基于ZigBee PRO的低功耗远程医疗监护系统

李强，郭兴，王春山

1.河北农业大学 信息科学与技术学院，河北 保定 071001；2.保定市急救中心 急救外科，河北 保定 071051

基于ZigBee PRO的低功耗远程医疗监护系统

李强1，郭兴2，王春山1

1.河北农业大学 信息科学与技术学院，河北 保定 071001；2.保定市急救中心 急救外科，河北 保定 071051

本文研究并设计了基于ZigBee PRO和3G技术的低功耗远程医疗监护系统，系统由含ZigBee PRO节点的便携式远程医疗监测设备、ZigBee PRO-3G网络和远程医疗监护系统平台组成。便携式监测设备实时采集的生命体征数据，如血压、脉搏等，经ZigBee PRO无线传感器网络传输，通过集中器的3G模块发送到远程医疗监护系统平台；远程医疗监护系统平台的数据处理系统对相关数据进行整理，并及时反馈给医务人员进行分析处理。本系统的应用可以使被监护人有更多的自由活动空间，可以使患者在家里或社区得到有效地远程医疗诊断和监护。

远程医疗监护系统； ZigBee PRO；3G技术

随着我国国民经济水平的迅速提高，先进的医疗设备也不断地发展并应用到临床诊断中，使我国医疗技术水平有了很大的提高。目前，医疗监护系统在临床中获得广泛的应用，利用传感器采集特定的生理参数，再通过线缆将数据传送到监控中心，这是一种固定的医疗监测方式，但由于传感器线缆长度的限制，需要病人在检测设备旁边，限制了病人的行动自由，较长时间的数据采集还会增加病人心理压力，造成焦躁不安的紧张情绪，进而导致采集数据异常造成假象，影响医生对病人身体状况和病情的判断。如何摆脱传感器线缆长度的束缚，实现远程、实时、连续、长时间的监测病人生理体征等参数，对于提高医疗技术水平，加快病情诊断和康复都具有重要的作用[1]。近些年来，新兴的ZigBee和3G技术，为远程无线医疗监护提供了一种新的技术手段。本文提出了一种基于ZigBee和3G技术的嵌入式ZigBee PRO的远程医疗监护系统，采用生理传感器数据检测与远程无线传输的方法，可对在家庭和社区的被监护对象进行实时地监控，使被监护对象能够拥有较多的自由活动空间，在获得较准确的测量指标的同时，也得到了更有效的监护。

1 Zigbee PRO和3G网络简介

无线传感器网络又称为ZigBee网络，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本[2]。主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备。从2004年2月的第1个版本ZigBee 2004，到2007年开发完成的ZigBee 2007（ZigBee PRO），该协议不断完善和不断改进，在网络可靠性、网络容量、低功耗、抗干扰等多个方面，技术日趋完善。与之前版本相比较，ZigBee PRO进行了如下技术上的完善和改进[3]：① ZigBee PRO是工业级和商业级协议栈。② ZigBee PRO适合于大型网络（超过1000个节点的大型无线传感器网络）。③ ZigBee PRO改进了路由方式，使路由更加可靠，路由表格更加节省内存[4]。④ ZigBee PRO增加了高级跳频技术，具有超强网络抗干扰能力。⑤ ZigBee PRO可以分包传输长数据包。⑥ ZigBee PRO提供商业级的加密通讯[5]。

2 总体结构设计

基于ZigBee PRO的低功耗远程医疗监护系统包括3个组成部分（图1）： ZigBee PRO节点的便携式远程医疗监测设备，ZigBee PRO-3G网络和远程医疗监护系统平台。通过在便携式远程医疗监测设备的ZigBee PRO 无线传感器节点、多级路由节点以及集中器构成无线传感器网络实现数据通信的网络化传输；集中器整合ZigBee PRO-3G网络，将数据发送至远程医疗监护系统平台；远程医疗监护系统平台的数据处理系统对相关数据进行整理，并及时反馈给医务人员进行分析处理。

