李建設，張友能

（安徽工貿職業(yè)技術學院，安徽 淮南 230007）

新型Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的心電監(jiān)護系統(tǒng)的研究與設計

李建設，張友能

（安徽工貿職業(yè)技術學院，安徽 淮南 230007）

現(xiàn)有的有線心電圖監(jiān)測和保護系統(tǒng)具有連接比較復雜、移動麻煩以及擴展不良等弊端。這種在Zigbee網(wǎng)絡基礎上的心電圖監(jiān)測系統(tǒng)，正是為了解決這些問題而提出的。想解決這些問題，在進行收集心電信號與研究電路圖之后，進一步探討了可以實現(xiàn)模數(shù)轉換以及可實現(xiàn)調節(jié)網(wǎng)絡節(jié)點的研究，從而設計了Zigbee整個網(wǎng)絡的系統(tǒng)，最終實現(xiàn)監(jiān)測軟件的研究。實驗顯示，此系統(tǒng)相對來說更靈活并且可以更好的擴展，這樣就可以更方便快捷的進行心電監(jiān)測。

心電；Zigbee；A/D轉換；無線網(wǎng)絡

0 引言

對人體十分關鍵的一些生理值包含在心電信號中，為了提前知道并及時醫(yī)治心腦血管方面的疾病，非常關鍵的一點就是要對此類生理值進行監(jiān)督和測量，最近一段時間，由心臟類疾病引發(fā)的死亡率逐漸顯現(xiàn)出增高的趨勢，心腦血管類的疾病己經(jīng)成為在全球范圍內非常普通的，也經(jīng)常危及人類身體健康的一種疾病［1］，因為這類疾病發(fā)病大多都很偶然，之前沒有預兆，所以為了預防和治療心腦血管病，一定要堅持對患者進行一段時間的治療；另外，心血管病發(fā)病的偶然性和突發(fā)性要求我們一定要把握好治病的時間，如得了急性心梗的患者，最好是在發(fā)病60分鐘以里為患者進行治療，根據(jù)調查顯示：超過80%的病人在心梗病發(fā)的60分鐘內并沒有得到有效的醫(yī)治［2］，考慮到以上事實，就急需找到某些行之有效的途徑，在患者入院后，醫(yī)生能以最快的速度了解到患者的相關心電值，也就縮短了從病發(fā)到接受治療患者可能錯過的最佳治療期，這樣，心電監(jiān)護就提供了一種非常適合的方便的解決途徑。

當今社會，人們開始越來越多的關心身心健康方面的相關知識，而無線傳播技術、傳感科技等相關技術的進步，為健康的檢測和遠程就醫(yī)提供了可能，其中健康的監(jiān)測和保護最為常用的則是心血管監(jiān)護一項，現(xiàn)代醫(yī)學設備發(fā)展的一個分支就是設計心電的檢測和保護系統(tǒng)［3］，建立具有很多功能的心電監(jiān)測和保護系統(tǒng)，一方面可以對病人進行及時準確的心電監(jiān)測和保護，另一方面也可以直接對病人的心電值進行研究和判斷，大夫可隨時通過這一系統(tǒng)觀察病人的心電顯示圖，如看到不正常的心跳，系統(tǒng)就會馬上發(fā)出提示信號，系統(tǒng)可將病人顯現(xiàn)病癥的心電圖經(jīng)由傳輸線發(fā)送到大夫那里，以便大夫及時做出最佳治療辦法，從而縮短耽誤病人的治療時間，并使病人早日康復出院。

0.1 心電監(jiān)護系統(tǒng)

目前，心臟類的疾病時時刻刻都影響著我們的身體健康，甚至危及生命，由于心電監(jiān)護類系統(tǒng)具有輔助醫(yī)生進行相關病癥的監(jiān)護與診斷的功能，已經(jīng)成為臨床心血管類疾病診療的常用儀器之一，醫(yī)院里常用的心電檢測和保護儀器有三種：一種是實施臨床監(jiān)護的心電監(jiān)測和保護系統(tǒng)；第二種是Holter系統(tǒng)，需要患者進行24小時佩戴，以記錄動態(tài)的心電數(shù)據(jù)，但它不具有實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?；第三種是能夠進行實時動態(tài)監(jiān)測的可遠距離控制心電監(jiān)測和保護系統(tǒng)［4］。

