楊林，張永魁

1.蘇州大學附屬第一醫(yī)院 醫(yī)學工程處，江蘇 蘇州 215006；2.東南大學 學習科學研究中心，江蘇 南京210096

基于ZigBee的多生理參數(shù)測量與分析系統(tǒng)的設計

楊林1，張永魁2

1.蘇州大學附屬第一醫(yī)院 醫(yī)學工程處，江蘇 蘇州 215006；2.東南大學 學習科學研究中心，江蘇 南京210096

本文介紹一種基于ZigBee協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)，系統(tǒng)采用MCU+RF的方案設計，以ATmegal 128L作為傳感器節(jié)點的MCU，CC2420作為RF射頻模塊。采集節(jié)點具有6個通道可獲取病人的生理參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮展?jié)點，再通過RS232接口連接到PC。終端設計的Labview程序可以對采集的多種生理參數(shù)進行顯示、存儲和分析。

傳感器網(wǎng)絡；生理參數(shù)監(jiān)測；Zigbee協(xié)議

多參數(shù)監(jiān)護儀是臨床護理中重要的生理參數(shù)監(jiān)護設備，生理參數(shù)監(jiān)護技術就是把被監(jiān)測者的各種生理參數(shù)及時、準確地測量出來進行處理、分析，幫助醫(yī)護人員對患者病情進行監(jiān)測和防護。在現(xiàn)有醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中，患者身上佩戴的傳感器采集的數(shù)據(jù)多通過串口電纜（RS232/485）傳送到PC上或通過串口聯(lián)網(wǎng)服務器傳到局域網(wǎng)上。由于所檢測的信號多是人體信號，而人體處于自然狀態(tài)時的信號才能夠真實地反映其生理狀況，因此，將檢測設備通過有線方式連到人體上進行監(jiān)測的傳統(tǒng)方法會使患者感覺受到束縛，從而導致所檢測到的數(shù)據(jù)不準確。而且在病房中，各種連線不僅使病人感到不適，而且還使病房顯得雜亂無章，影響醫(yī)護人員的工作效率。另外，對康復期病人和需要監(jiān)護的老年患者，具有一定的活動能力，而傳統(tǒng)監(jiān)護儀的體積比較大，耗電量高，限制了被監(jiān)護者的運動。因此，醫(yī)療單位希望以一種低成本、高可靠性的無線傳輸方案來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線方式。無線局域網(wǎng)具有微功率、抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活等特點，是實現(xiàn)無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的理想選擇[1]。

目前，無線技術已經開始在醫(yī)療監(jiān)護領域逐步應用，但大多是具有基站的單星形拓撲結構的應用，而不是真正意義上的無線傳感器網(wǎng)絡[2]。ZigBee協(xié)議（IEEE802.15.4）是一種近年來才興起的無線網(wǎng)絡通信技術標準，主要應用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間，典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)。對于生理參數(shù)的監(jiān)護，ZigBee技術的應用有以下幾方面的優(yōu)勢：① 低成本：監(jiān)護傳感器節(jié)點是低成本的。② 低功耗：內置電池正常使用時間不低于1個月，減少因頻繁更換電池帶來的麻煩。③ 性能可靠：這些產品無須大量維護、經久耐用。④ 伸縮性能好：可連接網(wǎng)絡幾百至幾千個設備[3]。ZigBee是目前最適合用于生理數(shù)據(jù)采集的短距離無線通信技術。本研究的目的正是利用ZigBee技術實現(xiàn)患者多生理參數(shù)的無線傳輸和監(jiān)測分析。

1 系統(tǒng)結構概況

用于對病區(qū)進行監(jiān)控的無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點、接收節(jié)點以及PC監(jiān)視系統(tǒng)3個部分。采集節(jié)點佩戴在病人身上，每個節(jié)點均具備采集生理參數(shù)的功能，并能通過ZigBee協(xié)議射頻方式發(fā)送到接收節(jié)點，節(jié)點內置的嵌入式軟件能夠實現(xiàn)通信鏈路的保存和管理，從而實現(xiàn)節(jié)點的組織功能[4]。每個節(jié)點都具備傳感器信號的采集、處理、節(jié)點間的通信和信息的路由等功能。接收節(jié)點獲取病人的數(shù)據(jù)后傳輸?shù)絇C系統(tǒng)中，PC監(jiān)視系統(tǒng)通過設計的LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW）程序可以實時地看到病人的生理參數(shù)。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的功能需求以及系統(tǒng)的組成，本著成本低、功能高、穩(wěn)定可靠性高、技術實現(xiàn)簡捷的原則，本文設計的基于ZigBee的嵌入式無線傳感網(wǎng)絡的系統(tǒng)結構，見圖1。