图1 基于ZigBee PRO的低功耗远程医疗监护系统总体结构设计图

3 关键技术的实现

3.1 生命体征传感器设计

本医疗监护系统生命体征监测包括：跌倒监测、心率监测、体温监测，且均采用模块化设计。各监测模块的标准接口设计，可以根据需要将各监测模块从便携式检测设备中添加或移除。

3.1.1 基于3轴加速度传感器的跌倒监测模块

跌倒监测设备我们选择ADI公司的ADXL345传感器，ADXL345是基于iMEMS技术的3轴、数字输出加速度传感器。ADXL345具有±2g、±4g、±8g、±16g可变的测量范围，最高13bit分辨率，固定的4mg/LSB灵敏度，40～145μA超低功耗，标准的I2C或SPI数字接口，32级FIFO存储，以及内部多种运动状态检测和灵活的中断方式等特性。所有这些特性，使得ADXL345有助于大大简化跌倒检测算法，使其成为一款非常适合用于跌倒检测器应用的加速度传感器。其管脚结构，见图2。

图2 ADXL345管脚示意图

对跌倒检测原理的研究，主要是找到人体在跌倒过程中的加速度变化特征。不同运动过程对应的加速度曲线也是不同的，对于跌倒过程，即速度变化，本研究主要根据跌倒过程中有可能发生的4种状态特征进行分析，这4种特征主要包括：失重、撞击、静止、翻转。将这4种状态的判断结合在一起，通过跌倒检测算法进行分析判断，并实现预警。

3.1.2 心率监测模块

心率监测模块主要使用透过型的脉搏传感器实现，其结构相对比较简单，由红外发光二极管、光敏二极管和圆筒组成（图3）。其原理是通过使用对血流敏感的红外发光二极管做光源，与之对应的光敏二极管，在一个圆筒壁上挖2个小孔(两个孔与圆筒截面的圆心在一条直线上)，一侧放红外发光二极管，另一侧放光敏二极管，当手指放入圆筒时，由于心脏压送血液的不同手指上通过的血流量也不同，其透光率也不同。光敏二极管对不同的透光率会有敏感的反映，通过的电流会随透光率而变化，把电流的变化再转换成电压的变化，然后进行测量。

图3 脉搏传感器示意图

3.1.3 体温监测模块

体温监测通过高精度热敏电阻和便携式检测设备的ZigBee PRO芯片的A/D转换电路实现。通过分析计算热敏电阻的阻值变化，再利用热敏电阻R-T关系表及分段线性化公式得到相应的人体温度。

3.2 无线定位与无线数据传输的实现

3.2.1 无线数据传输

（1）ZigBee数据采集部分，其功能主要是通过无线传感器将被监护人员的生命体征参数传输到无线传感器的网关节点。

ZigBee网络设备根据功能分为全功能设备和简化功能设备2类。又根据设备在网络中的作用，定义了3种设备，即协调器(全功能设备)、路由器(全功能设备)、节点(全功能设备或简化功能设备)。协调器主要负责建立并维护网络，路由器主要用于路由消息数据，节点可接传感器或其他终端设备获取外部数据。上述3种设备可以灵活地构成3种网络拓扑结构[6]（图4）：① 星型网络，该网络中含1个协调器和若干个节点设备，节点设备之间通过协调器进行数据通信；② 树状网络，该网络由1个协调器若干路由器、若干节点构成，节点数据可以延树状网络进行路由；③ 网状网络，该网络由1个协调器、若干路由器、若干节点构成，结构比较复杂，节点数据可以通过网状网络的最优路径传输[7]。

图 4 ZigBee 网络结构

本监护系统采用协调器作为网关节点配合3G技术进行数据传输，路由器和普通节点实现无线定位和传感器数据采集。

（2）3G数据传输。本系统采用基于3G的无线通信技术，将ZigBee网关所收集的生命体征信号发送到远端的医疗监护平台（图5）。

图 5 3G数据传输流程图

3.2.2 无线定位

通过被监护人员所佩戴的无线传感器，可以实时监控被监护人员的活动轨迹，了解当出现生命体征异常情况时的相关位置，对于帮助判断、分析被监护人员的状态是至关重要的。

本无线传感器采用TI的CC2530作为ZigBee处理芯片，其定位过程：① 首先由网关对参考节点和未知节点进行广播配置。② 一定时延后未知节点进行位置请求广播。③ 参考节点收到广播包后判断是否已有该未知节点，若没有则添加到节点列表，并做出回应[8]。④ 未知节点接收到回应包后进行单播的位置请求。⑤ 参考节点对请求进行单播的位置回应。⑥ 在收集到足够多个参考节点的位置信息（3～8条）后，将数据传输给定位引擎进行定位。⑦ 计算位置偏移量，进行修正[9-10]，完成定位。

