基于ZigBee的无线医疗监测系统的研究

基于ZigBee的无线医疗监测系统的研究

衢州学院电子与信息工程系

尤婷

葛林波

李培江

浙江开关厂有限公司

吾文明

沈建位

［摘要］本文开发了一种基于无线传感器网络的医疗监测系统，该系统的网络节点以CC2430为核心，病人佩戴终端结点采集生理

参数，再将参数通过路由节点或直接无线发给协调器，协调器把各节点的数据上传至计算机，帮助医生对多名病人同时进行病情监测，有利于及时诊断和治疗。经测试，该系统稳定，达到无线、准确、快速、实时的监测目的。［关键词］ZigBee无线网络医疗监测LabVIEW

一、序言

随着我国国民经济的迅速发展，先进的医疗设备也不断地发展并

人体生应用到临床诊断中，使我国医疗技术水平有很大地提高。目前，

理参数采集设备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设备，由于传感器线缆长度的有限性，需要病人在检测设备旁边，限制了病人行动自由，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，进而采集数据异常造成假象，影响病人身体状况，当设备数量有限而所需病人增多时，病人不得不在监测室排队长时间

如何摆脱传感等候，进而影响康复。在生活节奏日益加快的现代社会，

实时、连续、长时间地监测病人生理体征器线缆长度的束缚，建立远程、

等参数的新技术，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。近些年来新兴的ZigBee技术的出现，为无线医疗监测技术提供了一种全新的技术手段。

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,可以嵌入到各种设备中,同时支持地理定位功能。ZigBee技术实际上是采用802.15.4协议的新一代的无线传感器网络系统，数据的传输能力强、可靠性高，且具有高度的灵活性和低成本的

[1][2]

特点。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee射频发射所需的功率低，处理器支持多种休眠模式。6到24个月的超长电池寿命、低至3美金的超低成本及可伸缩的网格和星型网络拓扑等诸多优点，是实现远程医疗监护系统作为一种新的医疗手段的理想解决方案。

综上所述，本课题研发了一种新型无线医疗监护系统，利用ZigBee无线传输医疗传感器之间的数据，病人佩戴传感器终端通过无线传感器网络把生理信息传送到远端监控中心，对于加快远程医疗诊断、监护水平都具有重大作用。

二、组网方式及系统结构

考虑到监护病人具有很强的移动性以及个体性，病人手腕上戴着

体温等信号。本系一个多参数采集的传感器终端，可以采集他的脉搏、

统要求适应强，在一定的范围能通过无线通信方便地组成星形、树状、网状网络，这要求把每个监护病人所佩戴的生理数据采集终端传感器单元看作一个功能节点，每个节点的功能并非完全相同，有些节点仅仅

），有些节点不仅具有负责采集和发送生理数据，称为半功能节点（RFD

半功能节点的功能，还可以负责与其所控制的子节点通信、汇集数据或起到通信路由的作用，这些节点为全功能节点（FFD），在本网络中，有唯一的一个协调器，它和计算机相连，其作用相当于有线局域网中的服务器，不仅可以对本网络进行管理，而且把网络中的数据通过串口RS232上传至远程的网上医院服务器中，让监护医生实时掌控病人的生理状态。

基于以上考虑，系统总体结构设计如图1所示。由图1可知，本系统由若干个半功能节点、若干全功能节点、一个协调器和医生值班室服务器端上位监控中心等四部分构成。生理数据采集终端分为全功能节点和半功能节点，是由病人佩戴及自己操作，可以采集脉搏、血压、血氧饱和度、体温等生理数据，并把这些数据通过ZigBee无线网络发送给附近的全功能节点或直接发给协调器，半功能节点仅负责采集本监测点的生理数据并发送出去，全功能节点一方面负责采集本节点生理数据并发送给协调器，另一方面把其下属节点传输的生理数据转发至协调器，起到路由器的作用，对于协调器而言，它把接受到的各节点的生理数据传给计算机，ZigBee网络中有些功能节点位置距离协调器较近，因此，它们可以直接把数据发送至协调器而不

