周光清 張繼瑜 郭勁松

1 引言

健康管理首先需要獲得人體的健康狀況，其中，生理參數(shù)(心電、心率、血壓、血氧、體溫)的測量是必須的，也是非常重要的。由于這些生理參數(shù)指標(biāo)是人體健康狀況的直接反映，所以多參數(shù)監(jiān)護(hù)在臨床中也被廣泛應(yīng)用。檢測的方法一般是通過集成式的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀來實(shí)現(xiàn)。但這種一體化的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，體積較大，需連接多種傳感導(dǎo)聯(lián)線，移動不便，只能作為醫(yī)院病房床頭監(jiān)護(hù)。在很多情況下，我們需要對移動中(正常活動中)的人體進(jìn)行監(jiān)護(hù)，如可自由活動的住院病人，以及家庭、社區(qū)中需要實(shí)時檢測生理參數(shù)的人們，健康管理的觸角需要延伸到社區(qū)和家庭［1-2］。這就需要一種便攜化、可攜帶的生理參數(shù)檢測儀器，能在離開床頭監(jiān)護(hù)儀的情況下繼續(xù)檢測，并將結(jié)果發(fā)送到中心接收站。

本研究針對這種情況，設(shè)計(jì)了一個基于物聯(lián)網(wǎng)(Zigbee)技術(shù)的多參數(shù)檢測系統(tǒng)，各生理參數(shù)的檢測均由獨(dú)立的模塊完成，每一模塊都內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)模塊，可將檢測結(jié)果發(fā)出，經(jīng)過Zigbee 轉(zhuǎn)藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)后，可由隨身攜帶的個人終端(手機(jī)或平板電腦)接收，如果需要還可通過個人終端遠(yuǎn)程傳輸?shù)竭h(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫保存。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 檢測模塊的設(shè)計(jì)

本研究研制的系統(tǒng)，需要在人體正?；顒訒r檢測各項(xiàng)生理參數(shù)，檢測儀器必須盡可能實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕的目標(biāo)，集成式的儀器設(shè)計(jì)顯然不適合，各檢測模塊獨(dú)立是較好的選擇，因此我們自行設(shè)計(jì)并制作了獨(dú)立的心電、血壓、血氧、體溫檢測模塊［3］。在各模塊的設(shè)計(jì)中，都采用了低功耗、體積小的MSP430 系列單片機(jī)作為中心控制單元，具體型號為MSP430F1612。

心電檢測模塊采用三導(dǎo)聯(lián)心電電極設(shè)計(jì)，四個導(dǎo)聯(lián)線分別連接四個肢體電極，進(jìn)入心電檢測模塊后，由單片機(jī)控制的導(dǎo)聯(lián)轉(zhuǎn)換電路選擇檢測的信號，經(jīng)過初級放大、帶通濾波、工頻陷波、后級放大等電路處理后，由MSP430 單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為12 位的數(shù)字信號。同時心電信號經(jīng)過心率檢測電路轉(zhuǎn)換為與R 波同步的脈沖信號，連接到單片機(jī)，由單片機(jī)的計(jì)時器計(jì)算R 波間隔時間，并轉(zhuǎn)換為心率。然后心電和心率信號再由單片機(jī)轉(zhuǎn)換為固定格式［4］的數(shù)據(jù)幀，通過單片機(jī)的串口發(fā)送至Zigbee 模塊進(jìn)行傳送。

血壓檢測采用基于示波法的無創(chuàng)檢測方法，模塊內(nèi)置血壓氣泵和氣閥，氣路連接到外部袖帶。單片機(jī)控制氣泵給袖帶充氣，同時通過壓力傳感器檢測袖帶內(nèi)的氣壓，經(jīng)過放大后由MSP430 單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并計(jì)算處理，根據(jù)袖帶內(nèi)的氣壓變化過程計(jì)算出收縮壓和舒張壓。然后血壓數(shù)據(jù)再由單片機(jī)轉(zhuǎn)換為固定格式［4］的數(shù)據(jù)幀，通過單片機(jī)的串口發(fā)送至Zigbee 模塊進(jìn)行傳送。

