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李尚林，吴效明，韩俊南，陈延慧
（华南理工大学生物医学工程系，广东广州510006）
摘要：本文介绍了一种用于家庭医疗监护的无线传感网络。该网络基于ZigBee通讯技术，由各无线传感器节点采集人体生理信息，并将信息发送至监护；监护通过Internet 将数据发送到远端医疗服务中心。经实验证明，该无线传感网络具有结构简单、稳定性强、易扩展的优点，可以广泛应用到家庭监护中去，构建家庭、社区的远程医疗监护系统。 关键字：ZigBee；无线传感网络；医疗监护系统；家庭监护
中图分类号：R318.6 文献标识号：B
Study on ZigBee-based Wireless Sensor Network in Health Care System
Li Shanglin, Wu Xiaoming, Han Junnan, Chen Yanhui
(Department of Biomedical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou510006，Guangdong,
China.)
Abstract：The paper presents a ZigBee-based wireless sensor network, which can be applied in home medical monitoring. To achieve this, we focus on the design of nodes and network via ZigBee technology. In the wireless network, several ZigBee sensor nodes complete the collection of physiological parameters, and transmit these monitoring data to the base station, which finally sent these data to a remote medical service center through the internet. The experiment proves that the wireless sensor network has the characteristics of simple structure, high stability and easy to extend. It can be widely applied in home and community to form the remote health care system. Key words：ZigBee, health care system, wireless sensor network, monitoring in home
0引言
21世纪的中国将进入老龄化社会，随着社会的发展和生活水平的提高，人们对生活质量也提出了更高的要求，老年人的日常医疗服务和紧急情况下的医疗援助就显得尤为重要。同时，人口剧增和医疗资源的相对匮乏，使得医院和患者的医疗负担日益加重，也限制了医疗服务的质量和水平。研究用于家
庭、社区的远程医疗监护系统势在必行，它可以使患者在家里实现远程就诊、远程监护和健康咨询等，降低了患者的医疗花费，同时减轻了医院和患者双方的负担[4]。但是传统的有线监护设备大多安置在床边，不便于携带，限制了病人的移动，同时系统扩展性低，成本高[3]。因次，对于监护系统提出的移动性和低功耗的要求，促进了无线通讯技术在医疗监护系统中的应用[5]。
ZigBee作为一种新兴的短距离无线通讯技术，有着低复杂度、低功耗、低成本以及高安全性等诸多优点。ZigBee节点有几十米的覆盖范围，适用于家庭住宅，同时250kbps的传输能够满足生理数据传输的要求[3]。本文提出的医疗监护系统正是基于了ZigBee无线传感网络，将ZigBee技术和穿戴式传感器结合，研制开发可以检测人体重要生理参数的无线可穿戴的医学传感器，并应用到医疗监护系统的前端，从而在不影响病人日常家庭活动下，采集人体的重要生理数据；利用家用电脑将波形数据显示和存储，并向远程医疗服务中心传送数据，供医生远程分析、诊断。
1基于ZigBee无线传感网络的监护系统架构
基于ZigBee无线传感网络的监护系统主要分为两部分，具体如图1所示：第一部分是由若干ZigBee无线通讯节点和监护组成的个人监护网络单元。无线通讯节点根据功能不同1基金颁发部门：广东省科学技术厅；项目名称：基于无线穿戴式检测技术的社区数字医疗健康服务系统；编号：2007B031302003 基金申请人: 吴效明
