基于無線傳感網(wǎng)絡的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的研究

1、學校代碼 10126 學號 00812024 分 類 號 密級 本科學年論文（設計）基于無線傳感網(wǎng)絡的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的研究學院、系 電子信息工程學院電子系 專業(yè)名稱 電子信息科學與技術 年 級 2008級 學生姓名 單得垿 指導教師 武慧娟 2010年 10 月 6 日基于無線傳感網(wǎng)絡的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的研究摘要：本文介紹了一種基于無線傳感網(wǎng)絡技術的嵌入式遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。首先，以各種無線通信生理指標傳感器為核心，設計了一種可擴展的基于無線傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)護/Zigbee協(xié)議作為節(jié)點和基站設備所使用的近距離通信標準，建立了系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構模型。進一步討論了聯(lián)入Internet網(wǎng)絡或者通過mod

2、em接入Internet網(wǎng)絡的可行性。該系統(tǒng)可以應用于家庭以及醫(yī)院病房，構成遠程的家庭、社區(qū)以及醫(yī)院的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。關鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡 ，遠程醫(yī)療監(jiān)護，/ZigbeeBased on wireless sensing network long-distancemedical monitoring system's researchAuthor:Shan dexu Tutor: Wu huijuanAbstract: An embedded remote health care system based on wireless sensor network technology is

3、established. Firstly, a new system architecture is proposed which introduces a scalable wireless sensor network with a variety of wireless physiological sensor nodes. Then the designs of several wireless physiological sensor nodes and the care base2station are presented. Wireless communication betwe

4、en the sensor nodes and the care base2station is realized with IEEE 802. 15. 4 / Zigbee standard, and the care base2station and the remote central server are connected in one of the following ways, including computing network, and telephone modem. The system can be used at home or in hospitals to fo

5、rm a remote health care system among home, community and hospital.Key words: wireless sensor network ，remote health care，IEEE 802. 15. 4 / Zigbee 目 錄第一章 前言11.1分布式醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)簡介11.2無線傳感網(wǎng)絡技術介紹2無線傳感網(wǎng)絡概述2無線傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)療監(jiān)護方面的應用2無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構31.3 研究背景和意義41.3.1研究背景4研究意義5第二章 基于無線傳感網(wǎng)絡的家庭監(jiān)護系統(tǒng)結構模型設計62.1遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)構成62.1.1遠程醫(yī)

6、療監(jiān)護系統(tǒng)總體功能框圖6信息中心模塊圖72.2遠程家庭監(jiān)護系統(tǒng)對網(wǎng)絡的要求72.3家庭監(jiān)護網(wǎng)絡體系結構設計7第三章 監(jiān)護系統(tǒng)硬件設計93.1傳感器節(jié)點設計關鍵技術9無線數(shù)據(jù)通信單元9生理信息與數(shù)據(jù)采集單元103.2無線網(wǎng)關103.3監(jiān)護基站設備設計11第四章 監(jiān)護系統(tǒng)軟件設計134.1Zigbee技術的主要特點134.2網(wǎng)絡拓撲結構模型144.3無線網(wǎng)絡監(jiān)護系統(tǒng)軟件結構14結論17參考文獻18致謝191前言   無線傳感器網(wǎng)絡是由大量的傳感器節(jié)點采用無線自組織方式構成的網(wǎng)絡，其應用前景廣闊。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無

7、線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術如藍牙技術、射頻技術等，ZigBee技術將是最低功耗和成本的技術。醫(yī)療監(jiān)護儀器目前可以分為兩類，一類是指在醫(yī)院內(nèi)由職業(yè)醫(yī)生或?qū)I(yè)技術人員使用的專門儀器，對病人進行生理指標的監(jiān)護;另一類是在普通人員的家庭內(nèi)或者戶外，在醫(yī)生的指導下，由病人本人或者家屬使用遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)對病人進行監(jiān)護，所得到的生理指標將及時傳送給相關醫(yī)生。目前，醫(yī)院所使用的監(jiān)護方法，大多使用固定的醫(yī)療監(jiān)護儀，連接設備將傳感器探頭連接在病人與監(jiān)護設備之間進行信號的傳遞。復雜的設備，眾多的連線，會造成病人心理上的壓力和