血氧檢測模塊采用一般指套式血氧傳感器，單片機(jī)驅(qū)動發(fā)光控制電路，使得血氧傳感器內(nèi)部的紅光和紅外光發(fā)光管輪流發(fā)光，透過指頭后的剩余光強(qiáng)由光敏管檢測，光強(qiáng)信號經(jīng)過放大、濾波等處理后，由MSP430 單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并計(jì)算處理，得出血氧含量數(shù)據(jù)，再由單片機(jī)轉(zhuǎn)換為固定格式［4］的數(shù)據(jù)幀，通過單片機(jī)的串口發(fā)送至Zigbee 模塊進(jìn)行傳送。

體溫檢測則采用常規(guī)熱敏電阻式體溫傳感器，體溫變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換為電壓的變化，由單片機(jī)讀入并轉(zhuǎn)化為體溫?cái)?shù)據(jù)。同樣，體溫?cái)?shù)據(jù)也由單片機(jī)轉(zhuǎn)換為固定格式［4］的數(shù)據(jù)幀，通過單片機(jī)的串口發(fā)送至Zigbee 模塊進(jìn)行傳送。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

采用各生理參數(shù)分開檢測的方式，一方面可以簡化設(shè)計(jì)，方便使用，但另一方面也給數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。由于各檢測模塊有可能同時傳出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收端必須能同時接收多個檢測模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是最近興起的用于物物連接的技術(shù)，狹義上的物聯(lián)網(wǎng)指連接物品到物品的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物品的智能化識別和管理;廣義上的物聯(lián)網(wǎng)則可以看作是信息空間與物理空間的融合，將一切事物數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化［5］。而Zigbee 是物聯(lián)網(wǎng)的重要通訊技術(shù)之一，是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其突出優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用簡單，工作頻段靈活，低功耗，低成本，高可靠性，具有自組網(wǎng)和自恢復(fù)能力等［6］，特別是可實(shí)現(xiàn)一對多的數(shù)據(jù)傳輸，特別適合傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

本研究中的設(shè)計(jì)采用基于CC2530 芯片的Zigbee 模塊，內(nèi)置Zigbee 2007/PRO 協(xié)議棧，只留出串口，設(shè)計(jì)者無需了解Zigbee 協(xié)議棧，只需要讀寫串口，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。模塊主要特性有:①自動組網(wǎng):上電后，模塊自動組網(wǎng)，協(xié)調(diào)器自動給路由分配地址，無需人工干預(yù)，模塊若掉電，網(wǎng)絡(luò)可自動修復(fù)。②數(shù)據(jù)透傳:使用串口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在任意兩個模塊之間的傳輸。③安全性高:網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過128 bit 數(shù)據(jù)加密處理，用戶可自行設(shè)定密鑰，以防數(shù)據(jù)泄露、阻止非授權(quán)節(jié)點(diǎn)獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。④靈活性強(qiáng):出廠默認(rèn)為路由器，用戶可任意配置為協(xié)調(diào)器或路由器。⑤使用方便:用戶無需了解Zigbee協(xié)議，只需使用串口就可以實(shí)現(xiàn)無線傳輸。

該模塊上電后，會自動組網(wǎng)，但所有模塊中必須有一個唯一的模塊設(shè)置為協(xié)調(diào)器，由它給其他模塊分配地址，其他模塊則設(shè)置成路由器。

每個生理參數(shù)的檢測模塊內(nèi)，都內(nèi)置一個Zigbee 模塊，由MSP430 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)指令的收發(fā)和數(shù)據(jù)的傳輸。由于MSP430 單片機(jī)和Zigbee 模塊都采用3.3 V 供電，兩者的串口是電平兼容的，可以直接連接，大大簡化了設(shè)計(jì)。單片機(jī)只需要按照Zigbee 模塊的數(shù)據(jù)格式要求與它進(jìn)行串行通訊即可。同時，檢測模塊內(nèi)部的Zigbee 模塊都設(shè)置為路由器模式，方便組網(wǎng)。