分为：无线传感器节点和ZigBee中心节点，无线传感器节点具有可穿戴、可移动性的特征，主要负责采集人体的重要生理参数；ZigBee中心节点与个人监护相连接，主要实现对无线传感器节点的控制，并收集各个传感器节点发送的原始数据。第二部分是基于Internet的远程服务网络，个人监护（即家用PC）将病人监护数据进行数字处理和存储，通过Internet 将数据传输至远程的医疗服务中心（医院），由专业的医护人员来实现对数据的统计和观察，提供相关医疗咨询和服务，达到远程医疗的目的。
图1系统总体结构图
2ZigBee个人监护网络的构建
2.1ZigBee传感节点设计
基于ZigBee的个人监护网络单元由于应用环境主要是家庭，网络覆盖范围小，因此可直
接采用星型拓扑结构，即网络主要由3~5个传感器节点，即RFD节点（Restrict Function Device，简称RFD）和一个主节点，即COORD节点（Coordinator，简称COORD）组成。
由于RFD节点和COORD节点实现具体功能的不同，所以在设计结构上应有所不同。同时，各个RFD节点的功能也有所差异，因此，为了增加通用性和方便维护，传感器节点采用了模块化的设计方法，具体如图2所示。
图2ZigBee节点硬件设计方案（左为RFD节点，右为COORD节点）在RFD节点中，传感器模块采用自行研制的心电、血氧、脉搏、温度、呼吸检测模块电路。负责完成生理信号的采集和预处理，主要包括各种传感器以及相关的外围电路。传感器将人体的各种生理参数采集转化成电信号，送到外围电路里进行简单的信号调理。由于RFD节点要求便于佩戴，应尽可能做到微型化和低功耗，因此传感器的外围电路要尽量简化，只需做一些必要的信号调理和放大，后续的信号处理可以在中用数字的方法解决。
RFD节点的核心部分，采用了CC2430射频芯片。该芯片由chipcon公司生产，具有高
性能8051内核的无线单片机，在单个芯片上集成了微控制器、ZigBee RF前端和数模转换等电路，具有低电压、低功耗的特征[6]，比较适合系统的要求。片内8051主要完成整个模块的主控制，片内A/D负责模拟信号到数字信号的转化，ZigBee RF前端负责数据的无线射频收发。
COORD节点的主要功能是整个网络的维护和收集各个RFD节点发送来的数据，由CC2430主控部分、电源和通用接口组成。由于中心节点要实时接受各个节点的数据，所以在COORD节点中，数据的流
量很大。因此为了减轻主节点负担和降低功耗，在COORD节点中不附带液晶和存储模块，只添加通用接口，使接收到的数据直接发送到上位机，通过家庭PC来完成数据的显示和存储。对于电源模块部分，可以采用3.6V/850mAh锂电池或4节普通干电池。
2.2组网技术和方案
2.2.1网络组建
在组建基于ZigBee的个人监护网络中，星型网络中的COORD节点属于全功能设备（Full Function Device，即FFD），它在网络中负责整个网络的组建和维护。本ZigBee网络的协议栈采用Mississippi State University开发的ZigBee™-subset/IEEE 802.15.4™ Multi-platform Protocol Stack。具体建网过程如下：首先，COORD节点无线发送组网广播，告知同信道的RFD自己为网络协调器，并广播网络的PAN ID，定时侦测有无网络连接请求；其次，如果收到RFD的入网请求，则根据请求信息做出是否允许加入网络的判断，若允许加入，COORD 将发出请求回应告诉RFD节点，并给其分配一个网络地址作为在网络内的唯一身份标识；最后，COORD根据用户需要，定时地发送给子节点相关控制命令，维持整个网络的运行。
为了保证网络的成功搭建，单个的监护网络采用唯一的网络信道，每个节点包含一个唯一的IEEE地址。入网时，COORD会根据子节点的IEEE地址来判断RFD的身份，这样就能根据用户需要，保证网
络中只存在需要的节点，其它无关节点则无法接入网络中去。同时，COORD会定时地扫描RFD的连接情况，以便RFD节点无故离开网络时，做出报警。
2.2.2数据传输
在ZigBee无线传感网络中，本系统的个人监护网络和其它应用于智能家居或楼宇控制的网络相比，它的传输数据量很大。因此，在网络运行时，既要保证数据能够无误地传送到目标节点，又要提高传输效率，即提高生理监护数据的传输速率。
在数据发送中，本系统采用网络地址（即短地址）作为数据的目标地址，所以在COORD 中，做好IEEE长地址和网络地址的唯一匹配，才能可靠的保证数据的传送目的。在提高传输可靠性方面，经实验测得，如果若干个RFD节点在同一时段（20ms左右）向COORD发送数据，数据的丢包率很大。因此，为了降低数据传输的丢包率，本网络中的COORD给不同的RFD节点发送数据定制了不同的时段，在每个时段中（大约15ms），只允许某一个特定RFD节点向COORD发送数据。这样，传输数据的可靠性得到了很大的提高，实验证明在30m 内发送数据，丢包率在1%以下。
2.2.3其他
在安全性方面，ZigBee在网络层和媒体接入控制层都加入了安全保密机制，采用了IEEE802.15.4媒体
接入层的安全保障策略，提供了数据完整性检查和鉴别功能，使用高级128位的对称加密（AES-128）算法。
