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摘 要： 提出了一種基于ZigBee無線通信協議的無線傳感器網絡技術的醫療監護系統解決方案，同時以測量人體血氧飽和度為例，詳細介紹了該方案。本方案將測量到的人體血氧飽和度數據通過無線傳感器網絡傳輸到基站，基站對這些生理參數進一步處理，并以此評價人體健康狀況。
關鍵詞： 血氧飽和度；WSNs；ZigBee
醫療監護是對人體生理和病理狀態進行檢測和監視，它能夠實時、連續、長時間地監測病人的重要生命特征參數，并將這些生理參數傳送給醫生，醫生根據檢測結果對病人進行相應的診療。它在危重病人的監護、傷病人員的搶救、慢性病患者和老年患者的監護以及運動員身體活動的檢測等領域發揮著重要的作用。
目前，醫院監護系統大多使用固定的醫療監護設備，通過傳感器采集人體生理參數，通過線纜將數據傳輸到監護中心。建立在線纜連接基礎上的傳統監護系統往往體積大、功耗大、不便于攜帶，限制了病人和醫護人員的行動，增加了他們的負擔和風險，已經越來越不能滿足當今實時、連續、長時間地監測病人的重要生命特征參數的醫療監護需求。同時這種傳統的醫療監護方法容易增加病人心理壓力和緊張情緒，進而影響病人身體狀況，使診斷數據與病人真實的生理狀況產生一定差距，影響對病情的正確診斷。為了使經常需要測量生理參數的患者(如慢性病人或者老年患者等)能夠在隨意運動的狀態下接受監護，無線醫療監護技術已越來越受關注。
本文以測量人體血氧飽和度為例，提出了一種基于ZigBee無線通信協議的無線傳感器網絡技術的醫療監護系統解決方案。該方案可以測量血氧飽和度參數，并將測量數據通過無線傳感器網絡傳輸到監控中心，監控中心對這些生理參數進行處理，并以此評價人體健康狀況。
本設計的關注點是如何實現傳感器數據的無線傳輸，因此傳感器采用市場上現有的人體血氧飽和度傳感器。該系統可以集成多種傳感器，使之具備應用在不同應用領域的不同功能，因此，本系統的應用領域很廣，移植性很強，醫療監護領域的大部分檢測傳感器（如體溫、脈搏、血壓等）都可以集成到本系統上。
1 無線傳感器網絡技術
無線傳感器網絡WSNs(Wireless Sensor Networks)的概念起源于美國國防先進技術研究計劃署中的一個研究項目，由于無線感測網絡結合了感測、運算以及網絡連接的能力，不同傳感器在其感測范圍之內監控與偵測周圍環境與特定目標的狀態，并透過無線網絡將這些狀態回傳到主機，系統管理者在收到這些信息時，就能據此做出適當的處理。
無線傳感器網絡要求節點具備無線通信能力，目前有多種主流無線通信協議（見表1），這些傳輸協議都有各自的優勢和特點。但就總體比較而言，目前無線傳感器網絡技術主要使用ZigBee協議。
ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低成本的無線網絡技術，主要用于近距離無線連接。它依據IEEE802.15.4標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，其通信效率很高。相對于現有的各種無線通信技術，ZigBee技術將是最低功耗和成本的技術。ZigBee的出發點就是實現一種易實現的低成本無線網絡，同時它的低功耗性能可以使采用電池供電的產品維持6個月到數年的工作時間。其低數據速率和通信范圍較小的特點，決定了ZigBee技術適合于承載數據流量較小的業務。通過ZigBee可以簡單地實現各種器件的連網。作為一個全球標準，ZigBee為實現無所不在的網絡創造了條件。
2 系統硬件設計
系統硬件分為人體血氧飽和度無線傳感器節點和網關節點。
2.1 無線傳感器節點系統硬件總體設計
系統由三大部分組成：血氧飽和度傳感器、信號處理電路以及無線通信電路，如圖1所示。
血氧飽和度傳感器采用透射式人體血氧傳感器探頭，輸出4mA~20mA電流模擬信號。信號處理電路以TI公司的MSP43FG437為控制核心，無線通信電路以能夠支持IEEE 802.15.4 ZigBee通信協議的Chipcon公司的CC2430-F128射頻芯片為無線通信電路核心。值得注意的是為了實現真正意義上的“無線傳感器”，系統硬件設計要求小型化、緊湊化，而且為了便于以后該系統在應用領域的可移植性，系統電源部分設計為兩節干電池供電，這樣既能夠發揮ZigBee通信協議的優勢，又能夠很好地實現無線傳感器的“無線”、“便攜”特點。
2.2 信號處理電路硬件設計