0.2 遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)

因為心腦血管類的疾病發(fā)病一般都比較突然，很多病人在發(fā)病之前并沒有明顯的征兆，突然發(fā)病，往往很難及時被送到醫(yī)院，而對于這些突發(fā)疾病的病人，如果不能得到及時救治，很可能因此失去生命，故而，一定要盡可能讓病人在第一時間得到醫(yī)治，因此，研究與設計遠程心電的監(jiān)測與保護系統(tǒng)已經(jīng)成了學界普遍關注的課題，目前大多遠距離控制心電監(jiān)測與保護系統(tǒng)主要是通過那些運營商的GPRS/3G/WCDMA網(wǎng)絡實現(xiàn)非靜態(tài)的監(jiān)測和保護，與其他遠距離控制的心電監(jiān)測和保護系統(tǒng)相比，在Zigbee的基礎上建立的系統(tǒng)因為制作花費少、能量消耗少、有很好的抗干擾能力的這些優(yōu)點，已經(jīng)備受學界關注［5］。

1 Zigbee介紹

Zigbee是一種操作比較規(guī)范嚴格的，只適用于不是很長距離的無線信息傳播技術，它與速率較慢的非有線網(wǎng)絡相匹配，結合IEEE802.15.4的系數(shù)，在成千上萬的特別小的傳播感應器之間互相傳遞信息，那些傳播感應器僅僅消耗一點點能量，信息就會以一傳一的方式在兩個節(jié)點之間進行傳遞，這樣就能達到在世界2.4GHz無需付費的范圍內進行高速、低能耗的信息傳播目的［6］，并且Zigbee系統(tǒng)可以檢查和測量能量，同時還結合了防止碰撞的技術，從而有效解決了數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)矛盾的問題，有關于網(wǎng)絡安全的問題，128位的嚴密算法被用在這一系統(tǒng)，以對相關信息做好保護工作，這樣就能確保信息在傳遞過程中不被篡改和盜用，截止目前，其它國家在家用互聯(lián)、管控網(wǎng)絡和移動電話設備等一些地方或多或少接受了Zigbee技術，然而目前在Zigbee技術基礎上搭建的網(wǎng)絡只能在非有線個人區(qū)域網(wǎng)拓撲的結構使用［7］，協(xié)議要求的節(jié)點量大大超過各接收點可以包含的傳播感應器的節(jié)點量，為實現(xiàn)傳播感應器網(wǎng)絡高密度覆蓋的目標，我們一定要做繁瑣的組網(wǎng)，這樣一方面會提高網(wǎng)絡的繁瑣性，另一方面也將提高全部網(wǎng)絡的能量消耗和制作投資，同時也會降低傳播感應器節(jié)點的使用壽命，基于Zigbee創(chuàng)立的非有線傳播感應器網(wǎng)絡會在很大程度上解決這些問題，在Zigbee技術基礎上創(chuàng)立的非有線傳播感應器網(wǎng)絡具有能量消耗少、制作投資少、設計精簡、體積不大、易于拓展、方便安全等優(yōu)點，這一技術用AdHoc的方法把一系列Zigbee節(jié)點組合成非有線網(wǎng)絡，它一般采取協(xié)調運作的方法，可及時準確地感應、收集以及處理網(wǎng)絡包含區(qū)域內感應對象的信息，在傳播感應器網(wǎng)絡中的一些或所有節(jié)點并不是固定不動的，傳播感應器網(wǎng)絡的中主要結構同時也會因為節(jié)點位置的變化而進行移動［8］，所有傳播感應器的匯節(jié)點都可以完成非靜態(tài)的搜索、追蹤定位以及重新連接的任務，綜上所述，這種非傳統(tǒng)無線傳播感應器網(wǎng)絡技術一定會在很多領域都得到使用，圖1即是Zigbee無線傳播感應器網(wǎng)絡結構體系。

