（通信与信息系统专业论文）基于zigbee的低功耗远程医疗监护系统.pdf

硕士学位论文 摘要 远程医疗是最近几年新兴的一门综合性学科，它横跨医学、计算机科学、通 信工程等多个领域，把最先进实用的科学技术应用于医学领域，随着人们日益提 高的健康保健要求而得到了迅速的发展，并显示出广阔的发展前景。 人们对自身健康状况的及时了解，可以对重大疾病做到提早预防和相应治疗， 减轻家庭和社会的经济压力，有助于提高人们的生活质量，维护社会的和谐和稳 定。 本文选择对脉搏信号和体位体动信号进行监测，对这些重要生理参数的检 测，原来只能通过床旁监护装置在专业医院和专业医护人员的帮助下进行，限制 了被测者的活动空间，而且花费昂贵。随着近距离无线通信技术的发展，开发低 功耗、低成本的便携式监护装置势在必行。 基于以上背景，在通信技术日新月异的科技环境下，本文基于z i g b e e 技术开 发了一个便携式的生理信号监测仪，对脉搏和体位体动信号通过无线方式进行传 输，并在p c 机上对这些生理信号做了进一步的分析和处理，尤其是对跌倒算法的 判断达到了很高的正确率，对远程医疗做了初步的尝试。 本论文主要工作和研究内容如下： ( + 1 ) 设计了基于c c 2 4 3 0 的脉搏信号采集装置和体位体动信号采集装置； ( 2 ) 基于z i g b e e 的无线传输系统，能够实现所需生理信号的实时采集、传输、 显示和存储，使用方便； ( 3 ) 信号调理电路中对采集的人体脉搏信号进行了放大、低通滤波等处理，进 一步提高了脉搏波形图的质量； ( 4 ) 软件方面，实现模拟信号到数字信号的转换，以及信号的传输和显示； ( 5 ) 在l a b v i e w 开发环境中实现了采集数据的实时显示，便于直观观测； ( 6 ) 在m a t l a b 环境中对采集的不同跌倒类型的加速度信号进行了算法实现，较 准确的判断了跌倒的发生和跌倒的类型。 关键词：远程医疗；z i g b e e ；脉搏信号；跌倒；加速度信号；信号分析 基于z i g b e e 的低功耗远程医疗监护系统 a b s t r a c t t e l e m e d i c i n ei sa ne m e r g i n gc o m p r e h e n s i v ed i s c i p l i n ei nr e c e n ty e a r s i ts t r e t c h e s a c r o s s m a n yd o m a i n s ，f o re x a m p l e ，t h em e d i c i n e ，t h ec o m p u t e rs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , t h ec o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n ga n ds oo n t h em o s t a d v a n c e d a n d p r a c t i c a l s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yw e r e a p p l i e d i nt h em e d i c a lf i e l d w i t ht h e e v e r - i n c r e a s i n go fp e o p l e sh e a l t hc a r ed e m a n d s ，t h et e l e m e d i c i n eh a sb e e nd e v e l o p e d r a p i d l ya n ds h o w sab r o a dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t s p e o p l ec a nd oe a r l yp r e v e n t i o nm e a s u r ea n dt h ec o r r e s p o n d i n ge f f e c t i v et r e a t m e n t t ot h es i g n i f i c a n td i s e a s et h o u g ht h eu n d e r s t a n d i n go ft h e i rh e a l t hs t a t e t i m e l y i t h e l p st or e d u c et h ee c o n o m i cp r e s s u r e so nt h es o c i a la n dt h ef a m i l y , t oi m p r o v e p e o p l e sq u a l i t yo fl i f e ，t om a i n t a i nt h es o c i a lh a r m o n ya n ds t a b