼吸、體溫,、脈搏,、血壓信息是生命的基本特征，經(jīng)常被作為人體健康狀態(tài)的基本判斷條件,。這些基本生命特征的變化往往是身體病變的前兆,，能夠?qū)崟r(shí)地獲取這些基本的生命特征信息對(duì)老年人和慢性病患者的監(jiān)護(hù)尤為重要[1-2]。無(wú)線體域網(wǎng) WBAN(Wireless Body Area Network)將醫(yī)學(xué)傳感器技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,，應(yīng)用在實(shí)時(shí)人體特征信息監(jiān)測(cè)中,，可以極大提高醫(yī)療監(jiān)護(hù)水平[3-4]。體域網(wǎng)的應(yīng)用可以改變傳統(tǒng)患者被動(dòng)監(jiān)測(cè)的方式,，主動(dòng)實(shí)時(shí)獲取患者的基本生命特征信息,，為醫(yī)生和患者實(shí)時(shí)了解身體狀態(tài)提供了便利,。結(jié)合數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)挖掘,、人工智能,、專(zhuān)家系統(tǒng)等技術(shù)還可以主動(dòng)發(fā)現(xiàn)一些潛在的健康問(wèn)題。
    隨著體域網(wǎng)相關(guān)理論的研究逐漸深入,，許多國(guó)內(nèi)外的組織開(kāi)始著手基于體域網(wǎng)的健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā),。例如，麻省理工大學(xué)的SMART項(xiàng)目組研制了用于監(jiān)測(cè)急診室等候區(qū)患者生命特征信息的信息采集,、報(bào)警聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)[5],；范德堡大學(xué)的CareNet小組研制了遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可以利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)采集的ECG信息轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)中心[6],；喬治亞理工學(xué)院的Daniela Staiculescu設(shè)計(jì)了可以采集心電信號(hào)的可移動(dòng)傳感器系統(tǒng)等[7],。國(guó)內(nèi)的許多高校也開(kāi)始進(jìn)行體域網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)的研發(fā)，一些大型的醫(yī)院和研究中心也加入到了研發(fā)的隊(duì)伍中,。
    本文結(jié)合生命特征傳感器技術(shù),、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),，設(shè)計(jì)了能夠?qū)崟r(shí)獲取人體生命基本特征信息呼吸,、脈搏、體溫,、血壓信息的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng),。首先完成監(jiān)護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，然后給出了體域網(wǎng)中信息采集節(jié)點(diǎn)的軟,、硬件設(shè)計(jì),，最后給出了系統(tǒng)的測(cè)試效果和性能分析。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主要由感知節(jié)點(diǎn),、中繼節(jié)點(diǎn),、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)平臺(tái),、監(jiān)控軟件和手持終端等幾個(gè)部分構(gòu)成,，系統(tǒng)整體框架如圖1所示。感知節(jié)點(diǎn),、中繼節(jié)點(diǎn),、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了WBAN，ZigBee技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),，結(jié)合現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,，選用ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為WBAN的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接入到現(xiàn)有以太網(wǎng),。感知節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集人體的特征信息,，并將這些特征信息通過(guò)無(wú)線方式直接或通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送給智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),。智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些可配置的預(yù)處理工作，然后將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理服務(wù)平臺(tái),。由數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)對(duì)這些人體特征相關(guān)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理,，進(jìn)行有效數(shù)據(jù)的抽取、融合,、分析和預(yù)測(cè)并向不同的監(jiān)控端推送相關(guān)的數(shù)據(jù),。各監(jiān)控端也可以主動(dòng)向數(shù)據(jù)處理服務(wù)平臺(tái)申請(qǐng)獲取相關(guān)信息，從而可以實(shí)時(shí)了解被監(jiān)護(hù)人的身體健康狀態(tài),。

2 感知節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    人體特征信息感知節(jié)點(diǎn)由心率,、體溫、血壓等人體特征傳感器前端以及傳感器驅(qū)動(dòng)模塊,、主處理模塊等幾個(gè)部分組成,，節(jié)點(diǎn)的硬件框架如圖2所示。節(jié)點(diǎn)主處理模塊中選用TI公司的集成了2.4 GHz IEEE802.15.4/ZigBee RF收發(fā)機(jī)和增強(qiáng)型51MCU的CC2530作為主處理器[8],。傳感器前端采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊處理后,，轉(zhuǎn)換成CC2530可以采集的模擬或數(shù)字信號(hào)。CC2530完成數(shù)據(jù)的采集并利用自身的ZigBee RF收發(fā)機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去,，也可以響應(yīng)按鍵事件,，進(jìn)行人體特征數(shù)據(jù)的本地顯示。為了降低功耗,，CC2530控制系統(tǒng)大部分時(shí)間工作在休眠狀態(tài)下,，定時(shí)開(kāi)啟各驅(qū)動(dòng)模塊完成人體特征信息的采集和發(fā)送工作后，再次進(jìn)入休眠,。

