基于ZigBee的穿戴式医疗监护节点的设计

目前，医院中的监护系统大多采用固定的医疗监护设备，通过线缆将传感器采集的人体生理参数传输至监护中心，这样的系统往往体积大、成本高，限制了病人和医护人员的行动，增加了病人的生理和心理负担，已经越来越不能满足当今实时、连续、长时间地监测病人体征参数的医疗监护需求。
随着微电子技术、传感器技术和通信技术的飞速发展，新兴的穿戴式医疗监护系统正越来越受到人们的关注，本文就针对穿戴式医疗系统的发展现状，应用ZigBe无线模块技术，设计并实现了一种穿戴式医疗监护系统节点，该节点能够实时获取人体体温、脉搏、身体姿态等信息并以无线的方式传送至协调器，达到医疗监护的目的。
1 穿戴式医疗监护系统整体设计
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络技术，广泛应用于各种无线传感器网络的搭建。图1为一个典型的基于ZigBee无线模块技术的医疗监护系统，其中由网络协调器建立ZigBee数传网络，穿戴式传感器终端上电后自动加入该网络，若通信距离较远，可以采用多跳的方式加入网络。

图1 典型的基于ZigBee的医疗监护系统
穿戴式传感器终端实时进行ZigBee数据采集人体的重要生理信号，经过简单处理后发送给网络协调器。网络协调器将收到的信息转发给汇聚节点，最后汇聚节点将网络中所有的传感器信息汇总打包后发送给监护中心计算机，供医护人员查看、分析。本文的重点是介绍该网络中的穿戴式传感器终端的设计。
2 穿戴式传感器终端节点的硬件设计
2.1穿戴式传感器节点系统硬件总体设计
穿戴式传感器节点以即联科技公司的CC2530 ZigBee无线模块核心板为基础研制，硬件结构图如图2所示。系统选用TI公司的CC2530作为微控制器，该芯片集成了兼容Zigbee协议的射频模块以及一个增强型8051内核的单片机，可以运行TI的Z-Stack协议栈，为系统的软硬件设计提供了极大的便利。

图2 穿戴式传感器节点硬件结构图
考虑到测量的便利性以及减少受试者的佩戴负担，系统采用非接
触式人体红外温度测量传感器MLX90615检测人体体温，使用反射式脉搏传感器模块获取人体脉搏数据。同时，系统使用ADXL354加速度计实时检测人体姿态，对于跌倒等意外情况及时发送报警信息。穿戴式传感器节点还加入了低功耗Nokia 5110 LCD显示器、LED、按键，可以与受试者进行简单的交互，如显示时间、提醒服药、呼叫医护人员等。
2.2电源设计
作为穿戴式设备，系统必须使用电池供电。为了在保证足够续航时间的前提下尽量减小佩戴着的负担，系统选用能量密度较高的锂电池供电。同时，考虑到穿戴式传感器节点在电池电量耗尽时应尽快恢复工作，系统选用了便于更换的7号3.7V/650mAh锂离子电池。由于系统选用的CC2530、MLX90615、ADXL345等芯片均需要3.3V供电电压，3.7V的锂电池无法直接为这些芯片供电，故采用高精度稳压芯片HT7533与10μF的钽电容组成可靠的降压电路，获得稳定的3.3V为系统供电。
2.3传感器电路设计
系统采用非接触式人体红外温度测量传感器MLX90615检测人体体温，该传感器由Melexis设计生产，具有极高的测量精度。该传感器为TO-39封装，其中集成了对红外灵敏的热电堆探测器芯片和信号处理ASSP（专用集成电路）芯片，能够通过基于I2C总线规范的SMBus接口直接输出温度数字量，从而极大简化了系统电路设计。该传感器外围电路设计如图3所示，VCC为芯片提供所需的3.3V工作电压，同时为减小外界信号的干扰，在电源和数字地之间加入0.1μF去耦电容。I2C总线的数据线SDA和时钟线SCL分别通过10kΩ电阻上拉至VCC，之后连接于CC2530 ZigBee数传模块的P0.1与P0.2引脚。由于CC2530 ZigBee数传模块不具有硬件I2C接口，故采用模拟通信时序的方式读写MLX90615的RAM和EEPROM，从而得到人体体温数据。

图3 MLX90615 原理图
本系统使用一个简单的反射式光电脉搏传感器模块来检测受试者的脉搏，该模块成本较低、性能稳定，其电路原理图如图4所示。其基本原理是依据光电容积法检测由于心脏泵血引起的人体末端毛细血管的体积变化，从而间接测量出心脏的跳动情况。

