新型zigbee无线传感网络的心电监护系统的研究与设计1

1、新型无线传感器网络的心电监护系统的研究与设计摘 要传统的有线心电监测系统导线连接复杂、不可移动和扩展性差的缺点。为了克服这些问题，提出了一种基于无线网络的心电监测系统。为实现这个目标，首先完成了心电信号的采集和处理电路的设计。 详细介绍了具有模数转换功能的终端节点、网络协调器节点的设计。给出了整个无线网络的结构，并完成了监测软件的设计和实现。 结果表明，系统有较好的灵活性和扩展性，为心电监测提供了一个方便、有效的无线解决方案。关键词：心电、A/D转换、无线网络0、前言心电信号中包含着人体最基本、最重要的生理参数,对这些生理参数进行监护与检测对患者的健康以及心血管疾病的预防和治疗有着极其重要的意

2、义。近年来,心脏病的发病率和致死率呈现出上升势头,心血管疾病己成为世界上最为普遍的也最危害健康的疾病。由于这类病症都具有偶然性和突发性的特点,因此要防治心脏病就必须对患者进行长时间的跟踪治疗。同时,心脏病的发病特点使得心脏病的治疗时机显得尤为重要,如急性心肌梗塞最佳治疗时间为发病后的一小时之内,但研究结果表明:只有不到1/5的病人在心肌梗塞发作后一小时内被送往医院接受治疗。针对这种情况,需要寻求一种有效的解决方法,使得医生在患者病发后能够及时获得有效的心电数据,从而减少患者从病发到接受治疗的延误时间。因此,心电监护便成为了一种很可行的有效解决办法。现今,人们对自身健康问题的关注程度越来越高。而

3、随着传感器技术、无线通信技术和信息技术的发展,远程医疗和健康监护得到了更为广阔的发展空间。健康监护中最常使用的就是心电监护。心电监护系统的设计,己成为现代医学仪器发展的一个必然趋势。建立功能强大的心电监护系统,可以达到对患者进行实时心电监护的目的,同时能够对患者的心电数据进行自动分析与诊断。医生可通过监护系统实时查看患者的心电图,如若发生心电异常,系统将及时发送报警信息,以减少患者病发的危险;同时能够将发病时的心电波形通过传输线路输送到医生那里,以便于医生进行诊断分析,并制定有效的治疗方案。（1）心电监护系统心血管疾病严重威胁着人类的健康， 甚至生命。心电监护类系统由于可以辅助医师进行有关病症

4、的监护和诊断， 已成为临床心血管疾病诊疗的常用仪器。 目前，医院内常用的心电监护仪有三种：其一是实施临床监护的心电监护系统；其二是系统，需要患者 24小时佩戴，记录动态心电数据，不能进行实时监测和数据传输；另外一种是可以完成实时动态监测的远程心电监护系统。（2）远程心电监护系统心血管疾病具有突心血管疾病具有突发性的特点，很多病人在发病前期没有明显预兆，发病突然，往往不处于医院的环境中。 疾病突然发作时，必须得到及时救治。 否则，会危及病人的生命。所以，能否在第一时间及时救治患者，至关重要。 因此，远程心电监护系统的设计研究已成为热点，目前，大多数远程心电监护系统主要通过通信运营商的无线网络实现

5、动态监护。在各类远程心电监护系统中，基于的心电监护网络由于其具有成本低、功耗低、抗干扰性强等优点，越来越受到人们的关注。1、 介绍技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术。它是为低速率控制网络设计的标准无线网络协议,依据IEEE802.15.4标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通讯。这些传感器只需要很少的能量,就能以接力的方式通过无线电波将数据从一个节点传到另一个节点,从而实现在全球24GHz免费频带范围内的高效!低速率的通讯功能。而设备则具有能量检测和链路质量指示的功能,并采用了碰撞避免机制,以避免发送数据时产生数据冲突。在网络安全方面,设备采用了密钥长度为128位的加密算法,

