基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统_技术

　　为了实现医疗设备的微型化、医疗监护的无线化，设计基于ZigBee 可穿戴传感器的医疗监护系统，它能够扩大病人的活动空间，减轻监护人员的工作强度，降低医疗费用。系统采用病区/监护中心两层结构，利用可穿戴传感器采集病人体温、脉搏等生理参数，数据经过处理后送至无线通信模块，最后由ZigBee 无线网络传输至监护中心。经过实验获得了病人生理参数，并与传统测量结果进行了对比。结果表明，系统稳定、可靠，很好地实现了病人生理参数的采集、传输和显示，符合设计要求。

　　0 引言

　　随着科学技术的发展，医疗卫生事业也取得了很大的进步，但目前医院的大部分医疗设备仍是基于传统的有线方式，接线繁杂、体积笨重，设备不便于移动，也不利于远程 *** 作。同时，众多附于病人身体的设备探头，会造成病人的紧张情绪和心理负担，使得检测结果与真实情况存在一定偏差，影响病情的准确诊断。针对目前大部分医疗设备接线繁杂、功能单一的问题，本文设计了基于ZigBee 技术的可穿戴传感器监护系统，可穿戴传感器采集病人生理参数后，由ZigBee网络传输至监护中心，供工作人员进行进一步分析。

　　1 ZigBee 简介

　　ZigBee 是一种无线通信技术，其协议基于IEEE802.15.4 标准。该协议的结构从下到上分别为物理层（ PHY）、媒体访问控制层（ MAC）、传输层（ TL）、网络层（ NWK）和应用层（ APL）。目前，比较成熟的短距离无线通信技术，包括红外（ IrDA）、蓝牙（ Bluetooth）、Wi-Fi 等，都有自己的优点和应用领域。但针对医疗监护领域，ZigBee 有着无可代替性，其最大优势在于组网方便，可以实现多个网络节点管理，且网络规模极大，完全能够满足对若干病人进行监护和管理的要求。

　　2 系统结构

　　监护系统采用病区/监护中心两层结构，分布在病区的可穿戴传感器利用敏感元件采集病人生理参数，通过ZigBee 无线网络将数据发送给网络协调器，然后协调器将接收的数据传输至与之相连的上位机，系统架构见图1。

　　图1 系统架构

　　3 系统硬件设计

　　系统硬件主要由无线传感器、网络协调器和上位机三个部分组成。无线传感器负责采集病人生理参数和数据发送；网络协调器负责数据接收以及与上位机通信；上位机负责数据显示。

　　3.1 无线传感器

　　如图2 所示，无线传感器主要包括敏感元件、数据处理模块、无线通信模块和电源模块。敏感元件负责采集病人生理参数；数据处理模块负责对采集信号进行预处理，以符合单片机对输入信号的要求；无线通信模块由51 单片机和射频芯片组成，负责整个传感器的任务分配与调度、数据整合与传输等。

　　图2 无线传感器结构图

　　3.1.1敏感元件与数据处理模块

　　本系统集成了多种医疗监护传感器，可以测量体温、脉搏、血氧、血压等生理参数。限于篇幅，本文以脉搏为例，阐述整个系统的工作原理和设计方法。脉搏测量的基本原理是：人体组织（手指）的半透明度会随着心脏的搏动而发生周期性的改变。当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小；当血液回流回心脏，组织的半透明度增大。因此，本系统的脉搏采集模块用红外发射二极管产生的红外线照射到手指，然后用另一侧的接收三极管来捕捉通过手指的光信号强度，接收管的反向电流与发射管的光照强度成线性关系，这样可以把光信号转换成电信号（电流）。

　　信号采集使用的敏感元件是红外发射二极管IR928－6C 和与之配对的光敏三极管PT928－6C，具有低工作电压、高稳定性、高可靠性等特点。如图3 所示，通过电阻R16 将流过二极管的电流控制在20 mA左右，根据接收的光信号强度转换成电流（ mA 级），通过负载电阻R17 转换成电压，人体脉搏大概是50 ～200 次/min，对应的频率约为0.83 ～ 3.34 Hz，属于低频信号，电路中采用R17 和C14 来完成滤除高频干扰的任务。

　　图3 信号采集电路

　　由于人体电信号具有阻抗高、信号弱、频率低等特点且处于严重的背景噪声之中，因此需要对采集转化的电信号进行预处理，这既为了保证信号最大程度的保真性，也方便后续进一步的数据处理。

　　如图4 所示，数据处理电路包括信号滤波放大和整形两个环节。

　　图4 数据处理电路

　　滤波放大环节中，首先使用C15、C16 背靠背串联组成的双极性耦合电容构成一个简单的光电隔离电路，实现对于外部干扰光线的隔离并设计了由LM324A、R18、C17 组成的低通滤波器，截止频率约为，可进一步去除高频干扰信号。由于采集转化的脉搏电信号（电压）比较小，一般在mV 级，通过R18 和R23 构成的放大器把采集的脉搏信号放大200 倍左右，已达到V 级。

　　整形环节中，信号通过比较器LM324B 将正弦波转换成方波，利用R30 电位器可以实现将比较器的阈值调定在系统工作电压范围内。接下来，从LM324B 的引脚输出的方波信号经C19、R25 构成的微分电路处理成为正负相间的尖脉冲。LM324D 提供参考电压，再经过LM324C 之后就变成系统所需的标准脉搏脉冲信号了。最后将脉冲信号送到无线通信模块。

　　3.1.2 无线通信模块

　　无线传输模块采用TI 公司的高集成度的片上系统（ System on chip，SOC）芯片CC2530，其内部集成了1个高性能的ＲF 射频收发器和1 个增强型的低功耗8051 微控制器内核，它具有较远的数据传输距离和较强的抗干扰能力。8051 作为基础芯片，价格低廉，这样就大大降低了产品研发的难度和成本；同时，可以用C51 程序代码进行软件的开发，这样也就极大地缩短了产品研发的周期。

　　3.1.3 电源模块

　　电源模块为可穿戴传感器提供能量。受体积限制且设备不能频繁更换电池，必须采取一系列有效措施降低能耗，以保证医疗节点具有较强的续航能力。锂电池自放电率低，放电电压平缓的特点符合系统对电源的要求，故采用可充电的锂电池对可穿戴传感器供电。但系统正常工作时，数据处理模块工作电压是3.3 V，传感器工作在5 V，电源需要经过电压转换后才能应用到系统中。在电压转换中，利用MC7805 稳定输出5 V 电压，利用AMS1117 稳定输出3.3 V 电压。如图5所示。