i l i t y i nt h i s a r t i c l e ，w ec h o o s et h ep u l s es i g n a la n dt h ea c c e l e r a t i o ns i g n a la s m o n i t o r i n gt a r g e t s t oi m p o r t a n tp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r se x a m i n a t i o n ，t h eo r i g i n a l m e a s u r ew a sp r o c e e d i n gb yb e d s i d em o n i t o r i n gd e v i c e si ns p e c i a l i z e dh o s p i t a la n d u n d e rt h es p e c i a l i z e dm e d i c a lp e r s o n n e l sh e l p ，h a sl i m i t e dt h es p a c ef o rp e o p l e ， m o r e o v e r , s p e n te x p e n s i v e l y w i t h t h ed e v e l o p m e n to fs h o r t - d i s t a n c ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , d e v e l o p st h el o w - p o w e ra n dl o w - c o s tp o r t a b l em o n i t o r i n g d e v i c e si si m p e r a t i v e b a s e do nt h ea b o v eb a c k g r o u n d ，i nt h ee n v i r o n m e n to ft h ee v e r c h a n g i n gi n c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h i sa r t i c l eh a sd e v e l o p e dap o r t a b l ep h y s i o l o g i c a ls i g n a l m o n i t o r i n gd e v i c eb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y t h ep u l s es i g n a la n da c c e l e r a t o r s i g n a la r et r a n s m i t t e dt op cw i r e l e s s l y t h e nt h ef u r t h e ra n a l y s i sa n dp r o c e s so ft h e s e p h y s i o l o g i c a ls i g n a l sw e r em a d eo np c i ti sw o r t ht om e n t i o nt h a tt h ec o r r e c tr a t eo f a l g o r i t h mo nf a l lo c c u r r e dj u d g m e n ti sh i g h i th a sm a d eap r e l i m i n a r ya t t e m p tt ot h e t e l e m e d i c i n e t h ep r i m et a s k sa n dr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w eh a v ed e s i g n e dt h ep u l s es i g n a la n dt h eb o d yp o s t u r es i g n a lg a t h e r i n g i n s t a l l m e n tb a s e do nt h ec c 2 4 30 ( 2 ) t h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nz i g b e ec a nr e a l i z er e a l - t i m e g a t h e r i n g ，t r a n s m i s s i o n ，d e m o n s t r a t i o na n dm e m o r yo ft h ep h y s i o l o g i c a ls i g n a l s ，t h e s y s t e mi se a s yt oo