8、緊張情緒，可能會影響病人身體狀況，使得診斷所得到的數(shù)據(jù)與真實情況有一定差距，給病人和醫(yī)護人員都帶來不便，可能會影響對病情的正確診斷。隨著社會老齡化的加劇，解決長期慢性病的監(jiān)護成為重要的社會問題。一些突發(fā)性疾病和家庭保健，如心血管疾病、老人的日常護理、孕婦、胎兒、嬰兒、幼兒的保健也需要長期的家庭監(jiān)護。由于我國醫(yī)療資源緊缺，研究基于公用網(wǎng)絡的家庭醫(yī)療監(jiān)護，建立小區(qū)醫(yī)療網(wǎng)絡，利用遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)可以提高醫(yī)療服務水平，減輕病人負擔。以往的解決方案是采用有線方式或簡單的無線數(shù)據(jù)發(fā)射接收方式。被監(jiān)護者身上安裝的傳感設備難以自由靈活地移動和接入，系統(tǒng)沒有擴展性，成本高。Zigbee 技術的出現(xiàn)為傳感器信號的

9、無線傳輸提供了新的解決方案。Zigbee節(jié)點有幾十米的覆蓋范圍，且可以增加路由節(jié)點，擴展覆蓋范圍，因此適用于家庭住宅。同時由于生理監(jiān)護信號的數(shù)據(jù)傳輸流量不大，傳輸速率為250kbps的Zigbee能夠滿足生理數(shù)據(jù)傳輸要求。Zigbee傳感節(jié)點可自由靈活地加入和離開網(wǎng)絡，相對具有低功耗和低成本的特點。Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的上述特點使其在個人生理信號監(jiān)測和遠程家庭監(jiān)護方面將有很好的應用前景。本文在分析Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡技術的基礎上，對其在移動監(jiān)護的應用進行了研究。 1.1分布式遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)簡介 遠程醫(yī)療監(jiān)護技術是近年來遠程醫(yī)療中的一個研究熱點，也是一個相對薄弱的環(huán)節(jié)，歐美各國一直

10、致力于對遠程監(jiān)護的研究，我國近年來也開始推動其發(fā)展。遠程監(jiān)護可以定義為通過通信網(wǎng)絡將遠端的生理信息和醫(yī)學信號傳送到監(jiān)護中心進行分析并給出診斷意見的一種技術手段，因此遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)一般包括三個部分:監(jiān)護中心、遠端監(jiān)護設備和聯(lián)系兩者的通信網(wǎng)絡。遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)具體實現(xiàn)方式多樣，監(jiān)護對象可以在家中、戶外進行監(jiān)測;測量可以由患者或家庭醫(yī)生完成;測量結果既可以本地分析存儲也可以傳輸?shù)奖O(jiān)護中心后分析處理存儲，并可通過網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程專家會診。1.2無線傳感器網(wǎng)絡技術介紹無線傳感網(wǎng)絡概述 無線傳感器網(wǎng)絡是一種無基礎設施的網(wǎng)絡，其綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，可以使人們在任何環(huán)

11、境條件下獲取大量詳實可靠的信息。因此，這種網(wǎng)絡體統(tǒng)可以被廣泛的應用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、工農(nóng)業(yè)、反恐抗災等領域。如果說Internet構成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么無線傳感器網(wǎng)絡就是將邏輯上的信息上的邏輯世界和客觀上的物理世界融合在一起，改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式。人們可以通過傳感器網(wǎng)絡直接感知客觀世界，從而極大地擴展了現(xiàn)有網(wǎng)絡的功能和人類認識世界的能力。美國商業(yè)周刊和MIT技術評論在預測未來技術發(fā)展的報告中，分別將無線傳感器網(wǎng)絡列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10大技術之一。無線傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)療監(jiān)護方面的應用 醫(yī)學臨床監(jiān)護技

12、術就是把患者的各種重要生命體征及時、準確的提取出來進行處理、分析，幫助醫(yī)護人員對患者病情進行監(jiān)測和防護的技術。在現(xiàn)有醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中，患者身上佩戴的傳感器采集的數(shù)據(jù)多通過串口電纜（RS232/485）傳送到PC上或者通過串口聯(lián)網(wǎng)服務器傳到局域網(wǎng)上。由于所檢測的信號大多是人體信號，而人體處于自然狀態(tài)時的信號才能真實的反應去生理狀況。因此將檢測設備通過有線方式連到人體上進行監(jiān)測的傳統(tǒng)方法會使患者感到拘束，從而導致所檢測到的數(shù)據(jù)不準確。特別在病房里，各種連線不僅時病人感到不舒服，而且會時病房看起來雜亂無章，影響醫(yī)護人員的工作效率。應此醫(yī)療單位希望以一種低成本、高可靠性的無線傳輸方案來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線方式

