ZigBee生命体征监测系统设计

唐晓艳，金涛，洪英豪

(福州大学电气工程与自动化学院，福建福州 350116)

0 引言

生命体征通常包括心跳、脉搏、血压及体温等参数，在正常情况下，这些体征值维持在一定的范围内．生命体征的变化和异常，可以反映出机体状态的动态变化与病理．因此，生命体征监测可为临床诊断、医疗及救护提供重要的基础和依据．传统的生命体征监测主要由医护人员进行测量，由于人工操作存在差异性，检查值易产生误差，而体征数据的传递也是由人工完成，这样就造成了信息的延迟，有可能因此无法及时掌握患者的病理变化致使救护延时，发生不良事故．目前，国内医院对生命体征的实时监测主要运用于重症监护室，虽然避免了上述问题，但监测需将病人集中固定且只能针对少数患者．因此，为了大多数患者去拓展具有普遍性、实时性、低成本和低功耗的监测服务系统十分必要．基于ZigBee网络的生命体征监测系统在很大程度上有利于监测病患体征，包括正在移动中的病患［1］．

1 ZigBee简介与网络组成

ZigBee技术是基于IEEE802．15．4标准的短距离无线通信技术，其在低速无线通信领域有着重要作用，为无线传感器网络的应用程序提供了网络基础设施．ZigBee协议在IEEE802．15．4标准之上定义了网络层和应用层［2］，这些协议都是用于需要电池寿命长、成本低、占用空间小及mesh网络来支持大量的设备之间，设备的应用程序在需协作和多应用的环境进行通信．IEEE802．15．4标准定义了物理层(PHY)和介质访问层(MAC)．应用层和网络层/安全层由ZigBee联盟制定，MAC层和物理层使用802．15．4标准，每一层向上一层提供指定的数据和管理服务．

ZigBee网络由分布于空间的传感器组成，这些传感器用于采集数据，经控制芯片处理，通过高射频频道进行相互通信．网络具有自主性、短距离通信和多路由中转发射的特点，拓扑会因为信号衰退、节点故障和功率限制等原因产生变化．由于传感器节点必须使用电池驱动，为了保证长时间的电池使用寿命，每个传感器网络须包含合适的低功耗传感器节点．另一方面，生命体征监测系统要求网络可以承受大吞吐量、微小的延时和高可靠性．传感器频繁采样，产生了大量数据，致使网络高负载运转，这与传统的无线网络运作方式不同．生命体征监测系统网络分布如图1所示．远距离的终端采集处理生命体征信号后，通过ZigBee网络连接到路由器．路由器发送数据到协调器，较近的终端可直接发送数据至协调器，由协调器上传数据至上位机以达到无线监测生命体征的目的．

图1 生命体征监测系统网络分布Fig．1 The distribution of vital signs network

2 硬件设计

监测样机终端的传感器模块采集生命体征信号，由A/D转换模块和捕捉模块分别转化及计算得出体温、脉搏和呼吸数据．数据经单片机控制在LCD1602上显示，并将数据通过异步串行通信传输给ZigBee的终端设备．终端将数据打包通过ZigBee网络无线传输给协调器，上位机接收协调器上传的数据．系统硬件框图如图2所示．

监测生命体征的终端硬件主要分为电源模块、显示模块、控制模块、传感器模块和无线射频模块．电源模块选择可反复充电的大容量9 V锂电池，采用三端稳压芯片7805和1117进行降压输出5 V和3．3 V电压，分别向各个模块供电．LCD显示模块使用的是液晶显示器LCD 1602，该款液晶显示器由16×2个点阵字符位组成，每个字符位可以显示一个字符(即可以显示16×2个字符)，而且各字符位之间有一个点的间隔．控制模块是基于MSP430F149［3］单片机最小系统．MSP430F149有两个外部时钟，XT1外接低速的32．768 k晶振，XT2外接高速的8 M晶振．在低功耗下，使用32．768 k提供计时脉冲;当外设需要高速时钟频率时，则可以开启8 M晶振．这样配置实用方便，能有效地节约电源．而且，在超低功耗工作模式下，芯片对人体和环境的辐射小，电磁干扰弱，可靠性能良好．