p e r a t e ( 3 ) i nt h es i g n a lr e c u p e r a t i o ne l e c t r i cc i r c u i t ，t h ep u l s es i g n a lw a se n l a r g e da n d l o w - p a s sf i l t e r e d t h i sm e t h o di m p r o v e dt h eq u a l i t yo fp u l s eo s c i l o g r a m ( 4 ) i nt h es o f t w a r ea s p e c t ，t h es y s t e mh a sr e a l i z e dt h ea da n dt h es i g n a l s t r a n s m i s s i o na n dd e m o n s t r a t i o n 硕士学位论文 ( 5 ) t h i ss y s t e mh a sr e a l i z e dt h eg a t h e r i n g d a t a sr e a l t i m ed i s p l a y i nt h e l a b v i e wd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t i ti sa d v a n t a g e o u sf o rt h ed i r e c to b s e r v a t i o n ( 6 ) i nt h em a t l a be n v i r o n m e n t ，w eh a v ed e s i g n e dt h ea l g o r i t h mt oj u d e m e n tt h e f a l lo c c u r r e da n dt h et y p eo ff a l l k e yw o r d s ：t e l e m e d i c i n e ；z i g b e e ；p u l s es i g n a l ；f a l l ；a c c e l e r a t i o ns i g n a l ；s i g n a l a n a l y s i s i i i 插图索引 图1 1 星型拓扑结构图。l l 图1 2 簇树型拓扑结构图1 1 图1 3 网型网拓扑图1 2 图2 1 系统整体结构图15 图2 2c c 2 4 3 0 内部示意图1 7 图2 3c c 2 4 3 0 硬件电路1 8 图2 4d t d 2 4 3 az i g b e e 模块引脚图。1 9 图2 5 脉搏采集平台图1 9 图2 6 脉搏信号采集端框图2 0 图2 7 脉搏信号接收端框图2 0 图2 8c c 2 4 3 0 底板图2 0 图2 9m a x 3 2 3 2r s 2 3 2 驱动电路2 1 图2 1 0c p 2 1 0 2u a r t - u s b 转接电路2 l 图2 1 1 脉搏信号调理电路图2 2 图2 1 2 + 5 v 电源模块2 3 图2 1 3 + 3 3 v 电源模块2 3 图2 1 4r s 2 3 2 转u s b 电路图2 3 图2 1 5 各节点处理流程图2 6 图3 1 上位机主界面2 8 图3 2 波形1 功能图。2 9 图3 3v i s a 示意图3 0 图4 1 不同跌倒类型的波形图4 l 图4 2 特征值e 的波形图4 l 图4 3 算法流程图4 4 i v 硕士学位论文 附表索引 表1 1 几种无线通信方式的比较。7 表1 2i e e e 8 0 2 1 5 4 定义的设备类型1 0 表1 3z i g b e e 协议的设备类型1 0 表4 11 0 号被测者四种跌倒模式的数据。3 7 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：玉稚日期：2 0 l o 年6 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：王赂 导师签名：彬祥 日期：如f d 年占月石日 日期：砒年f 月日 硕七学位论文 第1 章绪论 1 1 课题意义及国内外研究现状 1 1 1 课题意义 随着科学技术的迅猛发展，出现了越来越多的跨领域、跨学科的综合性技术， 远程医疗就是这样一门新兴技术。所谓远程医疗是指采用远程通信系统、计算机技 术为远地对象提供医疗服务的系统，即通过通信网络将远端的生理和医学信号传送 到监护中心进行分析，并给出诊断意见的一种技术手段。它是随着计算机技术、现 代通信技术的发展而发展起来的。这一系统包括远程诊断、信息服务和远程教育等 多种功能。 传统的医疗监护设备的设计，使用模式难以实现日常工作生活状态下的多生理 参数协同检测，而且这些仪器大多价格昂贵、体积庞大、不便携带，使用起来也需 要很多专业知识，仅能在医院里使用。