13、。無線局域網(wǎng)具有微功率、抗干擾強、組網(wǎng)靈活等特點，時實現(xiàn)無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的理想選擇。目前無線技術在醫(yī)療領域中的應用比較廣泛，但大都是具有基站星型拓撲結構的應用，并不是真正意義上的無線傳感器網(wǎng)絡。傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)療領域的成功實例有:SSIM (Smart Sensors and Integrated Microsystems)項目中，100個微型傳感器被植入病人眼中，從而幫助盲人獲得了一定程度的視覺。借助于各種醫(yī)療傳感器網(wǎng)絡，人們可以享受到更方便更舒適的醫(yī)療服務，比如:傳統(tǒng)的有線監(jiān)護設備體積比較大，耗電量高，成本比較高，大大限制了康復期病人和需要監(jiān)護的中老年患者的活動，也無法實現(xiàn)對處于正常生活和工

14、作條件下的患者進行長時間的連續(xù)監(jiān)測。為了達到與病房監(jiān)護一樣的效果，在家中安裝一個帶有無線接收模塊的接收器，使病人隨身攜帶的監(jiān)護醫(yī)療設備通過無線發(fā)送模塊將病人的數(shù)據(jù)傳送到接收器，接收器與Internet網(wǎng)連接，通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送到醫(yī)院和社區(qū)醫(yī)療中心，達到遠程醫(yī)療監(jiān)護的目的。病變器官觀察:通過在人體器官中植入一些微型傳感器，隨時觀測器官的生理狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)器官的功能惡化，及時采取治療措施從而挽救病人生命。但是推廣這種想法前，還需要突破許多技術瓶頸，這些醫(yī)療傳感器必須非常安全;工作能源要從人體自動獲取;系統(tǒng)穩(wěn)定、基本不需維修。無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構(1)節(jié)點組成無線傳感器網(wǎng)絡由大量靠近或處于待監(jiān)測

15、目標內(nèi)部的傳感器節(jié)點組成。在不同應用中，節(jié)點的組成略有不同)，但都包括以下基本單元:傳感器單元(傳感器及相關信號調(diào)理和數(shù)模轉(zhuǎn)換等)、處理單元(CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng))、通信單元及電源(包括相關電源管理)。此外還可以有其它功能單元:定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)、執(zhí)行機構、電源自供電裝置及復雜信號處理(包括聲音、圖像、數(shù)據(jù)處理及信息融合)，可以根據(jù)不同的應用做出取舍。傳感器節(jié)點通過自組織的方式組成網(wǎng)絡。由于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)量巨大，因此傳感器節(jié)點的成本必須盡可能的低，同時無線傳感器網(wǎng)絡的工作環(huán)境和工作方式?jīng)Q定了傳感器節(jié)點必須體積小、功耗低、功能盡可能單一。目前國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了許多種網(wǎng)絡節(jié)點的設計

16、，在功能實現(xiàn)上類似，只是在微處理器和通信方式上的選擇不同，比如無線通信方式采用自定義協(xié)議的ISM頻段(Industrial, Scientific&Medical)射頻技術、藍牙技術、Zigbee協(xié)議、UWB等。(2)網(wǎng)絡的體系結構及整體構建星形網(wǎng)絡中所有節(jié)點都與中心協(xié)調(diào)器通信，節(jié)點間不能直接通信，中心節(jié)點的能量消耗大。適合于網(wǎng)絡節(jié)點較少、網(wǎng)絡結構簡單、小范圍的網(wǎng)絡應用。而點對點網(wǎng)絡中只要通信雙方都在其輻射范圍之內(nèi)，任何兩個設備之間都可以通信。點對點網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器主要負責實現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息，認證設備身份等功能。點對點網(wǎng)絡支持Ad Hoc網(wǎng)絡，且可以構造更復雜的網(wǎng)絡結構。在家庭監(jiān)護系統(tǒng)