圖1 Zigbee無線傳播感應器網(wǎng)絡結構體系

2 系統(tǒng)結構

本文探討的在Zigbee基礎上建立的非有線網(wǎng)絡心電監(jiān)護系統(tǒng)，是想達到給心電進行沒有遙測與非一個人的監(jiān)督和測量，這個設計采用的CC2430非有線模型塊是適用于Zigbee科技參數(shù)的，同時在設計過程中也參考了拓撲結構的MESH呈網(wǎng)態(tài)的拓撲形式［9］，這一網(wǎng)絡跟其他網(wǎng)絡不同，它以一個傳一個的方法把信息在兩點之間進行傳播，它可以實現(xiàn)智能創(chuàng)建與保護信息的作用，并不需要人為的操作，MESH形式里面的協(xié)作控制器與路由器一定要是FFD，移動設備則可有FFD與RFD兩種，所以研究創(chuàng)建系統(tǒng)的時候，主站會被放在醫(yī)院的某個監(jiān)管保護室里，即上文提到的FFD，同時會為各病房配備獨立的FFD，即路由器，最后就是給各患者提供各自的RFD，即移動設備，由此，大夫就可以在監(jiān)護室里，通過由移動設備發(fā)出中間通過FFD，最終傳到主站的心電信息來實時了解病人的信息。

圖2給出了系統(tǒng)設計時分層級的結構，適用2.4G Hz IEEE 802.15.4的收取發(fā)射頻率器（ChiPcon公司首推）與高端的微型控制器被組合應用在這一非有線心電監(jiān)測和保護系統(tǒng)中，主要通過里面的微型控制器在固定時間收取和發(fā)射遠距離的信息傳遞，這樣就可以實時對患者進行檢測和保護，而創(chuàng)建非有線網(wǎng)絡、檢測和保護主機傳遞信息的工作則由網(wǎng)絡協(xié)作調節(jié)器來負責，調控心電信息的收集和轉移置換則由終端節(jié)點來完成，最后，通過主站的心電監(jiān)測程序來反映出病人心率這類信息。

圖2 心電監(jiān)測保護系統(tǒng)分層體系圖

3 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)硬件與軟件設計

主站是這個心電監(jiān)測和保護系統(tǒng)中最重要的部分，它大體上負責集中監(jiān)測所有移動儀器上的心電信息、及時準確的分析、貯存、重播、打印相關信息以及監(jiān)控所有設備上系數(shù)的工作，為了更好的發(fā)揮主站的作用并實現(xiàn)有效的通信，在硬件系統(tǒng)方面，選擇了由韓國三星研發(fā)的53C2410A處理器，這一處理器的內部核心是ARM920T，這一處理器是一個性能強大的微型控制器，它配備了適用于各種設備的接口，從而大大減少了所有設備的能量消耗，該主站的中心是53C2410A，同時可以拓展16MB內存的SD RAM以及32MB內存的Nand Flash芯片，同時以FO接口接入指示燈、鍵盤和液晶顯示屏這些硬件設施；配備了可以跟電腦傳遞信息的USB 2.0接入口；通過CC2430無線模塊完成同路由器之間的信息傳遞（具體參照圖3）。

uC/os-II實時操作形式被移動放置于53C2410A里，這樣就能更好地對患者進行實時監(jiān)測和保護，從而保證了系統(tǒng)研發(fā)的時效性和安全性，參見圖4內容。

圖3 監(jiān)護系統(tǒng)主站的硬件體系

3.2 定位算法

最小值二乘來進行測量距離并且定位的計算方法被用在本文的計算中，通過這種算法把傳入主站的數(shù)據(jù)中不小于3的一般信標數(shù)值的大體位置估算出來，從而確定其位置，等其位置確定了就可把它看做是一個信息標記的節(jié)點，詳細的操作過程即是：我們假設心電監(jiān)測保護系統(tǒng)里一個二維范圍里存在n個超波感應器的節(jié)點，把信息標示節(jié)點用坐標點A1（x1，y1）...An（xn，yn），一般的節(jié)點坐標用（x，y）標注，一般節(jié)點與信息標示節(jié)點之間線段用r1...rn表示，這樣我們就得到了這樣三個線性方程式EX=a（1）