6、对所传输的数据信息进行加密处理,从而保证了数据传输时的高可靠性和安全性。到目前为止,技术在国外己经在家庭网络、控制网络和手机移动终端等领域有了一定的应用,但是现在由技术构成的网络都仅限于无线个域网拓扑结构,每个接入点所能接纳的传感器的节点数远远低于协议所规定的节点数,为了达到传感器网络密集覆盖的目的,就必须进行复杂的组网,这不但增加了网络的复杂性,而且还增加了网络整体的功耗和成本,传感器节点的寿命也将降低。采用技术构建无线传感器网络将极大改变这种现状。由技术构建的无线传感器网络具有功耗低、成本低、结构简单、体积小、性价比高、扩展简便、安全可靠等显著特点。它是由一组节点以AdHoc方式构成的无线

7、网络,主要采取协作方式,有效地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息。传感器网络中的部分或全部节点都是可以移动的,传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断发生变化。每个传感器节点都具有动态搜索、定位跟踪和恢复连接的能力。因此,这种新兴的无线传感器网络技术必将有着广泛的应用前景。图1给出了无线传感器网络体系结构图。 图1. Zigbee无线传感器网络结构体系2、系统结构 为了实现对心电信号的无遥测和多人监测，本文提出了基于无线网络的心电监测系统。系统选择符合技术标准的无线模块组成无线网络。 本系统是跟据MESH网状网络拓扑结构而设计的。MESH网络是一种特殊的、按接力方式传输的点对点网

8、络结构,具有自动建立和维护的功能,无需人工干预。MESH网络中要求协调器和路由器必须是FFD,而终端设备可以是FFD和RFD。因此在系统设计中,为每个病人配备一个终端设备(RFD),在每个病房中设立一个路由器(FFD),而在医院监护室设立一个主站(FFD)。这样病人的心电数据就可以从终端设备经过路由器而转发到主站上,从而实现医生对病人的远程监护。系统层次结构如图2所示。无线心电监护系统是由Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器CC2430和高性能微控制器构成。该系统利用微控制器实现远程数据的定时收发,从而达到实时监护目的。网络协调器负责无线网络的

9、建立、维护以及与监测主机通信，终端节点负责控制心电信号的采集和转换；在监控主机上运行心电监测的应用程序完成对心电信号的处理并显示心电波形和心率等监测功能。 图2 心电监护系统层次结构图3系统设计3.1系统硬件及软件设计主站是整个心电监护系统的中枢,其主要功能是实现各个终端设备心电信号的集中监护、实时分析、存储、回放、打印以及对各终端参数、状态的控制。考虑到主站的强功能性和可靠通讯原则,选用三星公司推出的基于ARM920T内核的S3C2410A处理器和CC243O来构成硬件系统。53C2410A是高性能的犯位微控制器,具有完整的通用外围设备接口,使得整个系统的功耗达到最低。主站以53C2410A

10、为核心,外扩32MBNandFlash和16MB的SDRAM等存储芯片,利用FO接口扩展了键盘、指示灯、彩色液晶屏等设备;提供USB2.0高速接口与计算机进行通讯;连接CC2430模块实现与路由器的无线通讯,如图3所示。将uC/os一II实时操作系统移植到53C2410A中,以满足监护系统的实时性要求,提高软件开发的效率和可靠性,如图4所示。把cc2420改成cc2430图3 监护系统主站硬件结构 图4 监护系统主站软件结构3.2定位算法在本文的研究中，通过引入最小二乘测距定位算法，可以对所能接收到信息的信标节点数大于等于3的普通节点进行位置估计，并进行定位，当定位成功后将其视为信标节点。具体

11、实现方法如下：假定心电监护系统中某二维区域内放置 个传感器节点,其中的信标节点位置表示为，普通节点位置表示为，普通节点到各信标节点的测量距离表示为由此可以建立一个线性方程组（1）其中，（2）（3）线性方程组建立后，代入（4）式，即可对普通节点进行位置估计。（4）路由器作为整个系统的中间节点,主要负责心电数据从终端到主站的中转工作。为此路由器硬件平台采用高性价比微控制器PIC18LF8722和无线模块CC2430来构成。从软件角度看,整个监护网络采用了最小二乘测距定位算法,使得各个节点只保持需要的路由,而不需要节点则维持通信过程中未达到目的节点的路由,从而实现网络内各移动节点间动态地、自启动地建