2.1 心電信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)
    伴隨著血液循環(huán),，由于心臟肌肉有一個(gè)去極化和復(fù)極化的過(guò)程，心臟會(huì)有一系列的電活動(dòng),，心電圖就是這些電活動(dòng)的直觀表示,。心電圖反應(yīng)了每一個(gè)心跳周期各個(gè)階段心臟的電活動(dòng)情況，一個(gè)心跳周期主要包括心房收縮期,、心室收縮期和舒張期。
    心電信號(hào)序列的峰峰值只有幾百微伏,，這種信號(hào)的幅值低而且受到各種噪聲信號(hào)的干擾[9],。為了獲取CC2530可以采集的ECG電壓序列，需要由放大電路和濾波電路構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路完成原始信號(hào)的放大和濾波,。ECG采集驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,，采集人體心電信號(hào)的外部電極輸出的電信號(hào)連接到儀表放大器完成心電信號(hào)的前端放大工作。接著利用0.5 Hz～150 Hz的帶通濾波器過(guò)濾由呼吸和肌肉收縮產(chǎn)生的低頻噪聲信號(hào)以及高頻線路信號(hào)引起的高頻噪聲信號(hào)[10],。然后信號(hào)進(jìn)入第二級(jí)放大電路,，放大后的信號(hào)經(jīng)低通濾波器進(jìn)入50 Hz的陷波濾波器,，以濾除50 Hz交流電源的干擾噪聲。為了獲取更高的電壓放大倍數(shù),，信號(hào)進(jìn)入后端放大電路,，最終經(jīng)濾波和放大后的電壓信號(hào)輸出到CC2530，CC2530利用自身的12 bit A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣,，并對(duì)心電信號(hào)序列進(jìn)行描述,。

2.2 血壓信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)
    本文采用震蕩法來(lái)測(cè)量人體血壓信號(hào)，這種測(cè)量方法利用了血壓測(cè)量過(guò)程中壓力信號(hào)的搏動(dòng)性,。對(duì)袖帶氣囊充氣,，使其達(dá)到預(yù)先設(shè)定的壓力值，然后打開(kāi)放氣閥門(mén)開(kāi)始放氣,，袖帶對(duì)胳膊的壓力開(kāi)始減小,，在袖帶壓力值大于收縮壓時(shí)就開(kāi)始出現(xiàn)壓力信號(hào)的搏動(dòng)現(xiàn)象，搏動(dòng)脈沖的峰峰值(PULSE)體現(xiàn)了搏動(dòng)的強(qiáng)烈程度,，PUSLE的變化是一個(gè)先增大后減小的過(guò)程,。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)PUSLE達(dá)到最大時(shí),，采集到的壓力值為血壓的平均值MAP[11-12],。可以根據(jù)PULSE的變化來(lái)獲取收縮壓和舒張壓的值,，壓力減小的過(guò)程中,，在出現(xiàn)MAP之前且PULSE增加到MAP的PULSE值的70%時(shí)，采集到的壓力值為收縮壓SBP,；在出現(xiàn)MAP之后,，當(dāng)PULSE減小到PULSE值的50%時(shí)，采集到的壓力值為舒張壓DBP,。
    血壓采集模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示,。CC2530通過(guò)GPIO口來(lái)控制氣泵和氣閥完成對(duì)袖帶氣囊的充氣和放氣，壓力傳感器采集氣囊的壓力信號(hào),。壓力傳感器采集的壓力信號(hào)首先經(jīng)過(guò)低通濾波器過(guò)濾掉高頻噪聲,，然后經(jīng)過(guò)放大器的放大，放大后的信號(hào)可供CC2530內(nèi)置A/D模塊采樣[13],。為了獲得壓力信號(hào)搏動(dòng)情況,，接著信號(hào)要通過(guò)高通濾波器濾除掉直流分量，由于壓力信息的搏動(dòng)幅度比較小,，再經(jīng)過(guò)放大器對(duì)搏動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大,，使其成為可供CC2530內(nèi)置A/D模塊采樣的信號(hào)。通過(guò)對(duì)搏動(dòng)信號(hào)的存儲(chǔ)和分析,，可以獲取SBP,、MAP,、DBP的時(shí)間點(diǎn)，從存儲(chǔ)的壓力值中得到對(duì)應(yīng)的SBP,、MAP,、DBP值。
2.3 體溫采集模塊設(shè)計(jì)
    本文選用LM92作為節(jié)點(diǎn)的溫度傳感器,，LM92是美國(guó)TI公司的一款高精度數(shù)字溫度傳感器,，其工作電壓為2.7 V～5.5 V，測(cè)量溫度范圍為-55 ℃～+150 ℃,，內(nèi)含有I2C控制器和A/D轉(zhuǎn)換器,，測(cè)量精度可達(dá)±0.33 ℃，刷新時(shí)間為500 ms,，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)需求,。
3 感知節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    選用ZigBee技術(shù)作為感知層網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式，Zstack是TI公司為支持不斷升級(jí)和完善的802.15.4協(xié)議產(chǎn)品和平臺(tái)而設(shè)計(jì)的ZigBee兼容協(xié)議棧[14],。感知節(jié)點(diǎn)在Zstack2007-Pro的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)應(yīng)用程序,，以完成人體特征信息采集和傳輸功能。感知節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖5所示,。首先執(zhí)行硬件初始化,，實(shí)現(xiàn)A/D、定時(shí)器等模塊的初始化,；然后進(jìn)行協(xié)議棧初始化,；執(zhí)行協(xié)議棧的入口函數(shù)以及硬件配置函數(shù)；根據(jù)配置文件選擇要加入的網(wǎng)絡(luò),；執(zhí)行人體特征信息采集程序,。為了降低節(jié)點(diǎn)的能耗，采集節(jié)點(diǎn)周期性地采集人體特征數(shù)據(jù),，然后進(jìn)入休眠狀態(tài),，也可以通過(guò)定時(shí)、按鍵等事件喚醒系統(tǒng)完成信息采集任務(wù),。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果