17、中，被監(jiān)護對象可能在多個房間內(nèi)活動，為了能隨時擴大覆蓋范圍，且方便以后功能擴展，選用簇狀網(wǎng)絡拓撲結構。在與互聯(lián)網(wǎng)的連接方面，建立Zigbee無線網(wǎng)絡與以太網(wǎng)的網(wǎng)橋，將監(jiān)護信息傳送到監(jiān)控服務器，實現(xiàn)對服務器的共享。1.3研究背景和意義研究背景 聯(lián)合國發(fā)表報告指出:當二十一世紀上半葉到來時，全球人口將增加0.6倍，而老年人口將增加2.3倍，老年人口占總人口的比例將上升到20%，由此衍生出許多關于老年人醫(yī)療與照顧的社會問題。 2002年12月16日在曼谷召開的第5屆亞太人口會議中中國國家報告指出，中國人口主要死因依次為:惡性腫瘤、腦血管、心血管、呼吸系統(tǒng)疾病等。慢性非傳染性疾病已對人民健康和生命構成

18、嚴重威脅，預防控制慢性非傳染性疾病是21世紀的重點任務。 慢性病和退化性疾病需要長期追蹤與治療，但大量病人不可能長期留在醫(yī)院接受治療，而是大多采取定期回院復診的治療方式，缺乏長期有效的病情監(jiān)控與護理，即浪費了病人往返醫(yī)院的時間金錢，也增加了病人的精神壓力，特別是有些慢性病(如癲癰)需要監(jiān)測發(fā)病時的生理參數(shù)，但病人入院復診時未必發(fā)病，影響了診斷的有效性和準確性。此外多數(shù)的病人具有自由活動的能力，但目前的監(jiān)護方式使得病人被束縛于醫(yī)院和病床。 據(jù)測算，2000年衛(wèi)生總費用占國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP )的比例為4.05%，到2030年將達到24%。我國是發(fā)展中國家，財力有限，工業(yè)基礎也較薄弱，在這種人多錢

19、少設備有限交通緊張的情況下，又有眾多的老人及慢性病患者需要長期監(jiān)護和照顧，如何有效的分配利用醫(yī)療資源，正考驗著現(xiàn)有的醫(yī)療體系。 電子技術、計算機技術、通信技術的飛速發(fā)展為我們的生活帶來了便利，也為醫(yī)療體系的發(fā)展帶來了新的機遇。如何將信息技術應用于醫(yī)療，一直是世界各發(fā)達國家的重點發(fā)展目標，歐美許多國家正積極推動醫(yī)療信息基礎建設C HealthCare Information Infrastructure, HOD，我國也推出了金衛(wèi)醫(yī)療網(wǎng)絡工程等項目，目的在于集成信息科學、計算機技術和通信應用技術于醫(yī)療衛(wèi)生領域的高科技產(chǎn)業(yè)，優(yōu)化療保健服務，加速實施我國醫(yī)院管理及醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)現(xiàn)代化建設的進程。研究意

20、義科學研究和醫(yī)療保健的需求、信息技術的飛速發(fā)展，都推動著遠程監(jiān)護技術的進步，發(fā)展遠程監(jiān)護技術具有重要的意義: 縮短醫(yī)生和患者之間的距離，為患者提供及時救助，減少患者或醫(yī)務人員的路途奔波。對患者的重要生理參數(shù)實施遠程監(jiān)護，不僅可以輔助治療，還能在患者病情突然惡化時報警。 對自理能力較差的老年人和殘疾人的日常生活狀態(tài)實施遠程監(jiān)護，不僅能提高醫(yī)護人員的護理水平和患者的生活質(zhì)量，還可以評估監(jiān)護對象的獨立生活能力和健康狀況。 遠程監(jiān)護可以在患者熟悉的環(huán)境中進行，減少了患者的心理壓力，提高了診斷的準確性。 對健康狀況進行監(jiān)護，可以發(fā)現(xiàn)疾病的早期癥狀，從而達到保健和預防疾病的目的。 先進的醫(yī)學支持系統(tǒng)為通信

21、和信息領域中的新技術提供了一個進行評測的平臺，如虛擬環(huán)境、智能傳感器和輔助醫(yī)生的決策系統(tǒng)等。2基于無線網(wǎng)絡的家庭監(jiān)護系統(tǒng)結構模型設計2.1遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)構成遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)總體功能框圖本系統(tǒng)由監(jiān)護基站設備和Zigbee傳感器節(jié)點構成一個微型監(jiān)護網(wǎng)絡，傳感器節(jié)點上使用中央控制器對所需要監(jiān)測的生命指標傳感器進行控制來采集數(shù)據(jù)，通過Zigbee無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)護基站設備，并由該基站裝置將數(shù)據(jù)傳輸至所連接的PC或者其他網(wǎng)絡設備上，通過Internet網(wǎng)絡可以將數(shù)據(jù)傳輸至遠程醫(yī)療監(jiān)護中心，由專業(yè)醫(yī)療人員對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計觀察，提供必要的咨詢服務，實現(xiàn)遠程醫(yī)療。在救護車中的急救人員還可通過GPRS