图2 系统硬件框图Fig．2 The system design flowcharts of hardware

2．1 体温模块

体温模块选择PT100热敏电阻作为温度传感器．PT100热电阻是正温度系数热敏元件，当温度为0℃时，PT100电阻值为100Ω;温度超过0℃时，每上升1℃阻值约增加0．39Ω［4］．测温采用高精度四线制电路，热敏电阻的一对电源线接恒流源，另一组信号线接于差动放大电路的输入端，根据热敏电阻的电压温度特性即可得到对应的温度值．测温模块的电压与温度关系如图3所示．

图3 温度传感器电压温度特性Fig．3 The temperature voltage characteristics of temperature sensor

2．2 脉搏模块

脉搏信号采集模块采用常见医用夹指式脉搏传感器HKG－07A［5］以实现无创检测．手指夹于传感器的光耦之间，发光二极管发生光源，透射的光由光敏三极管接收，光的强度大小决定了光敏三极管回路输出的电压信号大小．由于手指微血容积会随心脏律动而变化，血液对光的吸收也会随之变化［6］．透光强度与血管搏动容积关系为:

式中:εa为总吸光系数;ca为血液浓度;ΔI为透光强度变化量;I0为单色光强度;ΔVa为血液容积变化量．式(1)经变换后可得式(2)．

指端微血容积变化率与光强变化率成正比．将光信号转化为PPG信号［7］，PPG信号再经过电路放大、调理、滤波、整形输出矩形脉冲．实测输出波形如图4．

2．3 呼吸模块

呼吸传感器模块采用HKH－11B．呼吸传感器包括压电材料、滤波放大电路和信号调理电路．压电材料通过采集于人体呼吸产生的腹部压力起伏信号，将压力信号转换为电信号．电信号经滤波放大电路输出具有一定频率，幅值小于5 V的电压波形．实测的一段输出波形，该波形经调理电路整形为矩形脉冲，如图5所示．

图4 HKG－07A输出信号Fig．4 The output of HKG －07A

图5 HKH－11B输出信号Fig．5 The output of HKH －11B

2．4 血压模块

血压模块采用血压传感器HKB－08B．该模块包括血压传感电路、滤波放大电路、血压脉冲触发电路、控制芯片电路．血压传感器模块采用振波法，从手臂肱骨动脉处检测到脉搏波和袖带压力波，通过波形检测分析得到收缩压、舒张压等参数．控制模块的MSP430F149通过异步串行通信接口USART1向血压传感器发送血压检测指令，血压传感器HKB－08B开始工作并处理所采集的血压信号，将处理后的血压数据发送至单片机MSP430F149．

2．5 无线模块

终端无线发送模块、路由和协调器接收模块均采用TI公司的无线射频芯片CC2530，其硬件结构如图6．无线射频芯片CC2530支持ZigBee协议，其体积小、功耗低、成本低，支持的标准新，灵敏度高．CC2530内部自带RF收发器、21个I/O口、看门狗电路、AES安全协议处理器、2组支持多种串行通信协议的串口和电池监视器等．终端无线发送模块与单片机控制模块通过异步串行通信接口USART0连接，如图7(a)．协调器需通过RS23转USB电路接入电脑，如图7(b)．

图6 CC2530硬件结构Fig．6 Hardware structure of CC2530

图7无线模块连接图Fig．7 Connection diagrams of wireless module

3 软件设计

软件设计分为MSP430F149单片机程序和ZigBee无线模块的CC2530程序设计，单片机程序主要包括:体温信号的AD转换程序、脉搏和呼吸信号的捕捉程序、血压信号的采集程序、与无线模块的通信程序、LCD显示程序等，软件总流程如图8所示．