拿心脏b b 机来说，在紧急治疗中的操作就 十分麻烦，首先必须要有患者的参与，若发病时需要报警，则需通过按下仪器上的 “记录 键，拨通医疗机构的电话与其通话，再把电话对准仪器，按下“发送”键 等一系列复杂操作才能实现。完成这样一系列操作对一个发病的患者是十分困难 的，通常会因此而延误报警。目前市场上已有的远程监护系统中，绝大多数使用的 是床旁有线监护仪，在实现监护的时候病人无法移动，限制了患者的活动空间。同 时目前已有的远程监护仪通常采用调频发射模块，还存在着发射距离有限以及频带 不足等弱点心3 1 。 伴随着现代信息技术的发展和社会的进步，人们的健康意识和保健要求的日益 增强，推动着医疗模式从以症状治疗为中j 心向以预防为主、早诊断、早治疗的模式 转变，医疗保健业日益朝着移动、无线、便利的方向发展。将无线通信技术应用于 医疗监护设备将日益成为未来市场的主流。 特别地，穿戴式生物传感系统的出现以其独具匠心的方法打破了可移动技术的 限制，实现了长达几周甚至数月的实时监护。穿戴式生理参数检测系统设计是一项 综合技术，涉及到低负荷传感、信号检测、低功耗及系统集成等多项技术，还要综合 考虑舒适性与可靠性等多个因素，其中低负荷信号检测技术最为关键，代表了当今 生物医学工程发展的前沿领域h 1 。z i g b e e 技术就是最近几年发展起来的低复杂度、 低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接啼1 。本 文研究的无线监护系统就是通过z i g b e e 技术实现生理信号的无线传输的。 基于z i g b e e 的低功耗远程医疗监护系统 在医疗领域中科学技术的应用大大提高了人们的健康水平和生活质量，人群的 期望寿命越来越高，伴随而来的人口老龄化也已经成为一个全球性的现象n 铂。老年 人口的剧增、老龄化社会结构以及老龄人的医疗保健问题已成为当前社会突出的问 题。老年人由于人体解剖组织结构的生理代谢功能等一系列变化，身体机能开始衰 退，应变能力降低，急性损伤增多，因而引发的意外跌倒事故也越来越多。 据报道，国外每年约3 0 的老年人跌倒1 次以上，8 0 岁以上老年人跌倒的年发 生率高达5 0 ，跌倒及其后果给老年人造成了巨大的身心伤害，严重影响老年人的 生活质量。跌倒也是导致老年人猝死的重要原因之一n 引。根据1 9 9 4 年日本厚生省人 口动态统计，这一年的坠落死亡几乎都是由于跌倒造成的，共有4 6 9 0 人。其中6 5 岁以上的老年人有3 0 4 6 人，占6 5 。2 0 0 3 年全球因跌倒死亡的人数为3 9 1 万人，其 中7 0 岁以上的老人占4 0 n 钔。因此，人们越来越关注老年人的健康及生活质量。如 何提高老年人活动时的跌倒预警和检测，提高老年人的健康水平，节省医疗保险开 销，是一个十分重要的医疗问题和社会问题。事实上，意外的跌倒可能引起心肌梗 塞、脑溢血等疾病的猝发，而突然地跌倒也可能是由于某些疾病，如心源性晕厥猝 发n 5 1 造成的，所以，对跌倒的检测同样适用于某些需要监护的病人和残疾人等。 另一方面，脉搏携带有丰富的人体健康状况信息，准确地检测脉搏信号可以提 早预防心血管系统疾病的发生，对诊治过程给予科学合理的指导，提高人们的身心 健康水平。 基于此，本文研究的远程医疗监护系统采用不同的传感器获取不同的生理信号 ( 如脉搏、体位体动等) ，经过滤波、模数转换等处理后，通过z i g b e e 无线传输至 上位机进行数据的分析处理。 1 1 2 国内外研究现状 医疗领域的发展过程可以分为两个阶段：过去以医院为主体的医疗保健阶段和 最近几年以社区、家庭为基础的卫生服务阶段。在以医院为主体的第一个阶段，主 要是在医院内由医生或专业的技术人员使用专业医疗仪器对病人进行生理指标的 实时监测和护理。面对疾病，临床医疗是人们应对疾病时的唯一选择，大多数患者 在日常生活中对自己的健康状况一无所知，更不要说提前预防和治疗了。现代社会， 为了减轻中心医院的负担，很多慢性病人的检测和疾病康复医疗等医疗服务已延伸 到了社区和家庭，由此带来了家庭和社区医疗监护的迅速发展n 6 1 。 家庭医疗模式免去了患者到中心医院的旅途负担，而且接受测试是在自己的家 中，环境舒适，心理压力小，测得的数据更准确。同时，可根据需要把相关的信息 通过电话或短信等方式及时通知家人或者家庭医生，也可以根据实际需要决定是否 进行紧急救护，如由社区医生上门护理等。 2 硕士学位论文 通信技术和计算机技术的发展，特别是互联网络的迅速普及为远程治疗提供了 技术平台，作为一项新的应用技术，远程医疗和远程监护在短短的时间里得到了广 泛的关注和快速的发展。 1 1 2 1 远程医疗的国内外发展现状 早期，为了监护重症病人，大多数医院采用的是电视监控的手段，这是远程医 疗的雏形。随后的2 0 世纪6 0 年代初到8 0 年代中期的远程医疗活动发展较慢，被视为 第一代远程医疗。自8 0 年代后期，伴随着现代通信技术的不断提高，相继启动了一 大批有价值的项目，声势和影响都远远超过了第一代远程医疗，因此被视为第二代 远程医疗。 