周光清 張繼瑜 郭勁松

1 引言

健康管理首先需要獲得人體的健康狀況，其中，生理參數(心電、心率、血壓、血氧、體溫)的測量是必須的，也是非常重要的。由于這些生理參數指標是人體健康狀況的直接反映，所以多參數監(jiān)護在臨床中也被廣泛應用。檢測的方法一般是通過集成式的多參數監(jiān)護儀來實現(xiàn)。但這種一體化的多參數監(jiān)護儀，體積較大，需連接多種傳感導聯(lián)線，移動不便，只能作為醫(yī)院病房床頭監(jiān)護。在很多情況下，我們需要對移動中(正常活動中)的人體進行監(jiān)護，如可自由活動的住院病人，以及家庭、社區(qū)中需要實時檢測生理參數的人們，健康管理的觸角需要延伸到社區(qū)和家庭［1-2］。這就需要一種便攜化、可攜帶的生理參數檢測儀器，能在離開床頭監(jiān)護儀的情況下繼續(xù)檢測，并將結果發(fā)送到中心接收站。

本研究針對這種情況，設計了一個基于物聯(lián)網(Zigbee)技術的多參數檢測系統(tǒng)，各生理參數的檢測均由獨立的模塊完成，每一模塊都內置物聯(lián)網模塊，可將檢測結果發(fā)出，經過Zigbee 轉藍牙網關后，可由隨身攜帶的個人終端(手機或平板電腦)接收，如果需要還可通過個人終端遠程傳輸到遠端網絡數據庫保存。

2 系統(tǒng)設計

2.1 檢測模塊的設計

本研究研制的系統(tǒng)，需要在人體正?；顒訒r檢測各項生理參數，檢測儀器必須盡可能實現(xiàn)體積小、重量輕的目標，集成式的儀器設計顯然不適合，各檢測模塊獨立是較好的選擇，因此我們自行設計并制作了獨立的心電、血壓、血氧、體溫檢測模塊［3］。在各模塊的設計中，都采用了低功耗、體積小的MSP430 系列單片機作為中心控制單元，具體型號為MSP430F1612。

心電檢測模塊采用三導聯(lián)心電電極設計，四個導聯(lián)線分別連接四個肢體電極，進入心電檢測模塊后，由單片機控制的導聯(lián)轉換電路選擇檢測的信號，經過初級放大、帶通濾波、工頻陷波、后級放大等電路處理后，由MSP430 單片機的模數轉換單元轉換為12 位的數字信號。同時心電信號經過心率檢測電路轉換為與R 波同步的脈沖信號，連接到單片機，由單片機的計時器計算R 波間隔時間，并轉換為心率。然后心電和心率信號再由單片機轉換為固定格式［4］的數據幀，通過單片機的串口發(fā)送至Zigbee 模塊進行傳送。

血壓檢測采用基于示波法的無創(chuàng)檢測方法，模塊內置血壓氣泵和氣閥，氣路連接到外部袖帶。單片機控制氣泵給袖帶充氣，同時通過壓力傳感器檢測袖帶內的氣壓，經過放大后由MSP430 單片機進行模數轉換并計算處理，根據袖帶內的氣壓變化過程計算出收縮壓和舒張壓。然后血壓數據再由單片機轉換為固定格式［4］的數據幀，通過單片機的串口發(fā)送至Zigbee 模塊進行傳送。

血氧檢測模塊采用一般指套式血氧傳感器，單片機驅動發(fā)光控制電路，使得血氧傳感器內部的紅光和紅外光發(fā)光管輪流發(fā)光，透過指頭后的剩余光強由光敏管檢測，光強信號經過放大、濾波等處理后，由MSP430 單片機進行模數轉換并計算處理，得出血氧含量數據，再由單片機轉換為固定格式［4］的數據幀，通過單片機的串口發(fā)送至Zigbee 模塊進行傳送。

體溫檢測則采用常規(guī)熱敏電阻式體溫傳感器，體溫變化轉換為電阻值的變化，經過電路轉換為電壓的變化，由單片機讀入并轉化為體溫數據。同樣，體溫數據也由單片機轉換為固定格式［4］的數據幀，通過單片機的串口發(fā)送至Zigbee 模塊進行傳送。