圖4 監(jiān)護系統(tǒng)主站的軟件結構

線性方程組建立后，代入（4）式，就可以確定出普通節(jié)點的大體位置。

路由器的作用大體就是把心電信息由設備終端傳輸?shù)街髡?，因此它就成了這個監(jiān)護系統(tǒng)的中樞節(jié)點，在路由器的選擇上，用了比較經(jīng)濟實惠的PIC18LF8722微型控制器與非有線模塊CC2430的組合，在軟件方面，因為監(jiān)測保護系統(tǒng)中的距離測算方法是用最小值二乘的算法，這樣所有的節(jié)點就僅維系它們需求的路由，而傳遞信息過程中沒有到達指定節(jié)點路由則由沒有需要的節(jié)點來負責，這樣就保證了所有可動的節(jié)點之間建立起智能動態(tài)的逐層跳動的路由，路由的流程參見圖5。

3.3 無線節(jié)點電路設計

無線節(jié)點主要由負責協(xié)調、移動與收取數(shù)據(jù)的三種節(jié)點組成。

從上面的圖6看出，協(xié)作調節(jié)器節(jié)點的主體是CC2430無線模塊，就是通過它來實現(xiàn)信息收入節(jié)點與移動節(jié)點的位置劃分，進而由這些位置來完成信息在各個節(jié)點間的交互傳播。

在上面圖7中，信息收入節(jié)點的主體也是

圖5 路由算法流程圖

圖6 協(xié)調器節(jié)點框圖

圖7 數(shù)據(jù)接收節(jié)點框圖

CC2430無線模塊，其工作就是負責Zigbee非有線信息包的收入。

圖8 移動節(jié)點框圖

如圖8，由于本系統(tǒng)需要提供定位病人的功能，因此移動節(jié)點選擇了CC2431這款帶硬件定位引擎的Zigbee芯片。

3.4 終端設備

因為終端設備會與患者的身體直接接觸，所以我們要求設備盡可能的產(chǎn)生最少的輻射、消耗最少的能量并且不輕易被外界干擾，終端設備平臺的主體由CC2420和TI公司生產(chǎn)的MsP430處理器構成符合能量耗損非常低的需要，它在實時監(jiān)控狀態(tài)下的電流只有8mA，同時還用傳播感應器把終端設備同患者聯(lián)系在一起，擴大、濾波和轉換從患者處采集的心電訊息，然后將會在固定的時間把這些處理過的信息傳輸?shù)铰酚善鳎?jīng)路由器最后發(fā)送至主站；在未發(fā)送心電訊號的模式下，CC2430的能量消耗非常少，從而減少終端設備的能量耗損并且減少對患者身體的影響，終端硬件的體系參見圖9。

4 實驗結果

在Zigbee基礎上建立的非有線傳播感應器網(wǎng)的心電監(jiān)測保護體系具有能量消耗少、抗干擾能力強和安全性高的特點，它可把整個體系的能量消耗及設備對患者身體的輻射影響實現(xiàn)最小化，這樣就能確保系統(tǒng)以最佳的狀態(tài)來完成處理信息和收集數(shù)據(jù)等任務，實驗在三個病房的區(qū)域里建立了這樣的心電監(jiān)測保護系統(tǒng)：三個病房各自配備一個終端設備，同時在整個范圍內設置一個路由器，主站設施則被放在監(jiān)測保護室里，按照上述規(guī)劃的結構系統(tǒng)，信息的收集由100Hz的八位刀D的轉移置換器來完成，同時它也分別從移動終端與主站系統(tǒng)里采集相關心電波信息，參見圖10與圖11，將這兩個圖的信息進行比較，我們發(fā)現(xiàn)心電波信息在通過監(jiān)測保護系統(tǒng)之后并沒有明顯的變化，只能看到某些區(qū)域因系統(tǒng)在傳遞信息過程中沒有按時發(fā)出信號而引起的不明顯的震動。