在远程医疗系统的实施过程中，发展速度最快的是美国和西欧国家，采用的通 信方式大多是通过卫星通讯和综合业务数据网，在军事医学、远程咨询、远程会诊、 医学信息的远距离传输等方面取得了较大进展。 美国第一项远程医疗计划始于19 5 9 年，在相距1 1 2 英里的两所医院之间建立闭 路电视网来提供精神卫生服务。近年来，美国每年有大约有五千万次健康保健护士 家庭访问由远程家庭医疗系统代替。在以色列，s h a h a l 医疗服务公司为至少5 5 万人 次提供远程家庭医疗服务。日本在许多范围内盛行小儿在宅医疗，这对促进小儿生 长发育有重要意义。国立小儿医院自1 9 8 3 年实施在宅人工呼吸管理，在1 9 9 4 年9 月 - 1 9 9 6 年3 月，引用可视电话在宅人工呼吸监护患者有7 名。 目前世界上规模最大、覆盖面最广的远程教育和远程医疗网络是美国乔治亚州 教育医学系统中的远程医疗网络，该医学教育系统可进行有线、无线和卫星通信等 多种通信活动。美国军方为了监护士兵的呼吸、体温、心率和其它生理参数，研究 了一种人体状态监护仪专门用于战时使用。 希腊研究的监护系统安装于救护车中，与医院远程监护中心的通信是通过g s m 网络连接的，可以随时监测患者的生理数据，获得医生及时有效的指导，在遇到紧 急情况时也可以争取时间实施抢救，该系统已在许多国家投入使用，比如希腊、瑞 典、意大利、塞浦路斯等国。 欧盟组织的大型远程医疗系统推广实验中，有三个生物医学工程实验室、十个 大型公司、二十个病理学实验室和一百二十个终端用户的广泛参与，大大推动了远 程医疗的普及。日本北海道大学的一个研究小组开展了基于多种移动通信方式的远 程监护系统的研究，该研究可用在陆海空等不同的交通工具上。澳大利亚、南非、 香港等地也相继开展了不同形式的远程医疗活动。 我国是一个幅员广阔的国家，医疗水平有明显的区域性差别，特别是广大农村 和边远地区，医疗中存在非常大的困难，因此远程医疗在我国更有发展的必要。我 国远程医疗系统的发展状况总体上是比较落后的，目前的国内远程会诊的主要方式 有借助点对点的电话线和卫星通信网络等n 引。 基于z i g b e e 的低功耗远程医疗监护系统 2 0 世纪8 0 年代我国才开始远程医疗的初步探索：1 9 8 8 年解放军总医院与德国一 家医院通过卫星进行了神经外科远程病例讨论；解放军总后勤部卫生部提出了建设 遍布全军的医药卫生信息网络以及远程医疗会诊系统，即国家“金卫工程”军字2 号工程；第四军医大已研制出了一套野地远程监护系统用以军用；清华大学研制出 了采用程控电话网的心电血压家庭远程监护系统；上海大学正在研制车载监护系 统。 现在，国内已经把家庭数字医疗监护保健系统列入了国家“8 6 3 ”计划。在面 向家庭的远程医疗方面，基于i n t e r n e t 的医疗网站发展迅速，如：中国金卫网、中华 远程医疗网、明天远诊网、中华网一网上医院、新世纪保健网、新健康网络网上医 院等。这些网站都提供了比较丰富的医学信息查询功能，并有医疗专家提供医疗咨 询。近年来，在远程监护方面，国内一些单位正积极致力研究，也开发了一些产品， 如心电b b 机、心电血压远程监护系统等。清华大学白净教授l9 9 5 年领导研制出了 家庭贴心小护士系列，该研究成果已经形成产品。而我国基于社区的家庭医疗监护 保健系统的研究刚刚进入实质性启动阶段，目前在技术方面也有很多问题，用户专 用采集数据界面的设计就是远程医疗监护发展的一个瓶颈，还有网络速度，安全性 等都亟待解决。 目前，国内的远程医疗还远远没有得到普及，这是社会方方面面的原因造成的， 最主要的就是医疗费用问题，昂贵的成本使其并不适合个人使用。而事实上，最需 要远程医疗的往往是广大农村以及边远地区的患者，然而当地落后的经济根本无力 引进和发展远程医疗技术，诸多原因把这些患者挡在了远程医疗的大门之外。因而， 如何利用现有的医疗设施来开发既实际又廉价的医疗服务是当务之急。 1 1 2 2 无线监护案例介绍 美国佐治亚理工学院的智慧衫( s m a r ts h i r t ) 项目：1 9 9 6 年1 0 月，在美国海军的 资助下，美国佐治亚理工学院在世界上首先开展了穿戴式主板的研究，之后，他 们又提出了智慧衫的概念。最初研发的目的是用于战时救护，由此设计了可拔插 的传感器，大大提高了衣服的适用性，这种棉质的智慧衫可以检测多种生理参数， 例如心率、呼吸、体温等。此后，美国s e n s a t e x 公司对这项发明作了进一步的开 发，用以市场推广。 美国v i v o m e t r i c s 公司开发的生命衫( l i f e s h i r t ) ：该款生命衫可机洗，重8 盎司， 可在日常活动中记录3 0 多个生理参数( 包括呼吸、心率、体位等信息) ，是全球第 一个实现无创、连续和可移动地收集生理参数的监护系统，目前在全世界1 0 0 0 多 家医院中应用。与外围设备相连时，生命衫还可以实现血压、血氧饱和度、体温、 皮温等生理参数的测量。