2.2 數據傳輸網絡的設計

采用各生理參數分開檢測的方式，一方面可以簡化設計，方便使用，但另一方面也給數據傳輸的設計帶來了挑戰(zhàn)。由于各檢測模塊有可能同時傳出數據，數據接收端必須能同時接收多個檢測模塊發(fā)來的數據。物聯(lián)網技術是最近興起的用于物物連接的技術，狹義上的物聯(lián)網指連接物品到物品的網絡，實現(xiàn)物品的智能化識別和管理;廣義上的物聯(lián)網則可以看作是信息空間與物理空間的融合，將一切事物數字化網絡化［5］。而Zigbee 是物聯(lián)網的重要通訊技術之一，是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，其突出優(yōu)點是應用簡單，工作頻段靈活，低功耗，低成本，高可靠性，具有自組網和自恢復能力等［6］，特別是可實現(xiàn)一對多的數據傳輸，特別適合傳感網絡的應用。

本研究中的設計采用基于CC2530 芯片的Zigbee 模塊，內置Zigbee 2007/PRO 協(xié)議棧，只留出串口，設計者無需了解Zigbee 協(xié)議棧，只需要讀寫串口，即可實現(xiàn)數據的無線傳輸。模塊主要特性有:①自動組網:上電后，模塊自動組網，協(xié)調器自動給路由分配地址，無需人工干預，模塊若掉電，網絡可自動修復。②數據透傳:使用串口，可實現(xiàn)數據在任意兩個模塊之間的傳輸。③安全性高:網絡經過128 bit 數據加密處理，用戶可自行設定密鑰，以防數據泄露、阻止非授權節(jié)點獲取網絡數據。④靈活性強:出廠默認為路由器，用戶可任意配置為協(xié)調器或路由器。⑤使用方便:用戶無需了解Zigbee協(xié)議，只需使用串口就可以實現(xiàn)無線傳輸。

該模塊上電后，會自動組網，但所有模塊中必須有一個唯一的模塊設置為協(xié)調器，由它給其他模塊分配地址，其他模塊則設置成路由器。

每個生理參數的檢測模塊內，都內置一個Zigbee 模塊，由MSP430 單片機實現(xiàn)指令的收發(fā)和數據的傳輸。由于MSP430 單片機和Zigbee 模塊都采用3.3 V 供電，兩者的串口是電平兼容的，可以直接連接，大大簡化了設計。單片機只需要按照Zigbee 模塊的數據格式要求與它進行串行通訊即可。同時，檢測模塊內部的Zigbee 模塊都設置為路由器模式，方便組網。

2.3 藍牙轉Zigbee 網關以及個人終端的設計

各生理參數檢測模塊獲得的數據，需要有一個個人終端接收并顯示，需要時上傳。相對于在基于ARM 的模塊基礎上自行設計的方案，采用開放系統(tǒng)的手機或平板電腦將是更合適的選擇，一方面手機或平板電腦有完整的輸入輸出部分和電池供電系統(tǒng)，另一方面也有與外部通訊的接口，可以方便地交換數據，因此本系統(tǒng)采用運行Android 系統(tǒng)的手機或平板電腦作為個人終端。但這一類終端只內置了藍牙收發(fā)功能，而沒有內置Zigbee 模塊，為了使個人終端能夠接收Zigbee 網絡傳來的數據，我們設計了一種藍牙轉Zigbee 網關，可以方便的實現(xiàn)藍牙和Zigbee 兩種傳輸協(xié)議的轉換。

該網關由兩部分組成，一部分是一個Zigbee 模塊，該模塊與各生理參數檢測模塊內置的Zigbee 模塊相同，只是被設置成協(xié)調器模式，上電后，該模塊將負責Zigbee 網絡的組網;另一部分則是一個藍牙模塊。該藍牙模塊采用CSR 主流藍牙芯片，符合藍牙V2. 0 協(xié)議標準，內置天線，波特率默認出廠9 600，用戶可設置，核心模塊尺寸大小為:27 mm ×13 mm ×2 mm，電源電壓3.3 V，可通過串口接受控制指令和收發(fā)數據，接口電平3.3 V，可以直接連接Zigbee 模塊的串口。該藍牙模塊有兩種工作模式:主機模式和從機模式，在本系統(tǒng)中，藍牙模塊設置為從機，以便和工作于主機模式的作為個人終端的手機和平板電腦中的藍牙模塊配對工作，配對以后可以作為全雙工串口使用。

