新型zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)1

1、新型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)摘 要傳統(tǒng)的有線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)導(dǎo)線連接復(fù)雜、不可移動(dòng)和擴(kuò)展性差的缺點(diǎn)。為了克服這些問題，提出了一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，首先完成了心電信號(hào)的采集和處理電路的設(shè)計(jì)。 詳細(xì)介紹了具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。給出了整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，并完成了監(jiān)測(cè)軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。 結(jié)果表明，系統(tǒng)有較好的靈活性和擴(kuò)展性，為心電監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)方便、有效的無(wú)線解決方案。關(guān)鍵詞：心電、A/D轉(zhuǎn)換、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)0、前言心電信號(hào)中包含著人體最基本、最重要的生理參數(shù),對(duì)這些生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)護(hù)與檢測(cè)對(duì)患者的健康以及心血管疾病的預(yù)防和治療有著極其重要的意

2、義。近年來(lái),心臟病的發(fā)病率和致死率呈現(xiàn)出上升勢(shì)頭,心血管疾病己成為世界上最為普遍的也最危害健康的疾病。由于這類病癥都具有偶然性和突發(fā)性的特點(diǎn),因此要防治心臟病就必須對(duì)患者進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤治療。同時(shí),心臟病的發(fā)病特點(diǎn)使得心臟病的治療時(shí)機(jī)顯得尤為重要,如急性心肌梗塞最佳治療時(shí)間為發(fā)病后的一小時(shí)之內(nèi),但研究結(jié)果表明:只有不到1/5的病人在心肌梗塞發(fā)作后一小時(shí)內(nèi)被送往醫(yī)院接受治療。針對(duì)這種情況,需要尋求一種有效的解決方法,使得醫(yī)生在患者病發(fā)后能夠及時(shí)獲得有效的心電數(shù)據(jù),從而減少患者從病發(fā)到接受治療的延誤時(shí)間。因此,心電監(jiān)護(hù)便成為了一種很可行的有效解決辦法?，F(xiàn)今,人們對(duì)自身健康問題的關(guān)注程度越來(lái)越高。而

3、隨著傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展,遠(yuǎn)程醫(yī)療和健康監(jiān)護(hù)得到了更為廣闊的發(fā)展空間。健康監(jiān)護(hù)中最常使用的就是心電監(jiān)護(hù)。心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),己成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。建立功能強(qiáng)大的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng),可以達(dá)到對(duì)患者進(jìn)行實(shí)時(shí)心電監(jiān)護(hù)的目的,同時(shí)能夠?qū)颊叩男碾姅?shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析與診斷。醫(yī)生可通過監(jiān)護(hù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)查看患者的心電圖,如若發(fā)生心電異常,系統(tǒng)將及時(shí)發(fā)送報(bào)警信息,以減少患者病發(fā)的危險(xiǎn);同時(shí)能夠?qū)l(fā)病時(shí)的心電波形通過傳輸線路輸送到醫(yī)生那里,以便于醫(yī)生進(jìn)行診斷分析,并制定有效的治療方案。（1）心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)心血管疾病嚴(yán)重威脅著人類的健康， 甚至生命。心電監(jiān)護(hù)類系統(tǒng)由于可以輔助醫(yī)師進(jìn)行有關(guān)病癥

4、的監(jiān)護(hù)和診斷， 已成為臨床心血管疾病診療的常用儀器。 目前，醫(yī)院內(nèi)常用的心電監(jiān)護(hù)儀有三種：其一是實(shí)施臨床監(jiān)護(hù)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)；其二是系統(tǒng)，需要患者 24小時(shí)佩戴，記錄動(dòng)態(tài)心電數(shù)據(jù)，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸；另外一種是可以完成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。（2）遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)心血管疾病具有突心血管疾病具有突發(fā)性的特點(diǎn)，很多病人在發(fā)病前期沒有明顯預(yù)兆，發(fā)病突然，往往不處于醫(yī)院的環(huán)境中。 疾病突然發(fā)作時(shí)，必須得到及時(shí)救治。 否則，會(huì)危及病人的生命。所以，能否在第一時(shí)間及時(shí)救治患者，至關(guān)重要。 因此，遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究已成為熱點(diǎn)，目前，大多數(shù)遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要通過通信運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

5、動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)。在各類遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，基于的心電監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)由于其具有成本低、功耗低、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。1、 介紹技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)。它是為低速率控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通訊。這些傳感器只需要很少的能量,就能以接力的方式通過無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)在全球24GHz免費(fèi)頻帶范圍內(nèi)的高效!低速率的通訊功能。而設(shè)備則具有能量檢測(cè)和鏈路質(zhì)量指示的功能,并采用了碰撞避免機(jī)制,以避免發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突。在網(wǎng)絡(luò)安全方面,設(shè)備采用了密鑰長(zhǎng)度為128位的加密算法,