22、實現(xiàn)將急救病人情況的實時傳送，以利于醫(yī)院搶救室及時地做好準備工作。該遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的體系結構如圖2-1所示。醫(yī)療傳感器節(jié)點可以根據(jù)不同的需要而設置，因此該系統(tǒng)具有極大的靈活性和擴展性。同時，將該系統(tǒng)接入Internet網(wǎng)絡，可以形成更大的社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡、醫(yī)院網(wǎng)絡乃至整個城市和全國的醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡。圖2-1 遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的體系結構圖系統(tǒng)中包括WPAN (Wireless Personal Area Network) Zigbee網(wǎng)絡以及一系列醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡的醫(yī)療傳感器節(jié)點。本系統(tǒng)還具有良好的擴展性。例如:醫(yī)護人員在急救途中或是在其他醫(yī)院可以分別利用WLAN/UMTS網(wǎng)關和互聯(lián)網(wǎng)與系統(tǒng)進行信息

23、交互。中央信息處理控制中心 如圖2-2所示，中央信息處理控制中心由監(jiān)控模塊、配置模塊、數(shù)據(jù)庫三個部分組成。通過公共網(wǎng)絡與匯節(jié)點連接在一起，監(jiān)控模塊通過Modem及時地接收匯節(jié)點發(fā)送來的各種信息，并對接收到的信息進行分析處理，根據(jù)不同的信息類型完成相應的操作，實現(xiàn)對分布式匯節(jié)點上報信息的及時接收、分析、處理以及向具有不同編號ID的匯節(jié)點發(fā)送控制信令，實現(xiàn)對傳感器節(jié)點的間接、全方位的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。 公共網(wǎng)絡控制臺主機數(shù)據(jù)庫顯示終端圖 2-2 信息中心模塊圖2.2遠程家庭監(jiān)護系統(tǒng)對網(wǎng)絡的要求家庭監(jiān)護網(wǎng)絡需要考慮能耗、覆蓋面、傳輸速率和互聯(lián)網(wǎng)進行通信等因素。本研究采用基于Zigbee技術的無線網(wǎng)絡實

24、現(xiàn)在室內(nèi)對生理信號的采集，通過互聯(lián)網(wǎng)將生理數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)護服務器。人體攜帶可移動生理信號傳感器終端，在網(wǎng)絡的可覆蓋范圍內(nèi)活動，通過網(wǎng)絡內(nèi)的路由節(jié)點接入互聯(lián)網(wǎng)。Zigbee網(wǎng)絡具有自組織、動態(tài)路由、網(wǎng)絡節(jié)點少等特點。同時Zigbee網(wǎng)絡考慮了節(jié)點的能量節(jié)約，減少節(jié)點處理器的計算負擔等問題。醫(yī)院或社區(qū)的醫(yī)生可以隨時通過互聯(lián)網(wǎng)查看患者的生理信息，可以對生理傳感器的采集方式進行控制。同時也可以獲得無線網(wǎng)絡中其他監(jiān)護設備的信息。2.3家庭監(jiān)護網(wǎng)絡體系結構設計基于上述分析，本文設計的遠程家庭監(jiān)護網(wǎng)絡體系結構如圖2-3所示。Zigbee無線系統(tǒng)主要由Zigbee無線傳感器節(jié)點(溫度傳感器節(jié)點)、若干個具有

25、路由功能的無線節(jié)點和zigbee中心網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器(連接家庭無線網(wǎng)橋)組成。無線網(wǎng)橋連接zigbee無線網(wǎng)絡與以太網(wǎng)，是家庭無線網(wǎng)絡的核心部分，負責無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和設備節(jié)點的管理。 圖2-3 遠程家庭監(jiān)護網(wǎng)絡體系結構 溫度傳感器節(jié)點可以通過節(jié)點向網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)。由于被監(jiān)護者在家庭內(nèi)自由活動，所以其攜帶的傳感器節(jié)點的路由可能是動態(tài)變化的。所設計的 Zigbee無線節(jié)點的室內(nèi)通信距離為3060m，節(jié)點可根據(jù)房間的分布進行布置，以能夠最大程度地覆蓋活動區(qū)域。溫度生理數(shù)據(jù)經(jīng)過家庭網(wǎng)關傳輸?shù)竭h程監(jiān)護服務器。遠程監(jiān)護服務器負責溫度生理數(shù)據(jù)的實時采集、顯示和保存。其他的監(jiān)護信息如監(jiān)護圖像、安全設備狀態(tài)等也可以