必通过路由器。

脉搏血氧饱和传感器脉搏血氧饱和传感器脉搏血氧饱和传感器脉搏血氧饱和传感器体温传感器半功能节点1体温传感器体温传感器全功能节点1半功能节点3体温传感器半功能节点4脉搏血氧饱和传感器脉搏血氧饱和传感器脉搏血氧饱和传感器体温传感器全功能节点2协调器脉搏血氧饱和传感器脉搏血氧饱和传感器半功能节点m体温传感器值班医生监护中心半功能节点n体温传感器全功能节点3体温传感器半功能节点2体温传感器图1系统总体结构

医生值班室服务器端上位监测中心一方面通过ZigBee网络与病人监测终端进行通信，另一方面为值班医生提供一个可视化界面，让值班医生实时了解各个病人的生理数据及身体状况。并且监测中心的医院监控软件对所有病人的生理参数进行处理、存档，把接收到的数据通过简单的数据分析，供医生诊断参考用。

三、节点硬件结构

各节点硬件结构如图2所示：

图2节点硬件结构

节点以单片机CC2430为核心，采用DA-01-ET1体温热敏传感器采集体温信号，采用S0072B型指夹式脉搏血氧饱和度传感器采集脉搏和血氧饱和度。

节点工作过程如下：为了减少不必要的数据流量造成的网络堵塞，节电采用定时发送数据，当人体生理指标比较正常时，每间隔30秒钟节点通过天线发送一次测量数据，当生理指标出现异常时，发送时间缩短至10秒钟，同时上位机发出报警信号，提示值班医生处理情况，此外节点本身通过74HC595把生理数据实时显示出来，方便病人了解自身情况。

四、Zigbee无线测控系统的软件实现

系统的软件实现主要是以协议栈应用的形式编程实现满足Zigbee协议的用户应用程序。主要包括Zigbee协调器的建网与各节点的入网、各节点与协调器的信息交流、子节点的测量控制与信息发送。

在一个zigbee网络中，只有协调器可以建立网络，在建立网络过程中，所有的实现过程都是通过原语实现的，协调器设备的应用层调用NLME_NETWORK_FORMATION.request原语，发出建立网络请求，然后MAC层执行信道能量扫描。这调用NLME_SCAN.request，主要找到一个合适的信道，将随机选择1个唯一的16位PANID分配给这个新建的网络，同时随机分配1个16位的网络地址，网络层发给MAC层PAN

收到MAC层的确认后，网络层便可以向应用层报告新的ID启动请求，[3]

网络建立成功。

基金项目：本文系衢州学院校级科研项目Y200803506。作者简介：尤婷（1980-），女，浙江省衢州市人，硕士，讲师，主要从事仪表智能化和计算机检测技术的研究。

—21—

科技信息博士·专家论坛

配置串口参数，然后发出VISA写命令，要求网络协调器发送各节点数

据，协调器再把各节点的数据上传至计算机中，一次数据上传过程结束后将触发检验进程来判断上传数据是否完整，如不完整则通知协调器重发，若完整则从数据包中提取各节点数据并保存到数据库中，当这个

令协调器再发送数据，如此反复。过程结束后，再发出VISA写命令，

图4为接收数据流程图。五、运行情况

上位监测系统软件设计由最著名的虚拟仪器软件LabVIEW上开发完成，其思想是基于LabVIEW面向对象的开发思想，LabVIEW使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，针对测试测量和控制领域，该软件提供了虚拟仪器面板上所必须的大量显示或控制对象，如表头、旋钮、图表等，为软件的维护和再开发工作提供尽可能多的方便。

图5为ZigBee无线医疗监测系统运行界面，该界面分成三个主要部分，第一部分为病人基本信息、病史及数据监控记录；旁边为在网病人列表选择；第二部分为监测曲线区，可以对血氧饱和度和体温进行有效监测和记录，第三部分为当前数据参数显示值，通过对在网病人的选

血氧饱和度和脉搏等实时状态，择，医生可以方便地获取各病人体温、

选中历史数据选项，可以分析病人数据变化情况，利于病情有效诊断。

当一个网络建立成功后，各节点需要加入这个网络，若设备曾加入

过网络，则该设备会执行孤点通知程序来验证先前加入的网络。接收到孤点通知的协调器检查它的邻居表，并确定设备是否是它的子节点，若是，会通知该设备它在网络中的地址，否则此设备将作为一个新设备来

