ZigBee无线通信技术在医疗监护中的应用

1、1引言作为医学治疗的一个重要组成部分,医疗监护在现代医学治疗领域越来越受到重视。目前,医院所使用的监护系统大多使用固定的医疗监护设备,传感器采集人体生理参数,通过线缆将数据传输到监护中心。建立在线缆连接基础上的传统监护系统往往体积大,功耗大,不便于携带,限制了病人和医护人员的行动,增加了他们的负担和风险,已经越来越不能满足当今实时、连续、长时间地监测病人的重要生命特征参数的医疗监护需求。同时这种传统的医疗监护方法容易造成病人心理压力和紧张,进而影响病人身体状况,导致诊断数据与病人真实的生理状况产生一定差距,影响对病情的正确诊断。为了更好地对病人进行准确地、人性化地进行医疗监护,人们开始越来越多

2、地关注无线医疗监护技术。本文以测量人体血氧饱和度为例,提出了一种基于ZigBee无线通信协议的无线传感器网络技术的医疗监护系统解决方案。该方案可以测量血氧饱和度参数,并将测量数据通过无线传感器网络传输到监控中心,监控中心对这些生理参数进行详细处理,医生根据这些数据对病人的生理情况做出诊断评估。本设计的关注点是如何实现传感器数据的无线传输,因此对于传感器部分本设计采用市场上现有的人体血氧饱和度传感器。换言之,该系统可以集成多种传感器,使之具备应用在不同应用领域的不同功能,因此,本系统的应用领域很广,移植性很强,医疗监护领域的大部分检测传感器(如体温、脉搏、血压等都可以集成到本系统上。2无线传感器

3、网络技术无线传感器网络(WirelessSensorNetworks; WSNs结合了感测、运算以及网络连结的能力,不同传感器在其感测范围之内监控与侦测周遭环境与特定目标的状态,并通过无线网络将这些状态回传到主机,系统管理者在收到这些讯息时,就能够借此做出适当的处理。无线传感器网络要求节点具备无线通信能力,目前有多种主流无线通讯协议(如表1,这些传输协议都有各自的优势特点,但就总体比较而言,目前无线传感器网络技术主要是使用ZigBee协议。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络技术,主要用于近距离无线连接。它依据IEEE802.15.4标准,在数干个微小的传感器之间

4、相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee 技术将是最低功耗和成本的技术。ZigBee的出发点就是实现一种易实现的低成本无线网络,同时它的低功耗性能可以使采用电池供电的产品维持6个月到数年的工作时间。由于其低数据速率和通信范围较小的特点,也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。通过ZigBee可以非常简单的实现各种器件的联网,作为一个全球标准,为将来实现ZigBee无线通信技术在医疗监护中的应用董大鹏,唐晓英,刘伟峰,孟旭(北京理工大学生命科学与技术

5、学院100081摘要本文提出了一种基于ZigBee无线通信协议的无线传感器技术的医疗监护系统解决方案。本方案测量将测量到的人体血氧饱和度数据通过无线传感器网络传输到基站,基站对这些生理参数进行详细处理,医生根据这些数据对病人的生理情况做出诊断评估。关键词血氧饱和度;W S N s;Z i g B e e作者简介:董大鹏男1981.10硕士研究生北京理工大学生物医学工程专业研究方向:医疗电子/无线传感器网络技术通信地址:北京理工大学生命科学与技术学院生物医学工程系求实楼415室邮编:100081电话:138*010-*邮件:deansmith3系统硬件设计系统硬件分为两大部分:人体血氧饱和度无线

6、传感器节点和网关节点。3.1无线传感器节点系统硬件总体设计整个系统有三大部分组成,血氧饱和度传感器、数据处理电路以及无线通信电路组成,如图2所示。血氧饱和度传感器采用透射式人体血氧传感器传感器探头,输出420mA电流模拟信号,信号处理电路采用TI公司的MSP43FG4618为控制核心,无线通信电路以能够支持IEEE802.15.4ZigBee通讯协议的射频芯片Chipcon公司CC2430-F128射频芯片为无线通信电路核心。值得注意的是为了实现真正意义上的“无线传感器”,系统硬件设计要求小型化、紧凑化,而且为了便于以后该系统在应用领域的可移植性,系统电源部分设计为电池两节干电池供电,这样既能

