基于无线传感网的远程医疗监护系统研究

冯英伟 贾 滨 杜春梅

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口075000)

1 引言

进入21世纪以来，我国人口结构的老龄化越来越明显，老年人占我国总人口的比例逐年提高，老年人的身体健康和生命安全已经成为社会的重要问题，如何为老年人提供良好的、安全的医疗监护环境，已经成为社会所关注的热点.鉴于此，研究用于家庭、社区的远程医疗监护系统势在必行，远程医疗监护系统不但可以使患者在家里实现远程医疗、远程监护和健康咨询等，而且还能够降低患者的医疗负担.由于传统的监护设备大多安置在床边，不便于携带，限制了病人的自由移动，并且传统医疗监护设备的系统扩展性比较低，成本还比较高［1］.因此，最近几年，对于无线通讯技术在医疗监护系统中的研究，特别对监护系统提出了便于移动的要求.在计算机技术、网络技术和通信技术高速发展的时代，远程医疗监护系统已经成为医学技术交流和新医疗会诊方式中的全新的技术体系.

2 关键技术ZigBee技术

20世纪90年代末，鉴于半导体技术、通信技术以及计算机技术的飞速发展，在大洋彼岸的美国发展了现代意义上的无线传感器网络技术.随着短距离无线技术规范ZigBee出现以后，无线传感器网络技术的相关研究工作在世界上主要发达国家轰轰烈烈的开展起来，一些重要机构也将无线传感器网络技术预测为将会改变世界的重大新技术.

ZigBee是基于802.15.4无线标准研发的新兴的短距离无线通讯技术［2］.ZigBee是无线传感器网络的一种延伸，同时ZigBee也是一种供廉价的固定、便携或移动设备使用无线连接技术.ZigBee作为一种近距离、较低的复杂度、较低的功耗、较低数据传输速率、低成本的双向无线通信技术，在自动控制和远程控制领域得到了广泛的应用.ZigBee支持地理定位功能，非常适合用作无线传感器网络的通信协议，ZigBee技术是家庭互联、工厂自动化、医疗设备、传感网络等的理想解决方案.

蓝牙(Bluetooth)、无线局域网(Wi－Fi)和ZigBee都是目前使用较广泛的近距离无线通信技术，它们都具有其各自的优点，有的在传输速度、耗电量上性能优越一些，有的在功能的扩充性上效果更好，还有的是符合某些单一应用的特别要求，相比于其它无线通信技术，ZigBee技术的特点如下:

(1)安全性特别好.由于ZigBee采用AES－128加密算法，同时ZigBee数据校验功能也比较好，从而保障了数据的安全性.

(2)成本比较低廉.ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以成本大为降低，芯片模块价格最终会控制在10元人民币以下.

(3)从电池功耗上来看，zigBee无疑具有巨大的优势.无线局域网在数个小时之内能耗就耗光了，蓝牙能够坚持到几天，而zigBee在低耗电待机模式下能够达到几年的寿命.

(4)ZigBee采用的全球通用2.4GHz免费工作频段.

(5)延时非常短.通常延时都在15～30毫秒之间.

(6)数据传输速率比较低，每秒能够达到10～250兆字节，这样的速率非常适用于低传输速率网络.

(7)ZigBee支持大量的网络节点，最大可以达到216个.

(8)从覆盖距离上来看，蓝牙覆盖范围最小，大约在10m左右，其次是无线局域网，覆盖范围能达到100m左右，而ZigBee的覆盖范围则要根据其实际发射的功率等因素而定，一般能够达到100～300m之间.

鉴于ZigBee有以上的技术特点，使得ZigBee非常适合于远程医疗监护系统.人们要想在自己的家中或医院自由活动的状态下时刻的得到医疗监护，只要随身携带了集成ZigBee技术和测量生理指标的功能模块就可以轻松实现了.

3 无线传感网络的系统结构及工作原理

本文提出的基于无线传感器网络技术的远程医疗监护系统是一种多层次网络式体系结构，即由医疗监护基站和ZigBee传感器节点构成的一个监护网络.ZigBee传感器节点与医疗监护基站之间构成了无线个人传感器网络，而很多这样的网络就可以组成一般的监护系统，甚至更大的远程医疗监护网络.ZigBee技术标准支持3种网络拓扑结构［3］，即星型、树型和网状型拓扑结构.星型结构由于其能耗比较小、规模也比较简单，主要适用于近距离传输.网状结构在健壮性方面是最好的，但能量消耗较其它两种结构相比却是最大的.树型结构既有星型结构功耗低的优点，而且还具有网状型结构的扩展范围［4］.鉴于医院的监护范围比较广、节点传感范围有限，本文提出的远程医疗监护系统选择的是树型网络拓扑结构.

本文所提出的无线传感器网络主要是由部署在监测区域内大量的廉价微型ZigBee传感器节点组成.ZigBee传感器节点中的中央处理器的主要功能就是对需要监测的生命指标进行控制，并不断的采集人体生理指标数据，还有中央处理器还会对某些医疗设备的状况以及治疗过程情况进行动态监测，实时的把数据传送回去.在所要监控的区域内分布着大量的传感器节点，传感器节点时刻采集着诸如体温、血压、脉搏、血糖、血氧等有意义的数据，传感器节点将采集到的数据沿着已经建立好的路径传送给与传感器连接的ZigBee无线通信模块，再传输到汇聚节点.最后，控制和显示单元中的信息处理模块会对汇聚节点收集到的数据进行处理和显示，同时将结果数据存人数据库供检索和回放.处理好的数据还可以通过Internet网络将数据传输至医疗监护基站，为了便于专业医疗人员对数据进行统计观察，还可以将有用的信息通过终端外接的3G模块传送到指定医疗人员的手机中，这样为实现远程医疗服务又提供了一个全新的视角.图1中描述了该远程医疗监护系统的体系结构图.

4 结语

随着技术的进步，有线通信技术被无线通信技术所取代是未来发展的一个必然趋势，特别是无线通信技术在传感器网络领域中的应用还有很大的发展空间.目前，无线通信技术的研究和应用受到了全社会的广泛关注，ZigBee技术的突出特点是功耗低、较低成本、延时短，同时ZigBee技术的网络扩展能力也是比较强的.鉴于ZigBee的技术特点使得它主要适用于自动控制和远程监控等领域，其基本上能够满足小型廉价设备的无线联网和控制方面的要求.随着计算机技术、现代控制技术、现代通讯技术的发展以及人们对自身健康的重视程度的加强，ZigBee技术的市场应用前景和经济效益定会逐渐的显现出来.

近年来，随着我国老年人口的急剧增加，医疗资源的不足就逐渐的显现出来，所以开发无线传感网络远程医疗监护系统的作用就显得更加突出了.通过网络技术、无线通信技术和现代计算机技术的应用，基于无线传感网的远程医疗监护系统能够为患者和使用者提供医学信息、医疗会诊、医疗监护以及远程会诊等服务.当下，随着网络技术和通信技术高速发展，基于无线传感网络的远程医疗监护系统已经成为远程医学技术交流、远程医疗会诊和远程医疗监护方式中的全新的技术体系.相信在不久的将来，基于无线传感网络的远程医疗监护系统必将会成为一种重要的医疗手段.

［1］李志刚，周兴社.传感器网络［J］.计算机应用研究，2004

［2］ZigBee Alliance.ZigBee Specification［M］.2007

［3］李骏.ZigBee技术的树簇网络监控系统设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2009(6)

［4］黄庆南.基于ZigBee技术的医疗监护系统WSNs节点设计［J］.广西工学院学报，2011，9月