基于ZigBee的多生理参数测量与分析系统的设计

杨林，张永魁

1.苏州大学附属第一医院 医学工程处，江苏 苏州 215006；2.东南大学 学习科学研究中心，江苏 南京210096

基于ZigBee的多生理参数测量与分析系统的设计

杨林1，张永魁2

1.苏州大学附属第一医院 医学工程处，江苏 苏州 215006；2.东南大学 学习科学研究中心，江苏 南京210096

本文介绍一种基于ZigBee协议的无线传感网络系统，系统采用MCU+RF的方案设计，以ATmegal 128L作为传感器节点的MCU，CC2420作为RF射频模块。采集节点具有6个通道可获取病人的生理参数和环境数据，然后将这些数据传输到接收节点，再通过RS232接口连接到PC。终端设计的Labview程序可以对采集的多种生理参数进行显示、存储和分析。

传感器网络；生理参数监测；Zigbee协议

多参数监护仪是临床护理中重要的生理参数监护设备，生理参数监护技术就是把被监测者的各种生理参数及时、准确地测量出来进行处理、分析，帮助医护人员对患者病情进行监测和防护。在现有医疗监护系统中，患者身上佩戴的传感器采集的数据多通过串口电缆（RS232/485）传送到PC上或通过串口联网服务器传到局域网上。由于所检测的信号多是人体信号，而人体处于自然状态时的信号才能够真实地反映其生理状况，因此，将检测设备通过有线方式连到人体上进行监测的传统方法会使患者感觉受到束缚，从而导致所检测到的数据不准确。而且在病房中，各种连线不仅使病人感到不适，而且还使病房显得杂乱无章，影响医护人员的工作效率。另外，对康复期病人和需要监护的老年患者，具有一定的活动能力，而传统监护仪的体积比较大，耗电量高，限制了被监护者的运动。因此，医疗单位希望以一种低成本、高可靠性的无线传输方案来代替传统的有线方式。无线局域网具有微功率、抗干扰能力强、组网灵活等特点，是实现无线医疗监护系统的理想选择[1]。

目前，无线技术已经开始在医疗监护领域逐步应用，但大多是具有基站的单星形拓扑结构的应用，而不是真正意义上的无线传感器网络[2]。ZigBee协议（IEEE802.15.4）是一种近年来才兴起的无线网络通信技术标准，主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。对于生理参数的监护，ZigBee技术的应用有以下几方面的优势：① 低成本：监护传感器节点是低成本的。② 低功耗：内置电池正常使用时间不低于1个月，减少因频繁更换电池带来的麻烦。③ 性能可靠：这些产品无须大量维护、经久耐用。④ 伸缩性能好：可连接网络几百至几千个设备[3]。ZigBee是目前最适合用于生理数据采集的短距离无线通信技术。本研究的目的正是利用ZigBee技术实现患者多生理参数的无线传输和监测分析。

1 系统结构概况

用于对病区进行监控的无线传感网络系统包括数据采集节点、接收节点以及PC监视系统3个部分。采集节点佩戴在病人身上，每个节点均具备采集生理参数的功能，并能通过ZigBee协议射频方式发送到接收节点，节点内置的嵌入式软件能够实现通信链路的保存和管理，从而实现节点的组织功能[4]。每个节点都具备传感器信号的采集、处理、节点间的通信和信息的路由等功能。接收节点获取病人的数据后传输到PC系统中，PC监视系统通过设计的LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW）程序可以实时地看到病人的生理参数。根据无线传感器网络的功能需求以及系统的组成，本着成本低、功能高、稳定可靠性高、技术实现简捷的原则，本文设计的基于ZigBee的嵌入式无线传感网络的系统结构，见图1。