被测者可通过p d a 把测量数据传送到互联网上的电子数据 处理中心，随后，处理结果将以简报或波形图的形式提交给研究者或临床医生， 以便作出准确的诊断。 4 硕士学位论文 国内于2 0 0 8 年初也研制出了类似于生命衫的可穿戴式多生理参数协同监测的 系统，该系统是由解放军总医院医学工程研究室、空军航空医学研究所和军事医 学科学院卫生装备研究所的张政波、俞梦孙、赵显亮、吴太虎、郑捷文等专家研 制的。 美国麻省理工学院的m i t h r i l 项目：m i t h r i l 是一个情境感知穿戴计算平台，该 项目将构建应用于保健和通信的计算环境，开发穿戴式人机交互新技术。 欧盟的i s tf p 5 项目一a m o n ：在欧盟的资助下，多家研究机构共同开发了具 有保健和报警功能的a m o n 项目，即腕式远程医疗监护装置。该装置能够连续地 采集多个生理参数，并且能够通过智能多参数测量发现紧急情况，利用蜂窝网连 接到远端的医疗中心。 欧盟的i s tf p 5 项目一w e a l t h y ：2 0 0 2 年9 月，意大利著名纺织品生产商 m i l l o ro fp r a d o 牵头启动了w e a l t h y ( w e a r a b l eh e a l t hc a r es y s t e m ) 项目，旨在通 过纱线或纤维形式的智能传感器，现代信号处理技术以及现讯技术与织物技术的 结合，实现生理参数的连续监测。 其他的还有欧盟的i s tf p 6 项目m y h e a r t 、i s tf p 6 n m p 2 项目b i o t e x 、法国 的v t a m n 项目、德国f r a u n h o f e ri z m 开发的具有传感功能的t 恤衫等项目。 中国香港中文大学的“卫士 ( w i s s h ) 和保健衫( h s h i r t ) 项目：由香港创新 及科技基金和多家科技公司的赞助，香港中文大学生物医学工程联合研究中心研 发了可穿戴式生物传感器系统“卫士 ( w e a r a b l ei n t e l l i g e n ts e n s o r sa n ds y s t e m s f o re h e a l t h ，w l s s h ) 。该系统是由多个集成穿戴式生物医学传感器节点组成的躯 域传感网络。该中心的研究方向也非常广泛，包括了多生理参数的测量、医用芯 片设计、基于模型的生物信号处理、利用电子织物进行生理信号的检测与传输等 多个方面。 国内的赵泽等人提出一种基于z i g b e e 的传感器节点和监护基站设备的系统结 构设计，对z i g b e e 技术应用于监护领域做了一些探讨n 钆刎，上海的顺舟科技公司 也提供基于z i g b e e 的病房呼叫系统无线通信解决方案乜门。 ? 1 1 2 3 无线通信技术应用于医疗监护设备的现状 在国外，将无线通信技术应用于医疗监护设备已经取得了较大发展，而在国内 该技术尚处于起步阶段，应用也主要集中于小型的移动通信设备，但已显示出广阔 的前景心2 1 。从发展的角度来看，医疗监护终端的无线化、移动化、网络化将成为未 来市场的主流。 目前国内的监护系统主要是通过有线电缆来实现信号传输，限制了病人的活动 空间，患者在连续检测2 4 小时或更长时间时，希望能摆脱有线电缆的束缚，而低 功耗的无线监护系统可以解决这一问题。本课题就是将先进的近距离无线传输技术 应用于监护系统中，使数据的传输由有线变为无线，实现生理数据的实时采集和监 5 基于z i g b e e 的低功耗远程医疗监护系统 护的移动性旧3 | 。 随着第三代移动通信技术的发展，荷兰p h i l i p s 公司、美国g e 公司均开发了 远程心电监护仪，并提供相应的技术支持，但是该仪器不具备移动性。美国安捷伦 公司的心电图机采用的是红外接口实现打印机的无线连接，但还没有大规模使用。 德国的s m 远程监护仪仅使用了4 个电极采集端，但通信时仪器必须停止工作乜屯2 鲥。 在国内，针对无线收发模块在医疗监护领域应用的研究实例有很多。例如，许剑 等人心6 3 设计的无线监护系统，使用n r f 2 4 0 1 芯片，结合嵌入式技术与互联网连接， 实现对患者在日常生活下的远程监护；王林琳等人乜 使用无线通信模块p t r 2 0 0 0 设计的无线监护系统，黄强等人心8 3 使用无线收发芯片x e l 2 0 1 设计的无线监护系统， 取代了现有床旁监护仪；魏国良等人引基于现有设备，对床旁监护仪的输出图像采 用无线收发模块进行传输，低成本的实现了无线监护系统。这些方案虽然成本低廉、 便于集成，控制灵活，功耗低。但由于这种芯片只集成了单纯的无线收发功能，对 实现复杂的编码、纠错功能方面，或者是以特定协议组网时，需要开发者自行设计， 工作量和难度都非常大。而且，不同的开发者针对自己的系统设计不同的通信协议， 导致各个系统之间无法兼容。而z i g b e e 通信方式有规范的协议，在近距离医疗无 线监护领域有广阔的应用前景阳0 3 。 