圖9 終端設備硬件體系

圖10 終端設備獲取的心電信息

圖11 主站設備收取的心電波信息

實驗檢測這一系統(tǒng)的原型機的結果證明，這一設計可以很好地抵抗外界干擾，同時具有75m的最遠輸送距離和250KB/S的高輸送率，已經(jīng)滿足了實驗前的要求設定，未來可能會被更多的應用。

5 結語

與以往的監(jiān)測保護體系的模式不同，在Zigbee基礎上建立的模式的設計概念是對患者進行非固定的監(jiān)測和保護，同時它的微型處理器的價格也比較合理，其采用的CC 2430無線模塊也具有能量損耗少、糾正錯誤能力強等特點；另外，系統(tǒng)內部心電信息的傳遞是采取最小值二乘的方法來確定位置的；最后，在完成了設計原型機的臨床檢測之后，我們得出此設計不但安全可靠而且可以很好地抵抗外界的干擾，據(jù)了解，該系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)處在臨床的試驗這一階段并且一直保持良好的工作狀態(tài)，事實再次說明Zigbee非有線傳播感應器網(wǎng)絡系統(tǒng)石可以被用在遠距離心電監(jiān)測保護系統(tǒng)中的。

［1］ 王珊珊，殷建平，蔡志平，等.基于RSSI的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點自身定位算法［J］.計算機研究與發(fā)展，2008，45（1）：385-388.

［2］ 孫鳳池，宋萌，劉光.一種無線傳感器信號衰減自適應測距模型［J］.智能系統(tǒng)學報，2012（3）：213-215.

［3］ 田福英.便攜式心電監(jiān)護系統(tǒng)中心電信號的實時分析方法設計［J］.中國醫(yī)學物理學，2012（2）：3143-3145.

［4］ 王國，袁恒新，伊永菊，等.危重監(jiān)護與輸液控制診療體化系統(tǒng)-基于CAN總線的監(jiān)護輸液基站［J］.中國醫(yī)學物理學，2014（1）：4681-4686.

［5］ 田福英，沈鐵明，劉博宇.基于藍牙傳輸?shù)氖謾C心電監(jiān)護系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.中國醫(yī)學物理學，2013（4）：4303-4305.

［6］ 杜月林，石欣然，王克寒.基于zigbee技術的室內定位系統(tǒng)算法研究及實現(xiàn)［J］.計算機技術與發(fā)展，2014（2）：1-8.

［7］ 董珍珍，楊云.淺析zigbee技術及其應用［J］.科技視界，2012（24）：209-211.

［8］ 曲振寧.基于zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計及其在遠程健康監(jiān)護中的應用［D］.長春：吉林大學，2006.

［9］ 金純，羅祖秋，羅鳳.等.Zigbee技術基礎及案例分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

責任編輯：吳旭云

Research and Design of ECG M onitoring System of NeW ZigBeeW ireless Sensor NetWork

LIJianshe，ZHANG Youneng
（Anhui Vocational and Technical College of Industry and Trade，Huainan 230007，China）

The existing cable ECGmonitoring and Protection system has the disadvantages that the connection is comPlex，shift is not easy and exPansion is bad，etc.The ECGmonitoring system based on network is Put forward in order to solve these Problems.After the collection of ECG signals and study on the circuit diagram，this PaPer further exPlores the analog digital conversion and the regulation of network nodes，designs the system of Zigbee network to ultimately realize research ofmonitoring software.ExPeriments show that the system is relativelymore flexible and can be better extended，and ECGmonitoring can bemore convenient.

ECG；Zigbee；A/D conversion；wireless network

TP29

A

1009-3907（2015）06-0024-06

2015-04-14

安徽教育廳自然科學研究項目（KJ2013Z014）；安徽教育廳自然科學研究項目（KJ2013B037）

李建設（1974-），男，安徽碭山人，講師，主要從事電路與系統(tǒng)方面研究；張友能（1973-），男，安徽銅陵人，副教授，碩士，主要從事微機測控技術和物聯(lián)網(wǎng)技術方面研究。