无线网关、参考节点与定位节点的定位流程，见图6。

图6 无线网关、参考节点与空位节点的定位流程图

部分程序实现如下：

4 测试结果

本系统在实际环境中进行了初步测试，由志愿者佩戴便携监测设备并对其体温进行监测，将监测数据通过ZigBee PRO-3G网络发送到远程医疗监控平台，监测结果，见图7（其中纵坐标为采集到的实时体温，横坐标为时间）。

图 7 体温实时监测数据

在测试过程中，每隔30min采集1次便携监测设备监测到的体温数据，共采集5组数据，并与通过人体专用体温测试仪所测试值相比较，见表1，误差在0.5%以内。

表1 体温监测数据结果比较

5 结束语

本文采用无线传感器网络ZigBee Pro技术与3G网络技术结合实现了远程无线医疗监护系统具有实用性、灵活性和可扩展性的特点。该技术的应用可以使被监护对象有更多自由活动空间,使其在家里或社区得到有效地远程医疗诊断和监护。

[1] 石道生,任毅,罗惠谦,等.基于Zigbee技术的远程医疗监护系统设计与实现[J].武汉理工大学学报,2008,30(3):396-397.

[2] 李文仲,等.ZigBee 无线网络技术入门与实战M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[3] 孙利民.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[4] Brain M.Blum.ZigBee与ZigBee PRO:那个功能集最适合?[J].电子产品世界,2010,(9):48-49.

[5] 章磊,黄光明.基于RSSI的无线传感器网络节点定位算法[J].计算机工程与设计,2010,31(2):291-292.

[6] 张少军.无线传感器网络技术及应用[M].北京:中国电力出版社,2010.

[7] 钟永锋.ZigBee无线传感器网络[M].北京:北京邮电大学出版社,2011.

[8] 李文忠,段朝玉.ZigBee 2007/PRO协议栈实验与实践[M].1版.北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[9] 高明,吉祥,刘宇,等.ZigBee技术在室内定位中的应用[J].西安工业大学学报,2010,30(1):9-11.

[10] 李帅三,李佳,刘刚.基于ZigBee的胎儿心电社区远程监护系统的研究[J].中国医疗设备,2011,26(6):111-112.

Introduction of Low Power Consumption Remote Medical Monitoring System Based on Embedded ZigBee PRO

LI Qiang1, GUO Xing2, WANG Chun-shan1
1.School of Information Technology, Agricultural University of Hebei, Baoding Hebei 071001, China; 2.Emergency Surgery Department, Baoding Emergency Center, Baoding Hebei 071051, China

This paper introduces low power consumption remote medical monitoring system based on embedded ZigBee PRO and 3G. The system consists of portable remote medical monitoring devices including ZigBee PRO nodes, ZigBee PRO-3G network and platform of remote medical monitoring system. The vital signs such as blood pressure, pulse rate collected by portable monitoring devices, were transmitted by the ZigBee PRO wireless sensor network and the 3G to the remote medical monitoring system platform; the platform collate the data and feedback to the medical staff for analysis and processing timely. This system can be the sick to have more free space. At the same time the sick get more effective care from the doctor.

remote medical monitoring system; ZigBee PRO; 3G technology

TP393.17；TP212.9

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.02.007

1674-1633(2012)02-0028-04

2011-08-25

2012-01-09

保定市科技支撑计划项目（11ZF028）。

本文作者：李强，讲师，主要从事计算机网络研究。

作者邮箱：li_gulit486@163.com