1 2 课题研究理论基础 以往的生理信号检测主要是采用有线方式，检测生理数据时需要被测者连接上 许多导线，会因此造成精神紧张，使测试数据和实际情况有偏差。而且这种方式需 要较多的接插件，功耗较大，整体设计不是那么舒适。被测者的身上的杂乱布线， 易使灰尘堆积，不利于清洁引。 常用的无线通信技术有：传统数传电台、w i f i 、移动通信、蓝牙等，它们各 自有各自的优缺点。而z i g b e e 技术是最近几年新发展起来的一种无线通信标准， 从传输速率、设备费用、覆盖距离等几个方面对这几种无线通信方式的比较如表 1 1 所示， z i g b e e 技术是专为低速率传感器和控制网络设计的无线网络协议。它涉及到 网络、安全、应用等各个方面，是一种近距离、低成本、低功耗、低复杂度、低 数据传输率的双向无线通信技术。 它具有传统无线遥测技术所不可比拟的优点： 1 ) 省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、且采用了休眠模式，z i g b e e 技术可以确保2 节五号电池使用长达6 个月到2 年左右的时间： 2 ) 可靠：采用了碰撞避免机制，预留专用时隙用于需要固定带宽的通信业务，避 免了数据发送时的竞争和冲突； 6 硕十学位论文 表1 1 ：几种无线通信方式的比较 种类传统数传电台 w i - f i 移动通信蓝牙 z i g b e e 频段 4 0 0 m h z 一2 4 g h z2 4 g h z0 8 - 1 g h z2 4 g h z8 6 8 b i h z - 2 4 g h z 传输速率 一般1 9 2 k b p s l 一11 m b p s 3 8 4 k b p sl b t b p s2 5 0 k b p s 复杂性复杂非常复杂复杂复杂简单 网络节点数无 5 08 6 5 0 0 0 网络扩展性无无依赖现有无自动扩展 网络覆盖 单点可达6 公里5 0 m可达几公里1 0 m5 0 - 3 0 0 m 覆盖距离 电池寿命数小时一数天数小时数天数天数年 联网3 秒数秒高达1 0 秒 仅3 0 毫秒 所需时间 终端高高较高低低 设备费用 安全性s s i d6 4 b i t 1 2 8 b i t1 2 0 b i ta e s 集成度低一般一般高高 和可靠性 使用成本高一般高低低 网络 无有无无 使用费用 应用范围语音、采集、控制 图像传输和数据传输 安装 难难 一般一般非常简单 使用难易 3 ) 成本低：z i g b e e 协议使用是免专利费的，且终端设备费用较低，初始成本预 计在6 美元左右，很快就将降到1 5 美元到2 5 美元之间； 4 ) 时延短：针对时延敏感的应用特别做了优化，设备搜索时延典型值为3 0 m s ， 活动设备信道接入时延为1 5 m s ，休眠激活时延典型值是1 5 m s ； 5 ) 网络容量大：z i g b c e 网络中的网络节点数可高达6 5 0 0 0 个，而蓝牙最多只有8 个，w i f i 最多有5 0 个； 6 ) 安全：采用1 2 8 b i ta e s 加密算法，提供了数据完整性检查和鉴权功能。各个 应用的安全属性可灵活确定，在低信噪比的环境下，具有很强的抗干扰性能。 7 基于z i g b e e 的低功耗远程医疗监护系统 由此可以看出，z i g b e e 是无线数据传输的革命性技术，在低功耗、低成本和组 网能力方面具有无可比拟的优势。由于无线传感器网络本身要求节点密集、节能、 方便路由等技术特点，采用z i g b e e 技术实现无线传感器节点的无线通讯是可能的。 1 2 1z i g b e e 技术协议框架 z i g b e e 的基础是i e e e 8 0 2 1 5 4 ，是i e e e 无线个人区域网( p e r s o n a la r e an e t w o r k ， p a n ) 工作组的一项标准，被称作i e e e 8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 技术标准。 1 2 1 18 0 2 1 5 的简介 i e e e 8 0 2 1 5 工作组定义了几种不同的短距离无线技术。最初短距离无线技术是 为了支持个人区域网而开发的，但是它的潜力远远不止于此。 8 0 2 1 5 1 本质上只是蓝牙低层协议的一个正式标准化版本，又称蓝牙无线个人 区域网络标准。大多数标准制定工作仍由蓝牙特别兴趣组( s i g ) 在做，其成果由 i e e e 批准。原始的8 0 2 1 5 1 标准是基于蓝牙1 1 版本的，目前多数蓝牙器件中采用 的都是这一版本。新的版本8 0 2 1 5 1 a 对应于蓝牙1 2 ，它包括某些q o s 增强功能， 完全后向兼容。蓝牙是第一个面向低速率应用的标准，但是它的市场并不太理想， 其中一个原因是受到w i f i ( 8 0 2 1l b ) 的冲击，由于w i f i 产品的价格大幅度下降，在 某些应用方面抑制了蓝牙的优势。另一个原因是为了覆盖更多的应用，使蓝牙偏离 了原来设计简单的目标，复杂的设计使蓝牙变得昂贵，不再适合那些要求低功率、 低成本的简单应用。