基于蓝牙无线传感网络的病人 身体状态实时监护系统设计

王 平，秦 威

(1.同济大学 嵌入式系统与服务计算教育部重点实验室，上海 20092；2.西华大学 电气信息学院，四川 成都 610039)



基于蓝牙无线传感网络的病人 身体状态实时监护系统设计

王 平1,2，秦 威2

(1.同济大学 嵌入式系统与服务计算教育部重点实验室，上海 20092；2.西华大学 电气信息学院，四川 成都 610039)

基于蓝牙无线传感网络设计实现了病人身体状态实时监控系统，目的是实时监测病人的各项生理状态参数，了解病人院外活动过程中的身体状态，保障病人的安全。通过基于蓝牙传感器的病人身体状态采集系统、无线通信系统、病人监护中心3个部分实现了病人身体状态实时监控系统。病人身体状态采集系统通过蓝牙无线传感器对病人的主要生理参数和运动参数进行不间断的实时监测，并借助便携式监护通信终端，将病人的各项数据传输给医院监护中心；监护中心接收来自各病人的数据并存储在数据库中，实时判断病人的身体健康状态，有异常时及时预警，另一方面，可在需要时以图形化的方式显示病人各项生理参数的变化，以提供给医生进行分析。研究结果表明，该系统能够实现对远程病人身体状态的实时监护，经过对样机系统的测试，该系统实现了对病人生理参数的实时采集、传输和存储，并可在心率异常时实时预警，有比较重要的实用价值。该系统还可以加入运动传感器、定位系统和信息融合算法来实现对病人的定位和跌倒监测，以帮助病人在出现异常状态时能够迅速得到救治。

蓝牙；无线传感器；身体状态；监控

0 引 言

为了了解病人院外活动过程中的身体状态，需要实时监测病人的各项生理状态参数，随着信息和通信技术的发展，在医院之外，为病人和高风险人群提供身体状况监护手段，及时发现他们身体的异常变化，为危险人群提供健康监护已经成为迫切要求，目前，便携式或可穿戴健康监测系统的研究已经成为一个热点。

便携式可穿戴健康监测系统的研究工作起源于80年代末美国国防部资助的“战时生命体征监测、伤情检测系统”的研究，但由于当时技术限制没有太大进展，随着嵌入式和微型化技术的发展，在2002年，佐治亚理工学院研制出了智能衬衣[1]，可以将心率、呼吸率等生理传感器嵌入士兵穿着的衬衣中，实现基本生命体征的测量。这一标志性成果推动了健康监测系统研究的全面开展。目前正在开发的健康监测系统主要有2类，一是远程病人监测系统，如心血管病人遥测监护系统、家庭健康监视系统等[2]，这些系统能够通过通信网络将采集到的病人生理参数实时传送给医院，由医生进行远程诊断或病情监视。另一类是可随身携带的便携式或可穿戴健康监测系统(WHMS)[3-4]，不断进步的无线通信技术[5]、微型传感器技术[6]、便携设备技术[7]、微电子技术，以及先进的算法正使得实现这一目标成为可能[8]。目前多家研究机构已经提出或实现了多种便携式或可穿戴监测系统原型机，如纺织物传感器和微型智能传感器[9]、多点传感器[10]、基于蓝牙传感器的躯体局域网、个人健康监视系统等，这些系统都提供了传输生理参数和超过预定义值报警等基本功能。在国内，复旦大学方祖祥等研发了院外心脏病人远程实时监护系统、重庆大学郭兴明等研发了基于智能手机的心电实时监护系统。尽管目前已有一些研究成果，但前面所述绝大多数健康监测系统目前仍处于原型设计或功能测试阶段，远未达到实用的要求。而且基本上都是使用有线传感器采集数据，病人身上需要缠上各种导线，给病人活动带来很大麻烦，基于此，文中提出了一种基于蓝牙无线传感网络的病人身体状态实时监控系统。

