王雪靜

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 醫(yī)學(xué)院，鄭州 451100)

1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用概述

1.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是按照層順序堆疊的多模塊集合，每個模塊所起的作用是為上一級模塊提供服務(wù)，全部過程由數(shù)據(jù)實體傳輸數(shù)據(jù)，完成服務(wù)指令。而其余功能均由管理實體負責(zé)，還有服務(wù)實體來實現(xiàn)對上級提供接口，通過與接口接入各模塊，完成各模塊對應(yīng)的功能。ZigBee協(xié)議棧的分層結(jié)構(gòu)決定這些數(shù)據(jù)只能在相鄰的層級之間實現(xiàn)流動。分層結(jié)構(gòu)的設(shè)計基于標準的開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)參考模型，結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議特點，由IEEE802.15.4規(guī)范物理層和介質(zhì)訪問控制層構(gòu)架。ZigBee深刻闡述了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的構(gòu)架，指出應(yīng)用層主要包含了應(yīng)用程序?qū)ο?、ZigBee設(shè)備和應(yīng)用程序支持子層。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的物理層分別由2.4GHz高頻率層、868MHz和915MHz低頻率層兩種不同頻率組成，低頻率層主要在美國使用，高頻率層在全球范圍內(nèi)通用。

1.2 ZigBee設(shè)備類型及拓撲結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)調(diào)器在不同的ZigBee網(wǎng)絡(luò)均具有一大特點，即唯一性。ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以通過網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。在此過程中完成網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間的連接工作，使不同的網(wǎng)絡(luò)之間能夠保持正常通訊狀態(tài)。ZigBee路由器在通信設(shè)備之間起到路徑搭建的作用，并能保證路徑上數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，通過調(diào)整拓撲的網(wǎng)狀或樹型結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)功能的擴展。需要注意的是，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，星型結(jié)構(gòu)被禁止使用。ZigBee終端設(shè)備主要負責(zé)完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的功能，該設(shè)備具有低功耗的特點，一般情況下只需要完成該網(wǎng)絡(luò)中既定的目標。

1.3 ZigBee技術(shù)特點

與GPS、藍牙等無線傳輸技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)具有省電且傳輸速率低的特點，其傳輸速率一般為10kbps～250kbps之間。可以充分滿足低速率傳輸速率的應(yīng)用設(shè)計，在工作狀態(tài)下，ZigBee技術(shù)發(fā)射功率只有1mW，并且ZigBee在不工作時可以調(diào)整到休眠模式。ZigBee網(wǎng)絡(luò)耗電量相對較少，兩節(jié)五號電池就可以滿足ZigBee設(shè)備較長時間的使用。當前，ZigBee協(xié)議對使用者是完全公開免費的，且ZigBee模塊的成本較低，極大降低了無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)成本，使研發(fā)經(jīng)費可以更多應(yīng)用在其他部分的優(yōu)化與創(chuàng)新。激活休眠狀態(tài)下的ZigBee模塊只需要15ms，ZigBee模塊在通信中的時延也只有15ms，有利于無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)的精細操作和反應(yīng)時間的控制。搭建ZigBee網(wǎng)絡(luò)中具有一個主節(jié)點和若干個字節(jié)點，一個主節(jié)點可以組成多達65 000個節(jié)點的大網(wǎng)絡(luò)，ZigBee具有龐大的網(wǎng)絡(luò)容量，以滿足無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)使用需求。

2 基于ZigBee的無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

在設(shè)計ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)時，要使系統(tǒng)能在遠程范圍內(nèi)對病房內(nèi)病患的身體狀況進行監(jiān)測。既要求其獨立于其他醫(yī)療設(shè)備，還需要防止受到或產(chǎn)生電磁干擾。對于無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)需要建立數(shù)據(jù)采集終端，且該終端的電源系統(tǒng)是獨立的，主要是為了避免通訊設(shè)備的接引電源出現(xiàn)供電不足的現(xiàn)象。由于ZigBee設(shè)備在設(shè)計中實現(xiàn)了低能耗，因此，需滿足數(shù)據(jù)傳遞終端獨立電源的要求。ZigBee網(wǎng)絡(luò)一般是由傳感器收集人體健康信息，再由上位機傳遞給監(jiān)控中心主機，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測病患的身體特征。

2.1 無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)