6、對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理,從而保證了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的高可靠性和安全性。到目前為止,技術(shù)在國(guó)外己經(jīng)在家庭網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)移動(dòng)終端等領(lǐng)域有了一定的應(yīng)用,但是現(xiàn)在由技術(shù)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)都僅限于無(wú)線個(gè)域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),每個(gè)接入點(diǎn)所能接納的傳感器的節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于協(xié)議所規(guī)定的節(jié)點(diǎn)數(shù),為了達(dá)到傳感器網(wǎng)絡(luò)密集覆蓋的目的,就必須進(jìn)行復(fù)雜的組網(wǎng),這不但增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性,而且還增加了網(wǎng)絡(luò)整體的功耗和成本,傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命也將降低。采用技術(shù)構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將極大改變這種現(xiàn)狀。由技術(shù)構(gòu)建的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有功耗低、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、性價(jià)比高、擴(kuò)展簡(jiǎn)便、安全可靠等顯著特點(diǎn)。它是由一組節(jié)點(diǎn)以AdHoc方式構(gòu)成的無(wú)線

7、網(wǎng)絡(luò),主要采取協(xié)作方式,有效地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)感知對(duì)象的信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分或全部節(jié)點(diǎn)都是可以移動(dòng)的,傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而不斷發(fā)生變化。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都具有動(dòng)態(tài)搜索、定位跟蹤和恢復(fù)連接的能力。因此,這種新興的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必將有著廣泛的應(yīng)用前景。圖1給出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖。 圖1. Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)心電信號(hào)的無(wú)遙測(cè)和多人監(jiān)測(cè)，本文提出了基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)選擇符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線模塊組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。 本系統(tǒng)是跟據(jù)MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的。MESH網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)

8、絡(luò)結(jié)構(gòu),具有自動(dòng)建立和維護(hù)的功能,無(wú)需人工干預(yù)。MESH網(wǎng)絡(luò)中要求協(xié)調(diào)器和路由器必須是FFD,而終端設(shè)備可以是FFD和RFD。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,為每個(gè)病人配備一個(gè)終端設(shè)備(RFD),在每個(gè)病房中設(shè)立一個(gè)路由器(FFD),而在醫(yī)院監(jiān)護(hù)室設(shè)立一個(gè)主站(FFD)。這樣病人的心電數(shù)據(jù)就可以從終端設(shè)備經(jīng)過路由器而轉(zhuǎn)發(fā)到主站上,從而實(shí)現(xiàn)醫(yī)生對(duì)病人的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。無(wú)線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是由Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器CC2430和高性能微控制器構(gòu)成。該系統(tǒng)利用微控制器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的定時(shí)收發(fā),從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)目的。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的

9、建立、維護(hù)以及與監(jiān)測(cè)主機(jī)通信，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制心電信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換；在監(jiān)控主機(jī)上運(yùn)行心電監(jiān)測(cè)的應(yīng)用程序完成對(duì)心電信號(hào)的處理并顯示心電波形和心率等監(jiān)測(cè)功能。 圖2 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖3系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)主站是整個(gè)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的中樞,其主要功能是實(shí)現(xiàn)各個(gè)終端設(shè)備心電信號(hào)的集中監(jiān)護(hù)、實(shí)時(shí)分析、存儲(chǔ)、回放、打印以及對(duì)各終端參數(shù)、狀態(tài)的控制。考慮到主站的強(qiáng)功能性和可靠通訊原則,選用三星公司推出的基于ARM920T內(nèi)核的S3C2410A處理器和CC243O來(lái)構(gòu)成硬件系統(tǒng)。53C2410A是高性能的犯位微控制器,具有完整的通用外圍設(shè)備接口,使得整個(gè)系統(tǒng)的功耗達(dá)到最低。主站以53C2410A

10、為核心,外擴(kuò)32MBNandFlash和16MB的SDRAM等存儲(chǔ)芯片,利用FO接口擴(kuò)展了鍵盤、指示燈、彩色液晶屏等設(shè)備;提供USB2.0高速接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊;連接CC2430模塊實(shí)現(xiàn)與路由器的無(wú)線通訊,如圖3所示。將uC/os一II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植到53C2410A中,以滿足監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,提高軟件開發(fā)的效率和可靠性,如圖4所示。把cc2420改成cc2430圖3 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主站硬件結(jié)構(gòu) 圖4 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主站軟件結(jié)構(gòu)3.2定位算法在本文的研究中，通過引入最小二乘測(cè)距定位算法，可以對(duì)所能接收到信息的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)大于等于3的普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置估計(jì)，并進(jìn)行定位，當(dāng)定位成功后將其視為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。具體

11、實(shí)現(xiàn)方法如下：假定心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中某二維區(qū)域內(nèi)放置 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn),其中的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置表示為，普通節(jié)點(diǎn)位置表示為，普通節(jié)點(diǎn)到各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的測(cè)量距離表示為由此可以建立一個(gè)線性方程組（1）其中，（2）（3）線性方程組建立后，代入（4）式，即可對(duì)普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置估計(jì)。（4）路由器作為整個(gè)系統(tǒng)的中間節(jié)點(diǎn),主要負(fù)責(zé)心電數(shù)據(jù)從終端到主站的中轉(zhuǎn)工作。為此路由器硬件平臺(tái)采用高性價(jià)比微控制器PIC18LF8722和無(wú)線模塊CC2430來(lái)構(gòu)成。從軟件角度看,整個(gè)監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)采用了最小二乘測(cè)距定位算法,使得各個(gè)節(jié)點(diǎn)只保持需要的路由,而不需要節(jié)點(diǎn)則維持通信過程中未達(dá)到目的節(jié)點(diǎn)的路由,從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間動(dòng)態(tài)地、自啟動(dòng)地建