圖1 基于ZigBee的嵌入式無線傳感網(wǎng)絡的系統(tǒng)結構框圖

2 節(jié)點的硬件設計

無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)的組織元素是節(jié)點，在應用系統(tǒng)中，要求傳感器節(jié)點具有體積小、功耗低、抗干擾能力強等特點。本研究利用GAINZ開發(fā)平臺設計采集節(jié)點和接收節(jié)點[5]。節(jié)點的系統(tǒng)構架包括前端傳感采集模塊、數(shù)字處理模塊、無線射頻模塊和電源模塊，節(jié)點硬件整體框圖，見圖2。其中，數(shù)字處理模塊和無線射頻收發(fā)模塊是圍繞核心部件ATmega 128芯片和CC2420 芯片進行整體硬件構架設計的。ATmega128L是基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器[6]。CC2420芯片是CHIPCON公司專門為低功耗無線通信設計的無線通信模塊，CC2420 RF收發(fā)器集成了支持不同調制格式的調制解調器，并且為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評估、連接質量指示和電磁波激活提供廣泛的硬件支持，使其更加適用于無線環(huán)境惡劣的地方[7]。

采集節(jié)點設計有多種傳感器，通過這些傳感器可以檢測到生理數(shù)據(jù)，ATmegal 128L 單片機經過A/D轉換器獲取數(shù)字化的數(shù)據(jù)并通過SPI接口傳輸?shù)紺C2420芯片 。本研究中設計的傳感器模塊的功能包括心電、溫濕度、加速度等數(shù)據(jù)的采集，同時在硬件擴展板上留有接口以便其他感興趣信號的采集。

圖2 節(jié)點硬件整體框圖

心電信號的采集采用雙極性標準肢體導聯(lián)I方式，導聯(lián)線使用三導聯(lián)線，除了兩路分別接左右手的電極外，另一路作為右腿驅動電路。其主要電路結構包括前置放大器、低通濾波、高通濾波、主放、50Hz陷波、電平提升和A/D轉換等部分[8]。由于ATmegal 128L中的A/D只能量化單極性信號，因此，在心電信號采集前必須進行整體電平提升，使心電波形全部處于零電平（地線電平）之上，再送MCU的 A/D采樣端口。溫/濕度傳感器模塊芯片選用了瑞士盛世瑞恩生產的SHT系列溫/濕度數(shù)字傳感器芯片，該傳感器是一款高度集成的溫/濕度傳感器芯片，提供全標定的數(shù)字輸出。在加速度測量電路中，采用美國Freescale公司的MMA7260QT 3軸加速度傳感器設計加速度模塊，3軸信號分別送MCU A/D采樣端口。加速度也是一個很重要的參數(shù)，可用來監(jiān)測病人的運動狀態(tài)。多生理參數(shù)采集和分析系統(tǒng)節(jié)點實物，見圖3。

圖3 多生理參數(shù)采集和分析系統(tǒng)節(jié)點實物圖

3 節(jié)點的軟件設計

本系統(tǒng)的軟件采用AVR Stuidio開發(fā)編譯環(huán)境，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵氖荂C2420 RF芯片，其通訊標準為ZigBee 協(xié)議（IEEE 802.15.4）[9]。IEEE 802.15.4標準網(wǎng)絡內的無線傳輸過程中采用沖突監(jiān)測載波監(jiān)聽機制，網(wǎng)絡拓撲結構主要是星型網(wǎng)。本研究采用了標準定義的2.4G的數(shù)據(jù)傳輸頻率，這是一種采取O-QPSK的調制方式[10]。在無線傳感器網(wǎng)絡設計中、采取了主機輪巡查問機制和突發(fā)事件報告機制。主機每隔一定時間向每個傳感器發(fā)送取數(shù)命令，傳感器收到取數(shù)命令后向主機回發(fā)數(shù)據(jù)。在發(fā)生緊急事件時，傳感器節(jié)點容許主動向中心節(jié)點發(fā)送報告。