    在120 m2的家庭環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,，整個(gè)測(cè)試環(huán)境中部署1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、2個(gè)中繼節(jié)點(diǎn),、1套人體特征感知節(jié)點(diǎn),。首先對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，感知節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),，通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)成功接收到的數(shù)據(jù)包的數(shù)量分析網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。在沒(méi)有中繼節(jié)點(diǎn)的條件下,，穿透一堵墻傳輸數(shù)據(jù)的丟包率為3%,，穿透兩堵墻的丟包率為11%,，因此合理地布置中繼節(jié)點(diǎn)可以提高數(shù)據(jù)包接收成功率，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,。測(cè)試人員攜帶感知節(jié)點(diǎn)在室內(nèi)活動(dòng),，節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集人體特征數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器,，服務(wù)器向監(jiān)控終端推送信息,，監(jiān)控終端實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)采集到的人體生命特征信息。
    基于體域網(wǎng)的遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)合生命體征傳感技術(shù),、ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及現(xiàn)有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò),，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體生命特征信息實(shí)時(shí)采集、轉(zhuǎn)發(fā)和遠(yuǎn)程顯示的功能,。下一步工作是研究如何減小感知節(jié)點(diǎn)的體積,，降低節(jié)點(diǎn)功耗，提高系統(tǒng)的易用性,，同時(shí)將結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘,、人工智能等技術(shù)，研究如何根據(jù)采集到的海量人體生命特征數(shù)據(jù)對(duì)被監(jiān)測(cè)人的身體健康狀態(tài)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè),。
參考文獻(xiàn)
[1] 軒運(yùn)動(dòng),，趙湛，方震,，等.基于無(wú)線體域網(wǎng)技術(shù)的老人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,，2011，(S2)：355-359.
[2] KO J G,，LU C Y,，SRIVASTAVA M B，et al.Wireless sensor networks for healthcare[J].Proc.IEEE,，2010,，98(11)：1947-1960.
[3] YILMAZ T，F(xiàn)OSTER R,，HAO Y.Detecting vital signs with wearable wireless sensors[J].Sensors,，2010，10(12)：10837-10862.
[4] LATRE B,，BRAEM B,，MOERMAN I，et al.A survey on wireless body area networks[J].Wireless Network,，2011(17)：1-18.
[5] CURTIS D,，SHIH E，WATERMAN J，et al.Physiological  signal monitoring in the waiting areas of an emergency room[C].Proceedings of the ICST 3rd International Conference on Body Area Networks,，Tempe,，Arizona，ICST,，2008：1-8.
[6] JIANG S,，CAO Y，IYENGAR S,，et al.CareNet：an integrated  wireless sensor networking environment for remote healthcare[C].Proceedings of the ICST 3rd International Conference on Body Area Networks,，Tempe，Arizona,，ICST,，2008：1-3.
[7] STAICULESCU D，LAKAFOSIS V,，Li Yang,，et al.Biomedical applications-antenna body area network[EB/OL].(2012-03-xx)[2013-11-12].http：//www.athena-gatech.org/research/BIOMEDICAL/index.html.
[8] Texas Instruments.CC2530 datasheet[Z].Texas Instruments semiconductor，2009.
[9] Chen Haifeng,，Wu Wanqing,，LEE J.A WBAN-based realtime electroencephalogram monitoring system：design and  implementation[J].Journal of Medical Systems，2010,，34(3)：303-311.
[10] 朱凌云,，吳寶明.移動(dòng)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)QRS波的實(shí)時(shí)檢測(cè)算法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2009,，26(6)：603-607.
[11] 劉堅(jiān)強(qiáng),，王永才.基于示波法的電子血壓計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010(4)：62-65.
[12] 朱品偉,，羅印升.基于MSP430的示波法血壓計(jì)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化信息,，2008(11)：49-59.
[13] 劉軍，張金榜,，于湘珍,，等.基于CC2530的脈搏感知節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013,，39(1)：34-36.
[14] 朱亮,，王緒國(guó)，庾嘉平,，等.基于ZigBee的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用,，2013，32(19)：66-68.