图4 反射式脉搏传感器模块原理图
该模块选择了模拟输出的APDS-9008环境亮度传感器。该传感器在设计上紧贴人眼的光谱响应曲线，对于波长500nm左右的绿光尤其敏感，故本电路选择了绿色LED作为反射光源。APDS-9008输出电流信号，通过一个12kΩ的电阻进行I/V变换，得到的信号进入无源低通滤波网络，滤除高频干扰后经过一个基准电压为VCC/2的反向比例放大电路放大后输出。CC2530通过内置的A/D转换器以100Hz的采样频率获取该模块的输出电压，通过对信号的分析计算，获得受试者的脉搏。
系统采用ADXL345加速度传感器来实时检测人的姿态，对于跌倒等情况能及时报警。ADXL345三轴加速度传感器测量范围达±16g，具有3.9mg/LSB的高分辨率，同时具有许多特殊检测功能，如活动非活动检测、敲击检测、自由落体检测等，而这些功能可以映射到两个中断输出引脚中，从而为系统的低功耗设计提供了极大的便利。ADXL345与MLX90615一样使用I2C总线通信，其数据线SDA和时钟线SCL分别连接于CC2530的P0.1和P0.0引脚上，因为其器件地址与MLX90615不同，CC2530 ZigBee数传模块在与他们通信时并不会产生干扰。
2.4人机接口电路设计
穿戴式传感器节点可以通过LED指示灯、按键、Nokia 5110 LCD与受试者进行简单的交互。其中，LED用来显示脉搏的跳动，按键用来执行简单的设定，Nokia5110LCD用来显示受试者的脉搏、体温等基本信息。两颗LED使用驱动能力较强的P1.0、P1.1引脚直接驱动，两枚按键经过10kΩ上拉后连接至P0.4、P0.5引脚，Nokia 5110 LCD使用SPI接口与CC2530连接通信。
3 穿戴式传感器终端节点的软件设计
穿戴式传感器终端节点使用TI公司的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0协议栈开发，该协议栈在实现了ZigBee协议基本功能的基础上，提供了一个基于事件驱动的轮询式操作系统，称为OSAL（OperatingSystemAbstractionLayer，操作系统抽象层）。OSAL为开发者提供了任务切换、内存管理等功能，在提升无线传感器网络稳定性的同时大大降低了开发难度。
ZigBee无线模块网络可以具有多种拓扑结构，如星型网络、树形网络、网装网络，根据具体的需要可以在Z-Stack中进行相应的配置。在这些网络拓扑结构中，ZigBee无线模块传感器网络都是由协调器建立的，穿戴式传感器终端节点在上电初始化后会自动扫描信道寻找合适的网络，发送入网信息，在得到确认信息加入网络后，立即进入休眠模式，等待定时器唤醒，进行ZigBee数据采集传感器信息。
具体说来，穿戴式传感器终端节点加入网络后，在协议栈中设定COLLECT_INFO时间的为10ms，定时10ms的事件周期。由于体温变化缓慢，具有大惯性特性，所以每100个事件周期读取一次MLX90615的寄存器获得体温数据，并将体温显示于LCD上。脉搏传感器稳定输出的幅值大于2V，脉宽在120~190ms的尖峰脉冲代表了脉搏跳动，因此每个事件周期内都通过CC2530内置的A/D转换器对脉搏传感器的输出进行采样。利用状态机原理，当连续监测到12个采样值大于2V时，认定为一次脉搏跳动。最后通过在一段时间内的脉搏计数算出受试者的脉搏，并将具体数值显示在LCD上。最后，当传感器信息采集完成后，将数据打包，调用协议栈中提供的数据发送函数AF_DataRequest()将数据发送到父节点。具体工作流程详如图5所示。

图5 穿戴式传感器终端节点
穿戴式传感器终端还具有跌倒检测报警的功能，这主要是依据文献提出的跌倒检测算法进行实现的，通过加速度传感器依次对人体跌倒时3种关键特性（失重、撞击和静止）进行识别，从而判断人体跌倒。配置ADXL345的自由落体检测中断与活动检测中断，并映射至中断输出引脚。系统检测到相应中断后进行判断，若判断为跌倒的情况，则立即向协调器发送报警指令，完成跌倒检测报警。
4 系统测试与讨论
根据本文的设计，制作了4个穿戴式传感器终端节点，如图6所示，其佩戴效果如图7所示。

图6 穿戴式传感器终端节点

图7 穿戴式传感器终端节点佩戴图
为了测试其效果，将该系统其布置于医院，并配置为星型网络。经过一周的试验，该系统运行良好，可以较准确进行ZigBee数据采集，获得4位受试者的体温、脉搏数据，能检测出大部分的跌倒情况，基本达到了设计要求。
但是通过实验，我们也发现了本系统的许多不足，比如跌倒检测不够精确，存在误报的情况，系统的电力不是十分充足，只能连续工作一周的时间，但是考虑到系统的成本、工艺等因素，在当前的技术条件下已经取得了不错的效果。
5 结束语
本设计以ZigBee无线模块通信技术和传感器技术为核心，使用ZigBee数传模块以相对低的成本实现了低生理、心理负荷下对人体体温、脉搏、生理姿态的ZigBee数据采集。若该穿戴式医疗监护系统节点能在医院、养老院等机构推广开来，可以提高病人、老人的生活质量、减少医护人员的工作量，同时为医生的诊断提供更加丰富详细的数据依据，具有较好的应用前景。