图1 基于ZigBee的嵌入式无线传感网络的系统结构框图

2 节点的硬件设计

无线传感网络系统的组织元素是节点，在应用系统中，要求传感器节点具有体积小、功耗低、抗干扰能力强等特点。本研究利用GAINZ开发平台设计采集节点和接收节点[5]。节点的系统构架包括前端传感采集模块、数字处理模块、无线射频模块和电源模块，节点硬件整体框图，见图2。其中，数字处理模块和无线射频收发模块是围绕核心部件ATmega 128芯片和CC2420 芯片进行整体硬件构架设计的。ATmega128L是基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器[6]。CC2420芯片是CHIPCON公司专门为低功耗无线通信设计的无线通信模块，CC2420 RF收发器集成了支持不同调制格式的调制解调器，并且为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激活提供广泛的硬件支持，使其更加适用于无线环境恶劣的地方[7]。

采集节点设计有多种传感器，通过这些传感器可以检测到生理数据，ATmegal 128L 单片机经过A/D转换器获取数字化的数据并通过SPI接口传输到CC2420芯片 。本研究中设计的传感器模块的功能包括心电、温湿度、加速度等数据的采集，同时在硬件扩展板上留有接口以便其他感兴趣信号的采集。

图2 节点硬件整体框图

心电信号的采集采用双极性标准肢体导联I方式，导联线使用三导联线，除了两路分别接左右手的电极外，另一路作为右腿驱动电路。其主要电路结构包括前置放大器、低通滤波、高通滤波、主放、50Hz陷波、电平提升和A/D转换等部分[8]。由于ATmegal 128L中的A/D只能量化单极性信号，因此，在心电信号采集前必须进行整体电平提升，使心电波形全部处于零电平（地线电平）之上，再送MCU的 A/D采样端口。温/湿度传感器模块芯片选用了瑞士盛世瑞恩生产的SHT系列温/湿度数字传感器芯片，该传感器是一款高度集成的温/湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。在加速度测量电路中，采用美国Freescale公司的MMA7260QT 3轴加速度传感器设计加速度模块，3轴信号分别送MCU A/D采样端口。加速度也是一个很重要的参数，可用来监测病人的运动状态。多生理参数采集和分析系统节点实物，见图3。

图3 多生理参数采集和分析系统节点实物图

3 节点的软件设计

本系统的软件采用AVR Stuidio开发编译环境，无线数据传输的核心是CC2420 RF芯片，其通讯标准为ZigBee 协议（IEEE 802.15.4）[9]。IEEE 802.15.4标准网络内的无线传输过程中采用冲突监测载波监听机制，网络拓扑结构主要是星型网。本研究采用了标准定义的2.4G的数据传输频率，这是一种采取O-QPSK的调制方式[10]。在无线传感器网络设计中、采取了主机轮巡查问机制和突发事件报告机制。主机每隔一定时间向每个传感器发送取数命令，传感器收到取数命令后向主机回发数据。在发生紧急事件时，传感器节点容许主动向中心节点发送报告。

系统软件设计分为3层，硬件驱动层、操作系统内核层（包括协议层）及应用层。硬件驱动层提供了所有硬件设备的驱动，主要包括CC2420驱动、ADC模块驱动、串口驱动以及板级初始化；OS内核层提供了简单高效的任务管理、内存管理、设备管理、功耗管理以及无线通信协议栈；应用层主要是利用操作系统层提供的API编制相应的应用程序，传感采集、射频通信、串口通信等。系统设计中内核层与硬件驱动层接口采用直接函数调用的接口方式，因为硬件部分对时间有严格要求，采用消息方式效率太低。应用层与内核层之间接口从软件整体模块的结构性和移植方面考虑，采用消息方式。

发送节点的软件设计流程为：发送节点上电后首先对CC2420进行初始化，然后尝试加入网络，如果加入网络成功，当接收到网络协调器发出开始采样的指令时，开始采集数据，利用ATmegal128L片上的A/D转换器进行A/D采样，然后将数据包发送到网络协调器。发送节点RFD模块的程序流程，见图4。

图4 发送节点RFD模块的程序流程图

接收节点的软件设计流程为：接收节点上电后首先对CC2420进行初始化，然后建立一个无线网络，当有RFD节点加入时，分别给每一个RFD节点分配地址。当需要开始采集信号数据时，由网络协调器向RFD模块发送指令，其后等待接收采样数据，如接收到数据，则通过RS232口将数据上传给PC机。网络协调器模块的流程，见图5。