蓝牙作为一种短距离无线通信技术标准，它可以让许多智能设备无线互连，可以传输文件和数据，支持语音通信，由于蓝牙传感器具有移动性好、灵活性高的特点，因此已经应用于一些传感器集成系统。微型化、低功耗和低成本的蓝牙在人们日常生活中的应用中开拓了空间，同时也给蓝牙技术在医学仪器中的应用提供了机遇。利用蓝牙无线传感网络，被监护病人身上只需安装轻便的无线传感器，无需导线连接，就可以实现自由灵活地运动中数据采集。基于蓝牙无线传感网络的病人身体状态实时监控系统一方面可以实时监控记录病人的生理参数和运动参数，另一方面可早期发现病人的病症迹象，以使病人得以被及时救治。

1 系统总体方案设计

本系统包括基于蓝牙的病人身体状态采集系统，无线通信系统，病人监护中心等3个主要部分，如图1所示，系统的主要功能包括：在不影响病人病人正常训练、生活的基础上，利用多种生理和运动参数监测无线传感器，对病人的主要生理参数和运动参数进行不间断的实时监测，分析病人生理参数和运动参数的变化对病人成绩的影响，并借助无线传感器网络，将病人的各项数据上传给监护中心；监护中心接收来自各个病人的数据并存储在数据库中，在需要时可以以图形化的方式显示病人各项参数的变化并进行数据分析，以提供给医生或病人分析在院外的生理参数和运动参数，以发现病人的异常状态，提高病人生活质量。

图1 病人身体状态实时监护系统结构图

2 病人身体状态采集系统

病人身体状态数据采集系统由基于蓝牙技术的无线传感器及身体状态采集与通信终端组成，为了保证病人的训练不受身上佩戴的设备的影响，要求无线传感器和通信终端要尽量轻便和微型化，在病人身上佩戴的无线传感器主要包括心音传感器、血压传感器、脉搏传感器和加速度传感器，心音、脉搏和血压传感器用于监测生理状态参数，加速度传感器用于监测运动参数。每个传感器都是一个集成了蓝牙通信设备的智能无线传感器，每个无线传感器将其采集的数据通过蓝牙通信传输给病人所佩戴的身体状态采集与通信终端，再由该终端将实时数据传递给各通信节点转发给监护中心。

针对不同的传感器，各蓝牙智能无线传感器的硬件设计有所不同，但是，它们的基本结构是一样的。蓝牙智能无线传感器的基本结构如图2所示，通过传感器检测生理和运动状态数据；并将采集的数据送到信号调理模块，进行信号的放大、滤波处理；再经A/D转换器把模拟信号转换成数字信号；最后送到蓝牙通信模块。

图2 蓝牙无线传感器硬件结构图
Fig.2 Hardware of bluetooth wireless sensor

本系统使用的心音传感器选择了HKY-06心音传感器，该传感器产品采用新型高分子聚合材料微音传感元件作为识音头，集成化信号处理、环氧树脂封装、外形小巧；能够输出高保真、低阻抗、功率信号，抗干扰性能较强；电源、输出均采用接插件连接同时提供开发接口，可以被方便地集成，为了能正确采集病人的生理参数，需要使用特殊方法保证传感器位置的固定。

血压信号首先经过压力传感器拾取，并进行适当的放大和调理，然后才能进行送如A/D转换。本系统选择Motorola公司的压力传感器MPX5050GP，其内部含有信号运放和信号调节功能，可以直接将动脉血液对血管壁的压力转换为0～4.7 V的电信号，其对应的血压值为0～375 mmHg.