系統(tǒng)軟件設計分為3層，硬件驅動層、操作系統(tǒng)內核層（包括協(xié)議層）及應用層。硬件驅動層提供了所有硬件設備的驅動，主要包括CC2420驅動、ADC模塊驅動、串口驅動以及板級初始化；OS內核層提供了簡單高效的任務管理、內存管理、設備管理、功耗管理以及無線通信協(xié)議棧；應用層主要是利用操作系統(tǒng)層提供的API編制相應的應用程序，傳感采集、射頻通信、串口通信等。系統(tǒng)設計中內核層與硬件驅動層接口采用直接函數(shù)調用的接口方式，因為硬件部分對時間有嚴格要求，采用消息方式效率太低。應用層與內核層之間接口從軟件整體模塊的結構性和移植方面考慮，采用消息方式。

發(fā)送節(jié)點的軟件設計流程為：發(fā)送節(jié)點上電后首先對CC2420進行初始化，然后嘗試加入網(wǎng)絡，如果加入網(wǎng)絡成功，當接收到網(wǎng)絡協(xié)調器發(fā)出開始采樣的指令時，開始采集數(shù)據(jù)，利用ATmegal128L片上的A/D轉換器進行A/D采樣，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡協(xié)調器。發(fā)送節(jié)點RFD模塊的程序流程，見圖4。

圖4 發(fā)送節(jié)點RFD模塊的程序流程圖

接收節(jié)點的軟件設計流程為：接收節(jié)點上電后首先對CC2420進行初始化，然后建立一個無線網(wǎng)絡，當有RFD節(jié)點加入時，分別給每一個RFD節(jié)點分配地址。當需要開始采集信號數(shù)據(jù)時，由網(wǎng)絡協(xié)調器向RFD模塊發(fā)送指令，其后等待接收采樣數(shù)據(jù)，如接收到數(shù)據(jù)，則通過RS232口將數(shù)據(jù)上傳給PC機。網(wǎng)絡協(xié)調器模塊的流程，見圖5。

圖5 網(wǎng)絡協(xié)調器模塊的流程

4 PC上的顯示、存儲和分析

在接收節(jié)點數(shù)據(jù)通過RS-232接口傳輸?shù)絇C中。本研究利用Labview程序設計了一個虛擬儀器，通過Labview虛擬儀器可以實現(xiàn)所獲取數(shù)據(jù)的圖形顯示，實時地呈現(xiàn)病人的生理數(shù)據(jù)。另外，如果需要對生理數(shù)據(jù)進行存儲以進一步分析，也可以通過該Labview程序實現(xiàn)，Express VI可以以.txt或者.xls的格式存儲生理數(shù)據(jù)。利用Labview的MATLAB Script node，還可以實現(xiàn)心電信號的小波分析和HRV分析，以及溫度、濕度、加速度等信號的分析[11]。對生理數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)、存儲和分析對后期的研究具有重要的意義。

5 結果與討論

系統(tǒng)設計完成后進行了聯(lián)合調試，利用串口調試助手和后端顯示平臺Labview查看到接收的數(shù)據(jù)包格式相符，采樣率匹配，達到了設計的預期要求。通過被試者對系統(tǒng)的運行進行測試，可以采集到被試者的心電和加速度數(shù)據(jù)，以及實時的環(huán)境溫度，系統(tǒng)測試終端界面，見圖6。從圖中可以看到，界面最上方為被試者的心電波形圖；界面右下方為加速度顯示界面，用來反映被試者的運動狀態(tài)；左下方是功能選擇區(qū)，包括串口參數(shù)選擇控件、傳感器節(jié)點選擇控件以及接收數(shù)據(jù)字節(jié)顯示。通過這些功能控件，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)多節(jié)點收發(fā)以及實時監(jiān)測的功能。