12、立逐跳路由,圖5給出了該路由算法流程圖5 路由算法流程圖3.3無(wú)線節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)無(wú)線節(jié)點(diǎn)包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)!移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)。 圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)框圖如圖6所示，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由CC2430芯片構(gòu)成，完成數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的地址分配，通過該地址實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的互相通信。 圖7 數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)框圖如圖7，數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)主要由CC2430芯片構(gòu)成，完成無(wú)線數(shù)據(jù)包的接收。圖8 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)框圖如圖8，由于本系統(tǒng)需要提供定位病人的功能，因此移動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇了CC2431這款帶硬件定位引擎的芯片。3.4終端設(shè)備終端設(shè)備是直接作用于人體的設(shè)備,需要具備低功耗、輻射小、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。TI公司推出的低功耗處理器

13、MsP430在實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式下工作電流僅有8協(xié)A、工作狀態(tài)時(shí)為250林解MIPS,符合心電采集系統(tǒng)低功耗的要求,因此選用MSP430和CC2420為元件核心構(gòu)建終端設(shè)備硬件平臺(tái)8yJ。此外終端設(shè)備還通過傳感器探頭與病人相連,將心電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、以及燈D轉(zhuǎn)換等處理后定時(shí)發(fā)送給路由器,并由路由器轉(zhuǎn)發(fā)到主站上;在心電信號(hào)非發(fā)送狀態(tài),CC2430處于低功耗模式,這樣使得終端設(shè)備的功耗和對(duì)人體的干擾降到最低,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖9所示。把cc2320改成cc2430 圖9 終端設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)嚴(yán)格遵循低功耗、高抗干擾性、高可靠性原則,將系統(tǒng)功耗和對(duì)人體電磁輻射干擾

14、降到最低限,以保證在良好的工作環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊和數(shù)據(jù)采集。因此本實(shí)驗(yàn)在3個(gè)病房范圍內(nèi)構(gòu)建了心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng):為每個(gè)病房設(shè)置了3個(gè)移動(dòng)終端和l個(gè)路由器,并在監(jiān)護(hù)室設(shè)置了主站設(shè)備。根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)平臺(tái),采用8位刀D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(采樣頻率為100Hz),并從終端設(shè)備和主站設(shè)備分別提取了心電信號(hào)波形,如圖7和圖8所示。通過對(duì)比圖7和圖8可以看出,經(jīng)過監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)的心電信號(hào)波形基本上沒有多大變化,只是在局部位置上產(chǎn)生了微小抖動(dòng),這主要是由系統(tǒng)通訊中的延時(shí)信號(hào)所造成的。圖10 終端設(shè)備采集的波形圖11 主站設(shè)備采集的心電波形通過對(duì)該系統(tǒng)原型機(jī)的測(cè)試,可以得出:系統(tǒng)具有超強(qiáng)的抗干擾性能，傳輸距離可達(dá)到75m

15、;傳輸速率可達(dá)到250KB/S;完全達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo),具有較好的市場(chǎng)前景。5、結(jié)論基于技術(shù)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)突破傳統(tǒng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式,采用移動(dòng)式監(jiān)護(hù)策略,由高性價(jià)比微處理器和低功耗、高數(shù)據(jù)糾錯(cuò)能力的射頻模塊CC2430一起構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的各級(jí)節(jié)點(diǎn)設(shè)備;利用最小二乘法定位實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)心電數(shù)據(jù)的傳輸操作;并對(duì)系統(tǒng)原型機(jī)進(jìn)行了臨床測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)具備高可靠性和強(qiáng)抗干擾性。目前此系統(tǒng)已處于臨床實(shí)驗(yàn)階段,運(yùn)行狀況良好。實(shí)踐證明無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用中是可行的。參考文獻(xiàn)1 王珊珊, 殷建平, 蔡志平, 等. 基于RSSI的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身定位算法 J. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2008,45 （1）：385-3882 孫鳳池，宋萌，劉光。一種無(wú)線傳感器信號(hào)衰減自適應(yīng)測(cè)距模型 J.智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2012，第3期；213-2153 田福英。便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中心電信號(hào)的實(shí)時(shí)分析方法設(shè)計(jì) J.中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)，2012，第2期；3143-3145.4 王國(guó)，袁恒新，伊永菊，鄧永錦。危重監(jiān)護(hù)與輸液控制診療體化系統(tǒng)-基于CAN總線的監(jiān)護(hù)輸液基站J.中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)，2014，第一期；4681-4686.5 田福英，沈鐵明，劉博宇?；谒{(lán)牙傳輸?shù)氖謾C(jī)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)