本系统采用一款加速度传感器ADXL105.该传感器具有灵敏度高，体积小、重量轻、成本低等特点。在实际使用中的主要问题是：加速度传感器的灵敏度较高，易引入干扰信号，将步数和步强计错。解决这一问题的主要措施有2方面，一是要求传感器在测量时的位置固定；二是可以由监护中心在软件中对原始数据进行处理。

由于蓝牙无线传输的距离很短，仅有10 m左右，难以在运动过程中直接传送给监护中心，甚至难以传送给无线通信节点进行转发，因此，本系统的数据采集和传输由病人佩戴的身体状态采集与通信终端来完成，该终端主要由蓝牙通信接收模块、微控制器以及无线通信模块构成，蓝牙通信模块接收来自于各个蓝牙无线传感器的数据，微控制器将这些数据以一定的数据帧格式进行组帧，然后传送给无线通信模块发送给各个无线通信节点，如图3所示。文中使用的蓝牙模块是BF10标准型，支持从模式，支持64通道蓝牙替代串口线，此模块采用世界领先的蓝牙芯片供应商CSR的BlueC0re4-EXt芯片，完全兼容蓝牙2.0规范，硬件支持数据和语音传输，最高可支持3 M调制模式。

图3 身体状态采集与通信终端结构图

3 病人监护中心设计

监护中心是病人身体状态实时监控系统的核心，它能实现对来自各病人的生理和运动参数的实时显示、存储、查询与融合分析。整个系统的功能框图如图4所示，它由无线通信系统、数据处理、实时数据显示、数据库服务器、数据查询与分析终端等部分组成。

图4 病人监护中心系统结构图

实时监控终端是监护中心重要的组成部分，无线通信系统接收到来自于病人的实时数据后，经过数据处理单元将数据帧拆分后，得到对应于各传感器的实时数据，由实时监控终端显示系统显示出来，并可对各病人佩戴的终端工作状态、参数进行远程控制与查询。由于实时监控终端需要同时监控显示来自多个病人的参数，当监控对象较多时，可以使用多个终端同时显示病人的状态参数。实时监控终端显示软件采用了labview2010进行开发。

为了防止病人在院外活动中突发疾病，在监控终端中设计实现了实时分析预警功能。在接收、显示病人生理状态参数的同时，可自动对这些数据进行分析，在有疾病突发征兆时，及时通知医生并对病人报警提醒注意，文中实现了病人的心率异常预警等基本功能。

数据库服务器是整个系统数据交换的中心，为了确保病人数据的完整性，也为了方便数据的进一步分析，监护中心会将接收到的所有病人的生理和运动参数存储起来。并可以进行数据回放和分析。

4 结 论

基于蓝牙无线传感器的病人身体状态实时监控系统微型便携，能随身佩戴在病人身上，对于病人院外的活动干扰也很小，本系统一方面可以实时监控记录病人的生理参数和运动参数，另一方面可早期发现病人的病症迹象，提高病人的生活质量。测试表明，该系统能够实现健康监护的的主要功能，实现对病人生理参数的实时采集、传输和存储，并可在心率异常时实时预警，有较重要的应用价值。

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Real-time monitoring system for patients based on bluetooth wireless sensor network

WANG Ping1,2，QIN Wei2

(1.KeyLaboratoryofEmbeddedSystemandServiceComputing,MinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.SchoolofElectricalandInformationEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039,China)

For monitoring the physical condition of outpatient,and keeping patients safe,the physiological parameters of the outpatients need to be known continuously.In this paper,we introduced a monitoring system based on Bluetooth wireless sensor,and it can be used to monitor the physical condition of outpatient.The monitoring system is made up of three main subsystems:physiological parameters acquisition system based on Bluetooth sensors,Bluetooth data receiver and transmission terminal,and the monitoring center for outpatients.The physiological parameters acquisition subsystem gets the main physiological parameters and human body movement parameter continuously with Bluetooth sensor.The physiological parameters from acquisition subsystem are received by the Bluetooth unit,and it will be sent to hospital monitoring center via transmission system.The hospital monitoring center receives the data from each terminal and save them to database.The prototype system can complete main expected functions,it is very useful for outpatient monitoring.

bluetooth;wireless sensor;physiological parameters;monitoring

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0122

1672-9315(2015)01-0128-04

2014-06-10 责任编辑：李克永

同济大学嵌入式系统与服务计算教育部重点实验室开放课题

基金项目(201102)；四川省高等学校科技创新重大培育项目(09zz029)

王 平(1970-)，男，四川绵阳人，博士，教授，E-mail:ping_wang@126.com

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