26、傳輸?shù)椒掌?。醫(yī)院監(jiān)護中心和醫(yī)生可以登錄監(jiān)護服務器查看被監(jiān)護者的生理信息也可以遠程控制家庭Zigbee無線網(wǎng)絡中的傳感器和設備，從而在被監(jiān)護病人出現(xiàn)異常時，能及時檢測到并采取搶救措施。被監(jiān)護者的親屬等也可以登錄監(jiān)護服務器隨時了解被監(jiān)護者的健康狀況。3監(jiān)護系統(tǒng)硬件設計3.1傳感器節(jié)點設計關鍵技術醫(yī)療無線傳感器節(jié)點主要功能為采集人體生理指標數(shù)據(jù)，或者對某些醫(yī)療設備的狀況或者治療過程情況進行動態(tài)監(jiān)測，并通過射頻通信的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)護基站設備。醫(yī)療傳感器節(jié)點框圖和處理器單元如圖3-1所示。醫(yī)療傳感器模塊CPUZigBee通信模塊電源電源圖3-1 醫(yī)療傳感器節(jié)點框圖醫(yī)療傳感器節(jié)點主要包括4 部分：

27、生理信息與數(shù)據(jù)采集單元、無線數(shù)據(jù)通信單元、處理器單元、電源。處理單元主要分為五個部分：CPU、存儲器、AD 轉(zhuǎn)換、測試帶和數(shù)碼顯示屏。根據(jù)低功耗和處理能力的需要，可以采用TI 公司的MSP430 系列單片機；存儲器部分主要用于存儲傳感器所采集的臨時數(shù)據(jù)，在處理器將數(shù)據(jù)傳輸之后，傳感器節(jié)點內(nèi)不做數(shù)據(jù)的大量存儲；用ADC12 和DAC12 對測試帶傳過的模擬信號進行轉(zhuǎn)換。工作原理：首先由控制單元發(fā)出開始監(jiān)測某項生理參數(shù)的指令，然后通過無線數(shù)據(jù)通信單元把指令發(fā)給生理信息與數(shù)據(jù)采集單元對人體生理信號（體溫、血壓、脈搏、血氧等，本文主要是體溫信號）進行采集后通過無線數(shù)據(jù)通信單元將數(shù)據(jù)傳給控制和顯示單元中

28、的信息處理模塊控制和顯示單元，一方面對接收到的數(shù)據(jù)進行處理和顯示，另一方面將結果數(shù)據(jù)存人數(shù)據(jù)庫供檢索和回放。節(jié)點的核心是無線數(shù)據(jù)通信單元和生理信息與數(shù)據(jù)采集單元。以下簡要介紹這兩個單元：無線數(shù)據(jù)通信單元在醫(yī)院應用的醫(yī)療監(jiān)護設備對電磁輻射的要求都很高，對于設備來講，輻射的電磁波既不能夠干擾其他設備正常工作，同時也應具有一定的抗干擾能力，不受其他設備輻射出的電磁波干擾。因此，在醫(yī)院或者使用無限通信的家庭醫(yī)療設備在設計中必須對此方面進行考慮。無線傳感器節(jié)點的結構框圖如圖3-2所示。傳感器 模數(shù)轉(zhuǎn)換無線發(fā)射/接受模塊電源處理器存儲器圖3-2 Zigbee無線傳感節(jié)點結構框圖生理信息與數(shù)據(jù)采集單元在本文

29、所設計的系統(tǒng)中，醫(yī)療傳感器模塊主要實現(xiàn)了測量體溫的功能， 體溫測量可以集成北京邁創(chuàng)公司所生產(chǎn)的YSI 體溫探頭。在本系統(tǒng)的設計中，無線節(jié)點為傳感器擴展留出了豐富的接口，如果需要其它類型的生理指標數(shù)據(jù)，如血壓、血氧、心電等數(shù)據(jù)，則只需要將相應的傳感器接入預留的接口，就可以形成新的無線傳感器節(jié)點，開發(fā)相應的嵌入式控制及處理軟件，就可以將節(jié)點直接加入到該無線傳感器網(wǎng)絡中。3.2無線網(wǎng)關 網(wǎng)關負責無線傳感器網(wǎng)絡的控制和管理，實現(xiàn)信息的融合處理，并將信息傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)。網(wǎng)關的數(shù)據(jù)傳輸和運算量較大，可以采用外部電力作為電源供應，因市面上有很多成熟的網(wǎng)關成品，因此本設計可以選用具有較強的信息處理能力和網(wǎng)絡功能