信號處理電路是本系統的核心部分，其作用是驅動人體血氧傳感器工作，采集人體血氧飽和度傳感器的模擬量信號，處理血氧飽和度信號，并將經過處理的信號通過片上串口通信方式傳送給無線通信電路。
信號處理電路以TI公司的MSP430FG437為控制核心。MSP430系列單片機是美國德州儀器公司生產的高集成度、高精度的單芯片系統(SoC)，是目前工業界中性價比高、功耗低的Flash 16位RSIC微控制器，具有豐富的片內外設。MSP430單片機集中體現了現代單片機先進的低功耗設計理念，其時鐘系統提供了豐富的軟硬件組合形式。它包括一個片內DCO和兩個晶體振蕩器,可以產生三種系統適用的時鐘信號，支持六種工作方式，有五種低功耗模式，可以通過軟件對內部時鐘系統的不同設置來控制芯片，使它處于不同工作方式，從而使整個系統達到最低功耗并發揮最優性能。值得一提的是MSP430單片機的超低功耗特點。MSP430系列單片機在1MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在 200μA～400μA之間，時鐘關斷模式的最低功耗只有0.1?滋A。正因為如此，MSP430更適合應用于使用電池供電的儀器、儀表類產品中。
2.3 人體血氧飽和度傳感器驅動電路設計
根據人體血氧飽和度的測量方法定義，本設計采用的透射式人體血氧飽和度傳感器(如圖2所示)。由兩個能夠發射不同波長的發光二極管構成。兩個發光二極管需要按照一定頻率交替發光，本設計采用H橋電路解決兩個發光二極管交替發光的問題。
2.4 無線通信電路設計
本設計采用的CC2430芯片是Chipcon公司生產的首款符合ZigBee技術的2.4GHz射頻系統單芯片，片上集成高性能8051內核、ADC、USART等。結合Chipcon公司全球先進的ZigBee協議棧、工具包和參考設計，展示了領先的ZigBee解決方案。它適用于各種ZigBee或類似ZigBee的無線網絡節點，包括調諧器、路由器和終端設備。值得一提的是CC2430芯片的超低功耗特點，它工作時的電流損耗為27mA，在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間特性，在休眠模式時僅0.9μA的流耗，外部中斷或RTC能喚醒系統；在待機模式時少于0.6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統，特別適合要求電池壽命非常長的應用。
2.5 網關節點系統硬件設計
本系統中人體血氧飽和度傳感器節點為數據發送端。為了實現數據兩點間通信，除了要具備發送端，還要具備接收端。以CC2430射頻芯片為核心設計接收端。CC2430芯片接收到數據后，將數據通過串口通信方式傳送給PC機，由此網關節點實現數據的接收和顯示，如圖3所示。
3 系統軟件設計
本系統軟件分為四部分：信號采集、信號處理、信號傳輸、信號接收。其中信號采集、信號處理代碼是在發送端（即血氧飽和度傳感器節點）中運行，如圖4所示。信號接收代碼在接收端（即網關節點）運行，如圖5所示。
信號采集程序主要完成兩個功能：(1)驅動透射式人體血氧飽和度傳感器工作，主要是驅動H橋電路按照一定頻率切換電流傳輸方向；(2)通過MSP430單片機AD端口采集血氧飽和度數據。這部分代碼程序在MSP430芯片中運行。
信號處理程序的主要功能是濾波，這部分代碼程序在MSP430芯片中運行。
信號傳輸程序的主要功能是將由MSP430芯片處理好的數據通過ZigBee無線通信協議棧傳輸到另一個無線傳感器節點，這部分代碼在CC2430射頻芯片內的8051內核中運行。
信號接收程序的主要功能有兩個：(1)接收其他傳感器節點數據并通過串口將數據傳送到PC機，這部分代碼在CC2430射頻芯片內的8051內核中運行；(2)PC機對數據進行處理，包括波形顯示、數據保存，這部分代碼在PC機中運行。
當無限傳感器節點和網關節點建立好之后，就要依靠ZigBee協議棧來實現點對點通信。本設計采用1.4.2版本的ZigBee協議棧API函數來實現。
本設計對ZigBee無線通信協議在醫療監護領域中的應用進行了嘗試性的實踐，實現了一個人體血氧飽和傳感器節點和一個網關節點之間的數據傳輸。現今無線傳感器網絡技術領域還有許多熱點問題需要去研究，如安全傳輸問題、容錯機制問題、自組織組網問題等。但是，無線傳感器網絡的靈活性、容錯性、高感知能力、低費用以及快速布局等特點決定了它的應用領域必將極為廣泛，也必然會對醫療監護事業產生巨大而深遠的影響。
參考文獻
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