图5 网络协调器模块的流程

4 PC上的显示、存储和分析

在接收节点数据通过RS-232接口传输到PC中。本研究利用Labview程序设计了一个虚拟仪器，通过Labview虚拟仪器可以实现所获取数据的图形显示，实时地呈现病人的生理数据。另外，如果需要对生理数据进行存储以进一步分析，也可以通过该Labview程序实现，Express VI可以以.txt或者.xls的格式存储生理数据。利用Labview的MATLAB Script node，还可以实现心电信号的小波分析和HRV分析，以及温度、湿度、加速度等信号的分析[11]。对生理数据的呈现、存储和分析对后期的研究具有重要的意义。

5 结果与讨论

系统设计完成后进行了联合调试，利用串口调试助手和后端显示平台Labview查看到接收的数据包格式相符，采样率匹配，达到了设计的预期要求。通过被试者对系统的运行进行测试，可以采集到被试者的心电和加速度数据，以及实时的环境温度，系统测试终端界面，见图6。从图中可以看到，界面最上方为被试者的心电波形图；界面右下方为加速度显示界面，用来反映被试者的运动状态；左下方是功能选择区，包括串口参数选择控件、传感器节点选择控件以及接收数据字节显示。通过这些功能控件，本系统可以实现多节点收发以及实时监测的功能。

目前，该系统虽然能初步应用于临床监护数据采集，但还需进一步的改进和提高。系统仅仅采集了比较常用的体温、加速度和心电参数等。而事实上，仅仅这几个参数是不够的，临床还需要更多的生理参数来确定病人的生理状态，如血氧饱和度、血压等。另外，目前系统采用的ATmega128 储存和处理能力在应对大规模组网还是略显不足，在以后的应用中可考虑使用ARM处理器作为接收节点，并存储数据。最后，为了便于对医疗效果的评估，需要建立相应的数学模型和一个健全的数据库管理系统，以便于以后的管理、分析和数据挖掘。在后期的研究中，我们将地这些方面工作作为重点，以推动该系统在临床的广泛应用。

图6 系统测试终端界面

[1] 张连霞,张喜雨,边建农.远程医疗监护技术及其应用[J].医疗设备信息,2006,21(5):43-46.

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[3] 瞿雷.一种新的无线网络通信技术Zigbee[J].单片机与嵌入式系统应用,2006,(1):12-14.

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[5] 周松立,张伟,朱劲.IEEE 802.15.4协议在GAINS-Z节点上的移植[J].微计算机信息,2007,23(8):132-134.

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Design of Multi-physiological Parameters Measurement and Analysis System Based on ZigBee Protocol

YANG Lin1, ZHANG Yong-kui2
1.Biomedical Engineering Department, The First Affiliated Hospital of Soochow University, Suzhou Jiangsu 215006, China; 2.Research Center for Learning Science, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096, China

This study established a wireless sensor network system based on the ZigBee protocol. ATmegal 128L as the MCU of sensor nodes and CC2420 chip as RF module constitute the system architecture. This system can get access to a variety of physiological parameters and analysis those parameters. Collection nodes has six channels for obtain the patient's physiological parameters and environmental data, and then transfer the data to the receiving node which was connect to the PC through the RS232 interface. Terminal section designed by Labview program can achieve the displaying, storage and analysis of physiological parameters. The system was mainly developed for clinical monitor, to build a intelligence unit of clinical nurse which is covered by wireless network of multi-physiological parameters measured.

sensor network; physiological parameters monitor; Zigbee protocol.

TP277

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.02.006

1674-1633(2012)02-0025-03

2011-08-08

2011-09-01

本文作者：杨林，生物医学工程硕士，主要从事医疗设备专业技术研究。

张永魁，副教授，主要从事无线传感网络的开发与应用研究。

作者邮箱：yang1635@126.com