30、的ARM9系列作為控制器的網(wǎng)關。 圖3.3 無線網(wǎng)關硬件結構圖3.3監(jiān)護基站設備設計圖3.4所示是本文設計的醫(yī)療監(jiān)護基站設備的結構框圖。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能是采集并顯示測試得到的數(shù)據(jù)信息，同時將數(shù)據(jù)信息進行適當存儲和網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)，因此本系統(tǒng)中的監(jiān)護基站設備被設計成一種手持設備，同時監(jiān)護基站設備可以和系統(tǒng)中的多個傳感器節(jié)點進行通信以完成數(shù)據(jù)的采集和顯示等功能。在使用過程中，監(jiān)護基站設備通過無線信道向傳感器節(jié)點發(fā)送控制命令來啟動傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點接收到命令后進行相應的數(shù)據(jù)采集動作，采集人體生理指標數(shù)據(jù)，采集結束后通過無線通信的方式將數(shù)據(jù)返回到監(jiān)護基站，由監(jiān)護基站進行進一步的顯示、存儲等操作。必要時

31、，監(jiān)護基站設備可以通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程服務器端。醫(yī)療監(jiān)護基站設備主要包括:處理器、存儲器、人機交互模塊、通信模塊接口等幾個部分。醫(yī)療監(jiān)護設備的主處理器可以采用TI公司的MSP430系列的低功耗處理器，該系列處理器具有超低功耗、處理速度高、接口豐富等特點，非常適合用于需要超低功耗以及高速的嵌入式設備。人機交互接口包括用戶輸入指令的鍵盤以及顯示數(shù)據(jù)結果和操作過程的LCD顯示屏兩個部分。操作鍵盤顯示屏人機接口存儲器處理器電源Modem射頻模塊RS-232通信接口GSM短消息圖3.4 監(jiān)護基站設備結構框圖為了增強系統(tǒng)的適用性和兼容性，監(jiān)護基站設備上設計了多種通信模塊接口，其中包括RS-232接口、

32、modem接口模塊、GSM短消息接口模塊和射頻接口模塊。其中射頻接口模塊用于和系統(tǒng)內(nèi)無線傳感器節(jié)點進行近距離通信，其他通信接口用于和主機服務器進行通信。例如，在家中沒有Internet網(wǎng)絡接入的情況下，用戶可以使用modem模塊接入電話線進行撥號，將數(shù)據(jù)傳輸至服務器端。在戶外沒有其他連接方式的情況下，用戶可以使用GSM短消息的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至服務器端。當處于醫(yī)院或者社區(qū)醫(yī)療中心的服務器端接收到監(jiān)護基站設備所發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息的時候，則可以對數(shù)據(jù)進行存儲以及必要的分析，醫(yī)生則可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行相應的判斷和處理。對于在家中使用的醫(yī)療監(jiān)護設備，用戶還可以根據(jù)需要，通過RS-232接口，將設備連接在

33、家中的PC機上，這樣，就可以將監(jiān)護基站設備的數(shù)據(jù)傳輸至計算機中，進行更靈活的管理，家庭成員可以根據(jù)數(shù)據(jù)自己判斷被監(jiān)護人員的身體狀況，同時也可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞣掌魃?，由專業(yè)醫(yī)療人員析管理。監(jiān)護基站設備在正常工作狀態(tài)下使用電池進行供電，因此在設計過程中尤其注意了低功耗的管理與控制。在不工作的時刻，系統(tǒng)會進入低功耗以及休眠狀態(tài)來節(jié)省系統(tǒng)能量。4 監(jiān)護系統(tǒng)軟件設計4.1Zigbee 技術的主要特點數(shù)據(jù)傳輸速率低:只有10k字節(jié)/秒到250k字節(jié)/秒，專注于低傳輸應用;功耗低:在低耗電待機模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是Zigbee的支持者所一直引