图8 软件流程图Fig．8 The software flow diagram of the system

AD采样结果X与输入电压Vin的关系为:

根据温度传感器的电压温度特性可得:

式中:θk－1和Xk－1为插值表左端点对应温度和AD值;θk和Xk为右端点对应温度和AD值．

脉搏信号与呼吸信号输入为矩形脉冲．只要捕捉相邻两次触发信号的上升沿，计算出的信号差值，即可得人体每分钟脉搏数与呼吸次数．为防止单次取样可能存在的误差，程序采用算术平均滤波．连续采样捕捉计算的时间差，求出平均值，计算公式如下:

由于血压采集不需要太频繁，程序采用单片机按键触发中断，当按键按下，单片机发送血压检测指令．单片机与血压传感器的通信程序设置波特率为9 600 bit·s－1．

ZigBee程序设计主要是通过使用 Zig-Bee2007协议栈［8］来实现的，分为数据发送和接收两个部分．终端无线发送模块的处理过程和协调器接收过程分别如图9(a)和(b)所示．CC2530的异步通信串口的波特率设置为9 600 bit·s－1．

图9 无线通信模块程序流程图Fig．9 The software flow diagram of the wireless module

4 实验

由于温度参量变化缓慢，定时测试样机所测数据如图10所示．图中，参考温度由医用电子温度计测得，温度传感器相对误差小于1%．样机脉搏传感器的测量值见图11，其中参考脉搏值由商用脉搏计所测，其相对误差小于3%．

图10 温度测试Fig．10 The results of temperature test

图11 脉搏测试Fig．11 The results of pulse test

样机呼吸传感器测得呼吸次数见图12．图示参考每分钟呼吸次数由秒表测量所得，相对误差不到6%．实际测量呼吸频率与参考呼吸频率的差值每分钟在1次以内．血压传感器所测定的高压值见图13(a)，低压值见图13(b)．其中参考高低血压值由医用血压计测得，样机血压传感器高压部分和低压部分测量值与参考值的差值在±5 mmHg(1 mmHg=0．133 322 kPa)以内，满足误差要求．各传感器模块的误差值见表1．

图12 呼吸测试Fig．12 The results of breathing test

图13 血压测试Fig．13 The results of pressure test

表1 传感器模块误差Tab．1 The errors of sensors

5 结语

在社区、家庭等远离医院的环境下，通过人体植入或佩戴监测设备采集生命体征数据，经由无线传感器网络将数据传输至医疗中心或医生个人的电脑，由后台运行分析并可提出指导性建议．在遇到异常体征数据时，及时发出警告，并调动医疗资源进行有效救助，降低死亡率．特别是老弱病残在无人照看的情况下，该系统可提供有效的监护，合理地节约了医疗资源．

［1］Malhi K，Mukhopadhyay SC，Schnepper J，et al．A ZigBee－based wearable physiological parameters monitoring system［J］．Sensors Journal，2012，12(3):423 －430．

［2］曾潇，袁礼，兰波．基于ZigBee技术的通用开放式无线测控系统的构建［J］．中国测试技术，2008，34(5):57－60．

［3］Zhu Pinwei，Hu Chunhua．Design of wireless electronic scale based on MSP430 microprocessor［J］．AASRI Procedia，2012，6(1):581－587．

［4］于铄航，李建新，贺琳．基于Pt100铂热电阻的测温电路设计［J］．工矿自动化，2014，40(6):113－115．

［5］郑争兵．脉搏信号检测仪的设计与实现［J］．自动化仪表，2012，33(11):77－79．

［6］张伯英．指端光电容积脉搏波在循环功能动态监测中的意义［J］．生物医学工程与临床，2010，14(2):142－145．

［7］张俊利，蔺嫦燕．容积脉搏波的检测方法及其在评价心血管功能方面的应用［J］．北京生物医学工程，2007，26(2):220－224．

［8］李文仲，段朝玉．ZigBee 2007/PRO协议栈实验与实践［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2009．