建立起基于ZigBee技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)后，各監(jiān)測傳感器離散分布于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，并按照既定的ZigBee協(xié)議完成設(shè)備與設(shè)備之間信息傳遞工作，達到實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。該?shù)據(jù)傳輸方式低能耗且高效率，這些設(shè)備一部分具有信息采集節(jié)點作用，一部分承擔(dān)信息匯聚節(jié)點作用，還有一部分承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點功能。在基于ZigBee技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)中，按層級構(gòu)架組網(wǎng)，從上至下分別由監(jiān)控主機、上位機以及ZigBee無線傳感網(wǎng)組成，屬于典型的樹形拓撲結(jié)構(gòu)。在底層分布著路由器節(jié)點和各傳感器終端節(jié)點，監(jiān)控中心與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間使用上位機連接。監(jiān)控中心將獲取到的信息通過自帶的傳輸系統(tǒng)傳遞給上位機，上位機將數(shù)據(jù)打包傳遞給ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

2.2 無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

在基于ZigBee技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建立、控制命令發(fā)送的功能。路由器和終端節(jié)點將溫濕度、電壓/電流值等不斷傳遞給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過RS-232串口與上位機相連。其中，RS-232接口是PC機常用的通信接口，將機房內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀態(tài)傳送給上位機。天線作為IEEE 802.15.4和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議框架下無線通信的關(guān)鍵設(shè)備，可以將其看作為無線電磁波的入口和出口。在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，天線的輻射網(wǎng)絡(luò)要求為全向，一般情況下使用倒F天線和折疊偶極子天線。

2.3 無線醫(yī)療檢測系統(tǒng)中硬件部分的設(shè)計

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

的無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。主要設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)和外圍設(shè)備兩大部分，具體包括三大模塊：數(shù)據(jù)/傳輸模塊、傳感器，模塊和電源模塊。數(shù)據(jù)處理/傳輸模塊一般選取CC2430芯片，既可以兼容8051內(nèi)核，也可以兼容ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，而且具有穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢。無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器又分為溫度傳感器、濕度傳感器、熱釋電紅外傳感器和壓力傳感器等4個傳感器。電源模塊主要選用能耗低，電壓低的電源芯片，能有效降低硬件系統(tǒng)運行中的電消耗量。

無線醫(yī)療檢測系統(tǒng)必須具備定位系統(tǒng)并能準確獲取移動節(jié)點的位置信息，快速將信息傳遞給相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。無線醫(yī)療檢測系統(tǒng)的定位系統(tǒng)根據(jù)不同功能，將各硬件節(jié)點分為移動節(jié)點、參考節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點三大類，一般是被檢測者的移動終端中安裝定位信息發(fā)射源，系統(tǒng)通過各節(jié)點之間信息的傳遞和處理，確定被檢測者的位置，然后采集相關(guān)信息數(shù)據(jù)。

無線醫(yī)療檢測系統(tǒng)的前體模塊是數(shù)據(jù)處理/傳輸模塊，為整個檢測系統(tǒng)提供大量數(shù)據(jù)，保證監(jiān)測系統(tǒng)能夠全面檢測人體各項指標?；谌梭w健康檢測系統(tǒng)的特點，數(shù)據(jù)采集模塊選取的主要控制芯片必須具備能耗低、可靠性高和運行速度快等特點。該芯片能采集人體體溫、脈搏次數(shù)等多個人體生理參數(shù)。以MSP430F449單機片為例，如圖2所示。該單片機是一種低功耗的16位單片機，具有IO多、資源量多、儲存空間大等特點，能方便資源擴容，優(yōu)化MSP430單片機仿真調(diào)試功能。如圖2所示，MSP430F449單機片芯片中，XTAL1和XTAL2主要起到時鐘脈沖功能作用，能保證整個系統(tǒng)定時啟動或完成某項工作。JTAG口為整個模塊提供調(diào)試接口和下載接口，整個單片機還含有4大模塊，完成溫度采集、脈搏采集、數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)等工作。單片機將采集到的信息完整的通過窗口傳遞至ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳感器上。經(jīng)過處理后根據(jù)通信協(xié)議傳遞至控制終端進行處理并記錄數(shù)據(jù)，為人體健康情況提供數(shù)據(jù)參考。

圖2 MSP430F449結(jié)構(gòu)圖

脈搏與人體心臟跳動頻率一致，正常成年人的脈搏頻率范圍是60～100次/min，平均約為72次/min。老年人相對慢一些，睡眠、運動和激烈的情緒變化也會影響脈搏頻率。脈搏檢測也是評估人體健康狀況的一項指標。MSP430F449單機片芯片中，脈搏測量模塊主要是該芯片中含有透射式光電脈搏傳感器。傳感器中同時包含紅外發(fā)射二極管和紅外接收二極管，在測量被測者脈搏時，只需要被測者將手指縫在紅外發(fā)射二極管和紅外接收二極管中間即可開始測量。紅外發(fā)射二極管主要是將電能轉(zhuǎn)化成紅外光，紅外接收二極管主要是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。紅外光透過人手指時，系統(tǒng)經(jīng)過手指的透光度數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算機分析確定人體的脈搏信號。手指的透光度越低，說明人體的脈搏值越高，因為燈紅外光透過手指時，手指中脈搏震動帶動血液吸收一部分紅外光，震動頻率越高，吸收越多。因此，光敏二極管的信號輸出，能夠間接反映人體脈搏值的變化情況。