34、以為豪的獨特優(yōu)勢;成本低:因為Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。且Zigbee協(xié)議免收專利費。時延短:通常時延都在15毫秒至30毫秒之間;安全:Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時可以靈活確定其安全屬性;網(wǎng)絡容量大:每個Zigbee網(wǎng)絡最多可支持255個設備，也就是說，每個Zigbee設備可以與另外254臺設備相連接;優(yōu)良的網(wǎng)絡拓撲能力:ZigBee具有星、樹和叢網(wǎng)絡結構的能力。ZigBee設備實際上具有無線網(wǎng)路自愈能力,能簡單地覆蓋廣闊圍;有效范圍小:有效覆蓋范圍1075米之間，具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應用模式而定

35、，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境;工作頻段靈活:使用的頻段分別為2.4GHz(全球)、868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為免執(zhí)照頻段。 目前市場有數(shù)款基于Zigbee技術的平臺，其各有特點，主要有以下幾種: 美國Helicomm公司Zigbee無線收發(fā)模塊IP-L1nkl000o IPLink1000是集成了射頻收發(fā)器，微控制器，數(shù)字和模擬I/O，多點多拓撲網(wǎng)絡層功能于一身的半雙工無線通訊系列模塊。IP-Link1000系列模塊內(nèi)嵌的網(wǎng)絡通訊協(xié)議，完整體現(xiàn)世界上最新的Zigbee v1.0網(wǎng)絡層的強大功能。 4.2網(wǎng)絡拓撲結構IEEE 802.15.4協(xié)議的網(wǎng)絡拓撲結構有三種

36、類型：星形結構、網(wǎng)格狀結構和族狀結構如圖4-1所示。其中網(wǎng)格狀結構和族狀結構屬于點對點的結構。在802.15.4網(wǎng)絡中，根據(jù)設備所具有的通信能力可以分為全功能設備(FFD)和精簡功能設備(FIFD)。FFD設備之間以及FFB設備與RFD設備之間可以直接通信。RFD之間不能直接通信。在IEEE 802.15.4網(wǎng)絡中，有一個稱為PAN網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的FFD設備，是傳感器網(wǎng)絡中的主控制器。每個網(wǎng)絡僅有一個主控制器。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器除了直接參與應用以外，還要完成成員的身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等功能。圖4-星形網(wǎng)絡中所有節(jié)點都與中心協(xié)調(diào)器通信，節(jié)點間不能直接通信，中心節(jié)點的能量消耗大。適合于網(wǎng)絡節(jié)

37、點較少、網(wǎng)絡結構簡單、小范圍的網(wǎng)絡應用。而點對點網(wǎng)絡中只要通信雙方都在其輻射范圍之內(nèi)，任何兩個設備之間都可以通信。點對點網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器主要負責實現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息，認證設備身份等功能。在家庭監(jiān)護系統(tǒng)中，被監(jiān)護對象可能在多個房間內(nèi)活動，為了能隨時擴大覆蓋范圍，且方便以后功能擴展，選用族狀網(wǎng)絡拓撲結構。在與互聯(lián)網(wǎng)的連接方面，建立Zigbee無線網(wǎng)絡與以太網(wǎng)的網(wǎng)橋，將監(jiān)護信息傳送到監(jiān)控服務器，實現(xiàn)監(jiān)護信息的共享。4.3無線網(wǎng)絡監(jiān)護系統(tǒng)軟件結構Zigbee協(xié)議棧由一系列分層結構組成，每一層為上一層提供服務。數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務，管理實體提供其他功能服務。每種服務實體通過服務接入點(SAP)為上層提

38、供接口。基于Zigbee網(wǎng)絡軟件分層結構如圖4-2所示。無線監(jiān)護網(wǎng)絡應用框架溫度信號采集處理模塊Zigbee 設備對象（ZDO）應用支持層網(wǎng)絡層（NWK）媒體接口控制層（MAC）ZDO管理平臺安全服務提供物理層（PHY）圖4-2 Zigbee網(wǎng)絡軟件分層結構 (1)尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑; (2)將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑轉(zhuǎn)發(fā)。 為了能夠高效利用能量，減少通信量，Zigbee網(wǎng)絡允許樹形路由選擇，即樹形結構選址。有了樹形路由選擇，設備不必保存占有龐大內(nèi)存的路由表或者進行額外的空中下載操作來發(fā)現(xiàn)路徑，從而減小了網(wǎng)絡流量。為避免錯誤信息超過一定長度的過渡路由而產(chǎn)生額外的流量，Zigbee路由允許路由器去發(fā)現(xiàn)捷徑。 路由算法采用AODV (Ad hoc On Demand Distance Vetor)算法。每個路由器維護一張路由表，并定期與其鄰居路