另外，可扩展性方面也存在一些问题。 8 0 2 1 5 2 是对蓝牙和8 0 2 1 5 1 的一些改进，目的是减轻与8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 1 9 网络的干扰，研究i e e e 8 0 2 1 5 1 与i e e e 8 0 2 1 l 的共存问题，这些网络使用的都是 2 4 g h z 频段。 8 0 2 1 5 3 也称w i m e d i a ，实现高速率是它的目标。最初它针对的是消费类器材， 如电视机和数码相机等，主要考虑无线个人区域网络在多媒体方面的应用。其原始 版本规定的速率高达5 5 m b i t s ，使用基于8 0 2 1 1 但不兼容的物理层。后来多数厂商 倾向于使用8 0 2 15 3 a ，它使用超宽带( u w b ) 的多频段o f d m 联名( m b o a ) 的物理 层，速率高达4 8 0 m b i t s 。 8 0 2 15 4 也称z i g b e e ，它的设计目标是低功耗( 长电池寿命) 、低成本和低速 率。速率可以低至9 6 k b i t s ，不支持话音。 1 2 1 2z i g b e e 协议套件 完整的z i g b e e 协议套件由应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。 网络层以上的协议标准由z i g b e e 联盟制定，物理层和链路层的协议标准由i e e e 负 责制定。 1 应用会聚层主要负责把不同的应用映射到z i g b e e 网络上，具体而言包括：安 硕+ 学位论文 全与鉴权；多个业务数据流的会聚；设备发现；业务发现等。 2 网络层主要负责以下功能：拓扑结构的形成与维护，命名和关联业务等，包 含了寻址、路由和安全等多个方面，自组织、自维护，以最大程度地减少消费者的 开支和维护费用。 3 i e e e 8 0 2 系列标准把数据链路层分成l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ，逻辑链路控 制) 和m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，媒介接入控制) 两个子层。l l c 子层在i e e e 8 0 2 6 标准中定义，为i e e e 8 0 2 系列标准共用，l l c 子层的主要功能包括：传输可靠性 保障和控制；数据包的分段与重组；数据包的顺序传输。而m a c 子层协议则依赖 于各自的物理层，m a c 协议包括以下功能：建立、维护和释放设备间的无线链路； 确认模式的帧传送与帧接收；信道接入控制：帧校验；预留时隙管理；广播信息管 理等。 4 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准，分别是2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 m h z 物理层。两个物理层都基于直接序列扩频，使用相同的物理层数据包格式，但使用 不同的工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2 4 g h z 波段为全球统一 的无需申请的工业、科研和医疗( i s m ) 频段，有助于z i g b e e 设备的推广和生产成 本的降低，该频段能够提供2 5 0 k b s 的传输速率，可以获得更高的吞吐量、更小的 通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。8 6 8 m h z 是欧洲i s m 频段，该频段的 传输速率为2 0 k b s ，9 1 5 m h z 是美国的i s m 频段，传输速率是4 0 k b s ，这两个频 段的引入避免了2 4 g h z 频段附近各种无线通信设备的相互干扰。由于这两个频段 上信号传播损耗较小，因此可以用较少的设备覆盖给定的区域。 物理层协议数据单元( p p d u 的二进制数据) 依次按字节从低到高组成4 位二 进制数据符号，每种数据符号( 对应1 6 状态组中的一组) 被映射成3 2 位的伪噪声 码片( c h i p ) ，然后这个连续的伪噪音c h i p 序列采用半正弦脉冲波形的偏移正交 相移键控( o q p s k ) 调制方式被调至载波上。 相对于常见的无线通信标准，z i g b e e 协议套件紧凑而简单，提供了低复杂性、 缩减的资源要求，最重要的是它提供了一组标准的规范，其具体实现的要求很低。 1 2 2 基于z i g b e e 技术的无线传感器网络概述 z i g b e e 协议使用i e e e 8 0 2 1 5 4 规范作为介质访问层( m a c ) 和物理层( p h y ) 。 与其他无线协议相比，z i g b e e 无线协议套件紧凑而