無線收發(fā)模塊也是無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)的重要模塊之一。經(jīng)過多典型通信芯片參數(shù)對比之后，確定ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸芯片是CC2530型號芯片。如表1所示，該芯片有多個不同的儲藏空間，性能高、能耗低，能有效節(jié)省成本。CC2530型號芯片有4大功能，微控制器功能能以128KB編輯閃存，支持在線仿真調(diào)試，開發(fā)期短。超低功耗，可以調(diào)節(jié)電流，切換工作模式達到性能與功耗平。RF/布局功能，抗干擾能力強，輸出功率可以控制，不需要借助外圍器維持芯片功能。片內(nèi)外設(shè)含有21個IO引腳，2個串口，AES協(xié)處理器，8路12位ADC，內(nèi)置溫度傳感器，電池監(jiān)視器，數(shù)字化RSSI/LQI，看門狗，5通道DMA，IEEE 802.15.4 MAC定時器，通用定時器，32-k Hz睡眠定時器，硬件支持CSMA/CA，IR發(fā)生電路。

表1 典型通信芯片參數(shù)比較表

3 無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

基于ZigBee技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)，在軟件設(shè)計過程中需要充分考慮到數(shù)據(jù)采集和串口通信的功能。為減少系統(tǒng)研發(fā)中的工作量，一般將SimpleApp程序作為IAR集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計的模板，還需要建立SerialAPP程序。在系統(tǒng)的應(yīng)用層軟件設(shè)計中，需要合理安排各協(xié)調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用層的程序功能排布結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)液晶屏中顯示系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀，并接受上位機的命令信息和參數(shù)配置信息，將系統(tǒng)在運行過程中收集到的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，以特定的格式經(jīng)過應(yīng)用層傳輸給上位機。上位機通過串口處接收的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街械南鄳?yīng)節(jié)點處，并從節(jié)點處得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的串口。 終端節(jié)點系統(tǒng)應(yīng)用層程序需要接收來自協(xié)調(diào)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，也通過移動終端節(jié)點傳輸出其他數(shù)據(jù)。終端節(jié)點系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐渲眯畔?，也接收?shù)據(jù)采集模塊。傳輸過來的采集信息和設(shè)備參數(shù)信息，將信息打包轉(zhuǎn)化成特定的格式，送至協(xié)調(diào)器。信息包中還包含了遠程病房中的環(huán)境相關(guān)信息，由此可見，整個系統(tǒng)還包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集功能。在建立基于ZigBee技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)時，將各數(shù)據(jù)采集節(jié)點納入到整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，實現(xiàn)在顯示模塊中呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息、采集到的數(shù)據(jù)和傳感器終端節(jié)點信息，并根據(jù)實際需要增添按鍵模塊。

檢測系統(tǒng)在采集到人體相關(guān)參數(shù)并經(jīng)過處理以后，將信息保存或發(fā)送到各大終端。當新的數(shù)據(jù)加入時，需要建立新的網(wǎng)絡(luò)，一般是調(diào)用NLME-NETWORK-FORMATIO.request實現(xiàn)，整個程序設(shè)置過程不需要引進其他網(wǎng)絡(luò)終端。如果在移動終端加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，一般發(fā)生在新的節(jié)點上。新節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，可以調(diào)用NLME-PERMIT-JOINING.Request原語完成，一旦調(diào)用成功，網(wǎng)絡(luò)會自動接入到應(yīng)用層，從而達到加入新數(shù)據(jù)源的目的。無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)的軟件需要具備操作簡單、靈活性高、數(shù)據(jù)傳輸速度快等特點，盡可能做到數(shù)據(jù)傳遞過中通過的節(jié)點少，數(shù)據(jù)量損失小，最大程度地保證數(shù)據(jù)的完整度。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的無線通信技術(shù)融入到我們的實際生活當中。通過將無線通信技術(shù)與教育、醫(yī)療、娛樂等多個領(lǐng)域的有效融合，逐步提升人們生活的便利化程度。在這個方面，遠程醫(yī)療有著舉足輕重的作用?；赯igBee技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可以節(jié)約人力物力、提高工作效率、改善醫(yī)療環(huán)境，也可以發(fā)展成為共享型的醫(yī)療資源。