目前，該系統(tǒng)雖然能初步應用于臨床監(jiān)護數(shù)據(jù)采集，但還需進一步的改進和提高。系統(tǒng)僅僅采集了比較常用的體溫、加速度和心電參數(shù)等。而事實上，僅僅這幾個參數(shù)是不夠的，臨床還需要更多的生理參數(shù)來確定病人的生理狀態(tài)，如血氧飽和度、血壓等。另外，目前系統(tǒng)采用的ATmega128 儲存和處理能力在應對大規(guī)模組網(wǎng)還是略顯不足，在以后的應用中可考慮使用ARM處理器作為接收節(jié)點，并存儲數(shù)據(jù)。最后，為了便于對醫(yī)療效果的評估，需要建立相應的數(shù)學模型和一個健全的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以便于以后的管理、分析和數(shù)據(jù)挖掘。在后期的研究中，我們將地這些方面工作作為重點，以推動該系統(tǒng)在臨床的廣泛應用。

圖6 系統(tǒng)測試終端界面

[1] 張連霞,張喜雨,邊建農.遠程醫(yī)療監(jiān)護技術及其應用[J].醫(yī)療設備信息,2006,21(5):43-46.

[2] 張迪,吳水才.心電遠程監(jiān)護系統(tǒng)的研究進展[J].中國醫(yī)療設備,2008,23(6):45-48.

[3] 瞿雷.一種新的無線網(wǎng)絡通信技術Zigbee[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2006,(1):12-14.

[4] Villalba, E.,Arredondo, M.T.,Guillen, S.,Hoyo-Barbolla,E.. A new solution for a heart failure monitoring system based on wearable and information technologies [J].Wearable and Implantable Body Sensor Networks, International Workshop 2006,4:153.

[5] 周松立,張偉,朱勁.IEEE 802.15.4協(xié)議在GAINS-Z節(jié)點上的移植[J].微計算機信息,2007,23(8):132-134.

[6] 鄭凱,趙宏偉,張孝臨.基于ZigBee網(wǎng)絡的心電監(jiān)護系統(tǒng)的研究[J].儀器儀表學報,2008,29(9):1908-1911.

[7] 張晶晶,王亮,雷明.基于ZigBee技術的家庭遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)[J].智能建筑,2010,14(2):38-39.

[8] 余學飛.現(xiàn)代醫(yī)學電子儀器原理與設計[M].廣州:華南理工大學出版社,2007.

[9] Holger Karl,Andress Willing.無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議與體系結構[M].邱天爽,唐洪,等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[10] 鄭霖,曾志民,萬濟萍,等.基于IEEE802.15.4標準的無線傳感器網(wǎng)絡[J].傳感器技術,2005,24(7):86-88.

[11] 李開元,王步青,王衛(wèi)東.基于虛擬儀器的無線心電監(jiān)護系統(tǒng)上位機軟件設計[J].中國醫(yī)療設備,2009,24(1):24-26.

Design of Multi-physiological Parameters Measurement and Analysis System Based on ZigBee Protocol

YANG Lin1, ZHANG Yong-kui2
1.Biomedical Engineering Department, The First Affiliated Hospital of Soochow University, Suzhou Jiangsu 215006, China; 2.Research Center for Learning Science, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096, China

This study established a wireless sensor network system based on the ZigBee protocol. ATmegal 128L as the MCU of sensor nodes and CC2420 chip as RF module constitute the system architecture. This system can get access to a variety of physiological parameters and analysis those parameters. Collection nodes has six channels for obtain the patient's physiological parameters and environmental data, and then transfer the data to the receiving node which was connect to the PC through the RS232 interface. Terminal section designed by Labview program can achieve the displaying, storage and analysis of physiological parameters. The system was mainly developed for clinical monitor, to build a intelligence unit of clinical nurse which is covered by wireless network of multi-physiological parameters measured.

sensor network; physiological parameters monitor; Zigbee protocol.

TP277

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.02.006

1674-1633(2012)02-0025-03

2011-08-08

2011-09-01

本文作者：楊林，生物醫(yī)學工程碩士，主要從事醫(yī)療設備專業(yè)技術研究。

張永魁，副教授，主要從事無線傳感網(wǎng)絡的開發(fā)與應用研究。

作者郵箱：yang1635@126.com