12、立逐跳路由,图5给出了该路由算法流程图5 路由算法流程图3.3无线节点电路设计无线节点包括协调器节点!移动节点和数据接收节点。 图6 协调器节点框图如图6所示，协调器节点主要由CC2430芯片构成，完成数据接收节点和移动节点的地址分配，通过该地址实现节点与节点之间的互相通信。 图7 数据接收节点框图如图7，数据接收节点主要由CC2430芯片构成，完成无线数据包的接收。图8 移动节点框图如图8，由于本系统需要提供定位病人的功能，因此移动节点选择了CC2431这款带硬件定位引擎的芯片。3.4终端设备终端设备是直接作用于人体的设备,需要具备低功耗、辐射小、抗干扰性强等特点。TI公司推出的低功耗处理器

13、MsP430在实时时钟模式下工作电流仅有8协A、工作状态时为250林解MIPS,符合心电采集系统低功耗的要求,因此选用MSP430和CC2420为元件核心构建终端设备硬件平台8yJ。此外终端设备还通过传感器探头与病人相连,将心电信号进行放大、滤波、以及灯D转换等处理后定时发送给路由器,并由路由器转发到主站上;在心电信号非发送状态,CC2430处于低功耗模式,这样使得终端设备的功耗和对人体的干扰降到最低,系统硬件结构如图9所示。把cc2320改成cc2430 图9 终端设备硬件结构4、实验结果基于无线传感器网络的心电监护系统严格遵循低功耗、高抗干扰性、高可靠性原则,将系统功耗和对人体电磁辐射干扰

14、降到最低限,以保证在良好的工作环境下进行实时通讯和数据采集。因此本实验在3个病房范围内构建了心电监护系统:为每个病房设置了3个移动终端和l个路由器,并在监护室设置了主站设备。根据所设计的系统平台,采用8位刀D转换器进行数据采集(采样频率为100Hz),并从终端设备和主站设备分别提取了心电信号波形,如图7和图8所示。通过对比图7和图8可以看出,经过监护网络的心电信号波形基本上没有多大变化,只是在局部位置上产生了微小抖动,这主要是由系统通讯中的延时信号所造成的。图10 终端设备采集的波形图11 主站设备采集的心电波形通过对该系统原型机的测试,可以得出:系统具有超强的抗干扰性能，传输距离可达到75m

15、;传输速率可达到250KB/S;完全达到预期设计的目标,具有较好的市场前景。5、结论基于技术的心电监护系统突破传统监护系统设计模式,采用移动式监护策略,由高性价比微处理器和低功耗、高数据纠错能力的射频模块CC2430一起构成网络系统中的各级节点设备;利用最小二乘法定位实现网络内心电数据的传输操作;并对系统原型机进行了临床测试。测试结果表明该系统具备高可靠性和强抗干扰性。目前此系统已处于临床实验阶段,运行状况良好。实践证明无线传感器网络技术在远程心电监护系统的应用中是可行的。参考文献1 王珊珊, 殷建平, 蔡志平, 等. 基于RSSI的无线传感器网络节点自身定位算法 J. 计算机研究与发展，2008,45 （1）：385-3882 孙凤池，宋萌，刘光。一种无线传感器信号衰减自适应测距模型 J.智能系统学报，2012，第3期；213-2153 田福英。便携式心电监护系统中心电信号的实时分析方法设计 J.中国医学物理学，2012，第2期；3143-3145.4 王国，袁恒新，伊永菊，邓永锦。危重监护与输液控制诊疗体化系统-基于CAN总线的监护输液基站J.中国医学物理学，2014，第一期；4681-4686.5 田福英，沈铁明，刘博宇。基于蓝牙传输的手机心电监护系统设