[4][5]

它首先会通过扫描网络，将可能加入网加入网络。对于新的子节点，

络的父节点的资料存入自己的相邻表，资料包括Zigbee协议的版本、堆

PANID和可以加入的信息。如果发出的请求被批准，那么父栈的规范、

此时入网成功，子节点可节点同时会分配给它一个16位的网络地址，

[6]

以开始通信。

如图3所示，协调器与节点之间以绑定的方式，通过查询机制来收发采集或控制信号，首先各功能模块上电初始化，协调器进行组网，子

[6][7]

节点进行入网进程。如果入网成功，则双方进行绑定操作。接下来子

而协调器则一直处于收发状态，当用户有信号采集节点进入查询状态。

命令或控制命令传向子节点时，作为父节点的协调器将暂时把属于自己子节点的数据保存在缓冲区。子节点每隔一定时间向父节点查询是否有属于自己的数据，若有，则通信取回数据，执行相应的操作，若无则进入下一轮查询状态。

图5监控中心运行界面

结论六、

本无线监测系统经初步检测和使用，其组网时间、各节点加入网络

稳定建立通讯后数据传输时间和重新加入网络过程比较快，不超过2s，

速率达50kbs，完全满足医疗监测的要求，本系统的出现可以改变医疗领域传统固定的病情监测方式，利用无线传感器网络就可以实现对范围分布较广的病人实施远程生命生理参数的监控，本系统具备的历史数据功能绘出的病人病史曲线为临床诊断提供可靠的依据。

当然，无线医疗监测系统研究和实施在生理数据采集项目的多样化和网上医院软件功能的专业化方面，还有待提高，但随着本监测平台的逐步完善、医用传感器技术的不断进步，基于ZigBee的无线传感网络技术将对我国远程无线远程医疗产生深远的影响。

图3网络数据传送流程图

参考文献［1］张大踪，杨涛，魏东梅.一种低功耗无线传感器网络节点的设计］.仪表技术与传感器，2006(10)：54-57.［J

［2］郑学梅，邬春明，曲朝阳等.基于ZigBee无线传感器网络的病患

］.科技创新导报，2009，33(6)：27-28.监护系统［J

［3］原羿，苏鸿根.基于ZigBee技术的无线网络应用研究［J］.计算机应用与软件，2004，21(6)：89-91.

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

［5］吕治安.ZigBee网络原理与应用开发［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

［6］王建国，訾旭华，胡阳军.基于ZigBee技术的无线测控系统［J］.仪表技术与传感器，2008，30(5)：42-44.

［7］张菊梅，吴效明.基于ZigBee的ICU病房实时监护系统设计］.医疗卫生装备，2009，30(7)：28-30.［J

［3］罗天莹.调查大学生的创新能力［J］.中国青年研究,2003,(3):2-4［4］杨立军.高校创新能力培养目标下的教育教学管理［J］.辽宁教育研究,2003,(7):265-281

［5］江擒虎.高校的创新教育和学生创新能力的培养［J］.合肥工业大学学报(社科版),2000,(2):52-63

［6］严建雯.关于高校创新教育的几点思考［J］.宁波大学学报(教育科学版),2003,(3):5-7

［7］吴旭,马苏江,李木.加强大学生创新能力的培养［J］.探索与思考,2003,(4):2-3

图4接受数据流程图

上位机接收数据流程如下：首先上位监控中心系统通过VISA函数（上接第20页）做出成绩的学生，可申请免修与之相关的课程学分、课程设计或毕业设计（论文）学分等。[7]新教育的根本在于有推陈出新的意识和举措，要营造创新教育的氛围。参考文献

［1］乔海曙,李远航.大学生创新能力培养研究综述［J］.大学教育科学,2008,(1):20-23

［2］冯刚纯.理工科大学生创新意识和创新能力的调查与思考［J］.学术交流与动态,2005,(8):26-32

—22—