7、够发挥ZigBee通讯协议的优势,又能够很好的实现无线传感器的“无线”、“便携”特点。3.2无线通信电路设计本设计采用中国西安华凡科技有限公司的HFZ-CC2430EM-22ZigBee无线通信模块。协议特点ZigBee U W B Wi-Fi蓝牙标准IEEE802.15.4,IEEE802.15.3a IEEE802.11a.b SIG功耗很低特别低较高较低速率(b i t/s250K100M-1G11M500k-1M传输距离(米200米10米左右室内50米10米频段(Hz2.4G3.110.6G2.4G2.4G组网特点结点多,功耗低Ad-hoc或mesh Ad-hoc网络Ad-hoc网络,

8、支持树状,mesh组网节点少(7成本3美元20美元15美元3.8美元其他特点传输可靠,专脉冲电波,定距离较远,传输可靠,距离较近,为无线网络制定,位精度可达1c m,传输速率高用于替代电缆具有定为功能高穿透力适合家庭无线网络表1 无所不在的网络创造了条件。3.3网关节点系统硬件设计以HFZ-CC2430EM-22ZigBee 无线通信模块为核心,设计接收端。HFZ-CC2430EM-22ZigBee 无线通信模块接收到数据后,将数据通过串口通讯方式传送给P C 机,以此网关节点,实现数据接收、显示,如图5所示。4系统软件设计本系统软件分为三部分:数据采集和处理、数据发送和接收以及数据显示。其中

9、数据采集和处理部分代码是在发送端(即血氧饱和度传感器节点中运行,主要功能是数据采集,如图6所示;数据发送和接收在接收端(即网关节点中运行,主要功能是数据传输,如图6、图7所示。数据显该模块采用德州仪器(TIZigBee 射频芯片C C 2430-F 128,片上集成高性能8051内核、ADC、USART等,支持ZigBee协议栈。该模块引出所有可用I/O,用户可使用片上所有资源。用户可方便的实现高性价比、高集成度的ZigBee解决方案。模块特点:工作频带范围:2.4002.4835G数据速率达250kbps,码片速率达2Mchips/s 输出功率可编程控制(-91d b m 低功耗:RX:27

10、mA,TX:25mA 可提供配套的开发、演示套件用户接口:24P i n ,引出所有可用I /O 模块外形尺寸:38.2X38.2mm示部分代码是在PC 机中运行,主要功能是将PC 机接收到的数据进行波形显示和进一步处理,如图7所示。当无限传感器节点和网关节点建立好之后,接下来就要依靠ZigBee 协议栈来实现点对点通讯了。图8为ZigBee 协议栈点对点通讯工作流程图。6总结本设计对ZigBee无线通讯协议在医疗监护领域图8ZigBee 协议栈点对点通讯工作流程图5结果图9为网关节点的实物照片,尺寸为105mm 50mm,图10为血氧饱和度无线传感器节点,尺寸为182m m 50m m ,设

11、计完全体现了小型化,便携化的要求。中的应用进行了尝试性的实践,实现了一个人体血氧饱和传感器节点和一个网关节点之间的数据传输。现今ZigBee 技术还有许多问题需要研究,如安全传输问题、容错机制问题、自组织组网问题等等,但是无线传感器网络的灵活性、容错性、低费用以及快速布局等特点决定了它的应用领域必将极为广泛,也必然会对医疗监护事业产生巨大而深远的影响。参考文献1邵鹏.无线传感器网络的研究与以数据为中心的应用系统的实现复旦大学硕士学位论文20032孙利民,李建中,陈渝,朱红松编著无线传感器网络清华大学出版社,20053JasonHill,RobertSzewczyk,AlecWoo,SethHo

12、llar,DavidCuller,andKristoferPoster.SystemArchitectureDirectionsforNet-workedSensors,20004原界,苏鸿根.基于Zigbee 技术的无线网络应用研究.计算机应用与软件,20045严壮志张静施俊蒋皆恢无线医疗监护技术综述中国医疗器械杂志Vol.30第5期2006.ResearchonApplicationsofWirelessSensorNetworksOnMedicalMonitoringDapingDong,XiaoyingTang,WeifengLiu,XunMenAbstractThispaperintroducesanewmethodbasedonZigBeecommunicationprotocolformedicalmonitoring.Thismethodcould detectbloodoxygensaturationsignals.Furthermore,i