在抗干扰性和共存性方面，ZigBee网络的应用场合为家庭。因此，该网络在不能干扰其他设备的同时，也要有强的抗外界干扰能力。本系统构建的ZigBee网络使用的射频通讯标准为802.15.4/ZigBee标准，采用免费的2.4GHz频段，此标准具有较高的数据纠错和抗干扰能力[1]。在共存性方面，若两个ZigBee个人监护网络同时在一个家庭中使用，或与其他ZigBee网络（如智能家居控制）同时存在，通过设置不同的个域网ID（PAN ID），即可以实现同时
工作而互不干扰，共存性较好。
3 监护
由于此监护网络应用于家庭，监护则采用家用PC 。监护主要负责对接受数据的处理，存储和显示。本系统中的监护具有一定数据的分析和处理功能，能够对波形数据进行数字处理，如：数字滤波、波形分析，存储功能可以建立个人的监护档案，便于以后数据查询和回顾。监护可以通过ADSL 、移动Internet 等接入到Internet 。
4 远程医疗服务中心
远程医疗服务中心一般指医院的具体科室，通过Internet 接收监护发送的个人信息、监护数据等。专业医护人员利用该服务中心为用户提供高质量的实时医疗服务和保健咨询，如建立个人数字健康档案，存储个人的数字化处方、检查报告；提供分析、方案和心理咨询等。
5 实验结果
ZigBee 个人监护网络实验采用一个COORD 节点和4个传感器节点，传感器节点分别负责采集心电、脉搏波、血氧容积波、呼吸4个生理参数，然后通过ZigBee 网络发送到COORD 节点中去。采样频率和无线传输的生理参数数据总量如表1所示，经计算个人监护网络的总数据传输率在22.4kbps 。实验中，各个传感器节点可以根据要求灵活地加入和离开网络，也可以根据用于要求添加新的传感器节点。在功耗方面，ZigBee 低功耗的优势得到了体现，实验测得COORD 节点的工作电流在30mA 左右。在抗干扰性方面，ZigBee 网络没有收到手机，家用电器等的影响，工作稳定可靠。 生理参数 参数范围 采样频率数据量 备注
心电(ECG) 0~1.25V 500Hz 750byte/s 脉搏波(PW) 0~1.25V 250 Hz 250byte/s 血氧容积波（PPG ） 0~1.25V 250 Hz 500byte/s 体温(BT) 32-410C 10 Hz 10byte/s 此表中的数据量只表示
生理数据的传输量（即数据净荷），不包含数
据包传输中所附带的其他帧信息量。
表1实验中生理参数数据的各项指标
在本系统实验中，COORD 中心节点通过RS232串口与监护相连，监护将接收到的数据在软件中数字滤波，并显示波形曲线。监护可以直接存储数据，或通过Internet 可以将数据实时地发送到远端的计算机中，供远程医护人员查看。
6 总结和展望
短址
该监护网络经实验验证，具有工作稳定、结构简单、组件灵活和易扩展的特点，可以广泛地应用到社区、家庭中去。主要面向人集中在家庭中的老年人、残疾人、以及心血管病患者，从而实现受监护着在正常生活情况下的健康监护，监护数据可以作为医生诊断的辅助依据，实现重要疾病的早期发现和，以保障国民健康，达到医疗和保健的目的。当然，本系统还有待于进一步完善，比如在实用性和操作的便捷性方面做进一步的改进，并投入临床实验。
参考文献
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[7]王岩，张国山. 基于ZigBee协议的无线传感器网络设计[J]，微计算机信息，2008，4-1：158-160
本文作者的创新观点包括：利用ZigBee技术，实现生理参数实时检测和无线传输；设计结构模块化，微型化，检测参数灵活选择，可扩展性强；网络传输效率高，稳定性强；使用微型化传感器，方便病
人穿戴。项目经济效益（3000万元）。
作者简介：李尚林（1985－），男（汉族），华南理工大学生物医学工程系研究生，硕士，主要研究方向为医疗仪器及无线传感网络设计。
吴效明（1950－），男（汉族），华南理工大学生物医学工程系教授、博士生导师，博士，主要研究方向为医学仪器、医学图像及生物力学等。
Biography: Li Shanglin(1985-), Male(Han), Master of biomedical engineering, Orientation of study is medical instruments design and wireless sensor network.
Wu Xiaoming(1950-), Male(Han), Professor and mentor of doctor of biomedical engineering in South China University of Technology, Doctor, Research on medical instrument, medical image and biological mechanics.
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