以上設計的藍牙轉Zigbee 網關，其Zigbee 模塊能接收各檢測模塊的數據，轉換為串行數據傳給藍牙模塊發(fā)送，由個人終端接收;而個人終端發(fā)出的指令通過該網關的藍牙模塊接收，轉換為串行數據，發(fā)給Zigbee 模塊，由各檢測模塊接收，從而實現(xiàn)各檢測模塊和個人終端間的雙向通訊。個人終端上的程序則使用JAVA 語言編寫，基于Android 4.1 系統(tǒng)，在編譯成安裝文件后，拷貝到個人終端上，即可安裝使用。經測試，安裝程序在平板電腦和手機上都可正常運行。實現(xiàn)的功能包括通過藍牙接口向各生理參數檢測模塊發(fā)送控制指令，通過藍牙模塊接收檢測數據并顯示、心電波形描圖，調用個人終端的聯(lián)網功能(2G、3G、WIFI)將檢測數據發(fā)送到網絡服務器。除了檢測各項生理參數，程序還允許手動輸入一些數據，如體重等，這些數據也會被上傳到網絡數據庫保存，作為健康狀態(tài)評估的依據之一。

2.4 系統(tǒng)整體結構

綜上所述，本系統(tǒng)的結構圖如圖1 所示，各生理參數檢測模塊內置Zigbee 通訊模塊，可與藍牙轉Zigbee 網關中的Zigbee 模塊形成Zigbee 網絡;而藍牙轉Zigbee 網關中的藍牙模塊可與個人終端的藍牙模塊相連接。個人終端可通過藍牙，經藍牙轉Zigbee 網關中轉，向各檢測模塊發(fā)送控制指令;各檢測模塊的檢測數據也可經藍牙轉Zigbee 網關中轉，發(fā)送到個人終端接收，需要時可發(fā)送到網絡數據庫。

3 結果與討論

本研究設計的系統(tǒng)，以運行Android 系統(tǒng)的手機或平板電腦為個人終端，實現(xiàn)了通過個人終端程序，經藍牙轉Zigbee網關中轉，控制心電、心率、血壓、血氧、體溫等5 項生理參數檢測模塊的運行、停止，并接收檢測模塊的結果數據，在個人終端上顯示結果，需要時，個人終端可通過調用個人終端的聯(lián)網功能(2G、3G、WIFI)將檢測數據發(fā)送到網絡服務器。圖2 為在手機上檢測心電和血氧的實時結果圖。

圖1 基于物聯(lián)網(Zigbee)的多生理參數監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

圖2 手機程序監(jiān)測心電和血氧顯示圖

測試中，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，響應迅速。無線網絡(包括Zigbee 和藍牙)可輕松實現(xiàn)無遮擋情況下5 米以上的傳輸距離，實現(xiàn)了設計目標。

本研究所實現(xiàn)的系統(tǒng)，還只是一個實驗性質的系統(tǒng)，著重于功能的實現(xiàn)，各檢測模塊和藍牙轉Zigbee 網關還只是電路板及其連接。在將來的工作中，一方面應盡可能減少各檢測模塊的體積、重量，并為其設計電池供電系統(tǒng)，如血氧檢測可設計為指套式，整個儀器都置于指套內，血壓則設計為腕式的(市面上已有這兩類儀器)。有條件的模塊(如心電、體溫等低功耗檢測項目)可以設計為可穿戴式;另一方面可以增加檢測項目，如呼吸、人體姿態(tài)等生理參數的檢測。Zigbee網絡理論上可以容納上萬個節(jié)點，但實際應用中，由于各種限制，一般認為不能超過100 各節(jié)點，但100 個對于人體參數檢測完全夠用，這也是我們選擇Zigbee 網絡的原因。

當各生理參數的檢測都能實現(xiàn)可穿戴式，或微型化后，我們就能夠非常方便地通過可穿戴式傳感器，或者通過微型化的檢測儀器，獲得人體各項生理參數，通過物聯(lián)網匯集到個人終端，最終上傳到網絡數據庫。如能實現(xiàn)這樣的系統(tǒng)，對提高醫(yī)療服務質量、推進疾病預防、促進健康管理事業(yè)的發(fā)展，將是一個很大的推動。

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