基于Zigbee技术的医疗监护系统的研究与分析

司亚超 董颢霞 孟凡兴

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

随着微系统技术，网络通讯技术，计算机技术和传感器技术的飞速发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)应运而生，它做为上述技术相结合的产物，被认为是21世纪最有影响的21项技术和改变人类未来生活的10大新兴技术之一.

随着传感器技术，无线通信技术和无线传感网技术的发展，Zigbee技术被用于建立医疗监护系统.因其低速率低功耗、网络容量大、灵活的组网方式等特点，非常适合于应用在无线医疗监护系统中.

1 Zigbee技术概述与分析

根据IEEE 802.15.4协议标准，ZigBee的工作频段分为3个频段，这3个工作频段相距较大，而且在各频段上的信道数据不同，各频段上的调制方式和传输速率也不同.这三个频段分别为868MHz(欧洲频段)，915MHz(北美频段)和2.4GHz(全球通用)，均为免执照频段.Zigbee作为短距离无线通信的代表，具有低功耗、低成本、时延短、网络容量大、可靠、安全等基本特点.

Zigbee是一个由若干个无线数传模块组成的无线数传网络平台，最大模块数可以增加至65000个.每一个模块都可以看作是一个移动网络中的一个基站，功能也和基站类似.由这些模块构成了网络整体，支持模点之间的相互通信.单独一个Zigbee的传输距离并不大，大约在10-75 m的范围内.但是，作为一种新型的无线通信技术，Zigbee网络可以将各种不同结构的Zigbee网络连接起来，扩展后的网络范围可达几百米，甚至几公里；同时整个Zigbee网络还可以与现有的其它各种通信网络互联.

Zigbee网络所遵训的无线网络协议是国际标准的七层开放式系统互联(OSI)模型，但是与OSI不太相同.Zigbee的基础是IEEE 802.15.4，在此协议中定义了低级MAC层和物理层(PHY)协议，Zigbee联盟扩展了IEEE，对网络层协议和API进行了标准化.其中应用层的框架包括了应用支持子层(APS)、Zigbee设备对象(ZDO)和由制造商制订的应用对象，具体结构如图1所示.Zigbee拥有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信.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.

Zigbee网络主要有网状形(Mesh)、星形(Star)和簇树形(Cluster Tree)结构.其中，最主要的是网状结构，每一个Zigbee模块可以作为一个节点，可以同时与31个传感器和受控设备通信协同工作，每一个传感器和受控设备都有8种不同的接口方式，用以采集和传输数字量和模拟量.

图1 Zigbee无线网络协议结构图

2 基于Zigbee技术的医疗监护系统设计

本文设计的医疗监护系统的功能是采集人体生理参数如血压、心率、血氧含量等，然后将得到的数据通过Zigbee无线网络传输到PC机的数据库中.在PC机上建有web服务器，医护人员可以随时查看实时的病人生理参数数据.如果出现异常情况，如血压过高、体温过高等.医护人员就可以得到此信息.从而提供准确的医疗服务.虽然监控的人体生理参数不同，但无线监控网络节点组成结构基本都是相同的.主要包括五部分：传感器、A/D转换及相关调理电路、处理器模块、无线数据通信模块、电源模块.如图2所示.

图2 监护系统网络节点框图

数据采集单元包含采集脉搏、血压、血氧、心电图等参数的多种传感器，信号调理电路负责把来自传感器的信号进行调理，过滤掉多余的噪声信号，从而满足A/D转换的要求.

A/D转换模块负责将经调理电路调理到满足A/D转换要求的信号转换成数字信号传送给处理器模块.

处理器模块是无线传感器节点核心部分，所有的计算都在此完成，处理器不仅需要处理能力强，超低功耗、外形尽量小，而且要有通用IO端口和通信接口，并有安全性保证.在系统中，我们使用了MSP430系列单片机，它是由TI公司生产的.MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构，具有丰富的寻址方式、高效的查表处理指令，这些特点保证了可编制出高效率的源程序.源电压采用的是1.8-3.6 V电压.因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165 μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1 μA，功耗极低.

医疗监护设备都不能有太高的电磁辐射，监护设备既要有一定的抗干扰能力，也不能去干扰别人.本系统在设计时充分考虑了这一点，使用了Nordic公司的无线收发芯片nRF2401，它将射频、增强型8051MCU内核、9通道12位ADC、外围元件、电感和滤波全部集成到单芯片中.内置专门的稳压电路，使用各种电源包括DC/DC开关电源均有很好的通信效果；内置CRC纠错硬件电路和协议，方便软件开发；利用DuoCeiver技术可以同时接受两个不同频率的数据.集成度高，低电压、低功耗采用0.18 μmCOMS工艺，体积小，外围器件少，便于嵌入到既有的产品中，轻而易举实现无线感测和监控网络功能.

监护传感器节点需要佩戴在病人身上，能源不可能使用工业电能，而只能自身存储.传统锂电池寿命长、能量密度大、能循环使用.所以本设计采用一节锂电池供电.

3 总 结

Zigbee技术是目前最活跃的一种无线通信技术，它不仅具有技术上的优势，同时还得到了IEEE国际标准化组织的认可，从而极大地激发了它在各个领域的应用.

本论文提出了基于Zigbee技术的医疗监护系统的解决方案，可以对病人的生理参数进行实时的监控，便于医生更快的了解知道病人的病情，并在第一时间采取合理的医疗措施.同时该技术的应用也为病人提供了更多的自由，他可以在除医院以外的更多地方接受远程医疗诊断和监护.

参 考 文 献

[1]I.F.Akyildiz,E.Cayirci.Wireless sensor networks:a survey Computer Networks.IEEE Communications Magazine,2002,40(8):102～114

[2]ZigBee Alliance.Zigbce Specification v1.1.2006

[3]张崇.单片2.4 GHz无线收发一体芯片nRF2401及其应用．国外电子元器件，2004；6：34～36

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[5]刘文吉.基于射频收发芯片nRF2401的近距离射频研究.自动化与仪表，2006；1：75～78

[6]廖平，乔刚.基于nRF2401的近距离点对多点无线通信系统.无线通讯，2005；11：18～20