2.3 藍(lán)牙轉(zhuǎn)Zigbee 網(wǎng)關(guān)以及個人終端的設(shè)計(jì)

各生理參數(shù)檢測模塊獲得的數(shù)據(jù)，需要有一個個人終端接收并顯示，需要時上傳。相對于在基于ARM 的模塊基礎(chǔ)上自行設(shè)計(jì)的方案，采用開放系統(tǒng)的手機(jī)或平板電腦將是更合適的選擇，一方面手機(jī)或平板電腦有完整的輸入輸出部分和電池供電系統(tǒng)，另一方面也有與外部通訊的接口，可以方便地交換數(shù)據(jù)，因此本系統(tǒng)采用運(yùn)行Android 系統(tǒng)的手機(jī)或平板電腦作為個人終端。但這一類終端只內(nèi)置了藍(lán)牙收發(fā)功能，而沒有內(nèi)置Zigbee 模塊，為了使個人終端能夠接收Zigbee 網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)，我們設(shè)計(jì)了一種藍(lán)牙轉(zhuǎn)Zigbee 網(wǎng)關(guān)，可以方便的實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙和Zigbee 兩種傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

該網(wǎng)關(guān)由兩部分組成，一部分是一個Zigbee 模塊，該模塊與各生理參數(shù)檢測模塊內(nèi)置的Zigbee 模塊相同，只是被設(shè)置成協(xié)調(diào)器模式，上電后，該模塊將負(fù)責(zé)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng);另一部分則是一個藍(lán)牙模塊。該藍(lán)牙模塊采用CSR 主流藍(lán)牙芯片，符合藍(lán)牙V2. 0 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置天線，波特率默認(rèn)出廠9 600，用戶可設(shè)置，核心模塊尺寸大小為:27 mm ×13 mm ×2 mm，電源電壓3.3 V，可通過串口接受控制指令和收發(fā)數(shù)據(jù)，接口電平3.3 V，可以直接連接Zigbee 模塊的串口。該藍(lán)牙模塊有兩種工作模式:主機(jī)模式和從機(jī)模式，在本系統(tǒng)中，藍(lán)牙模塊設(shè)置為從機(jī)，以便和工作于主機(jī)模式的作為個人終端的手機(jī)和平板電腦中的藍(lán)牙模塊配對工作，配對以后可以作為全雙工串口使用。

以上設(shè)計(jì)的藍(lán)牙轉(zhuǎn)Zigbee 網(wǎng)關(guān)，其Zigbee 模塊能接收各檢測模塊的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)傳給藍(lán)牙模塊發(fā)送，由個人終端接收;而個人終端發(fā)出的指令通過該網(wǎng)關(guān)的藍(lán)牙模塊接收，轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，發(fā)給Zigbee 模塊，由各檢測模塊接收，從而實(shí)現(xiàn)各檢測模塊和個人終端間的雙向通訊。個人終端上的程序則使用JAVA 語言編寫，基于Android 4.1 系統(tǒng)，在編譯成安裝文件后，拷貝到個人終端上，即可安裝使用。經(jīng)測試，安裝程序在平板電腦和手機(jī)上都可正常運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)的功能包括通過藍(lán)牙接口向各生理參數(shù)檢測模塊發(fā)送控制指令，通過藍(lán)牙模塊接收檢測數(shù)據(jù)并顯示、心電波形描圖，調(diào)用個人終端的聯(lián)網(wǎng)功能(2G、3G、WIFI)將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。除了檢測各項(xiàng)生理參數(shù)，程序還允許手動輸入一些數(shù)據(jù)，如體重等，這些數(shù)據(jù)也會被上傳到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫保存，作為健康狀態(tài)評估的依據(jù)之一。

2.4 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

綜上所述，本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，各生理參數(shù)檢測模塊內(nèi)置Zigbee 通訊模塊，可與藍(lán)牙轉(zhuǎn)Zigbee 網(wǎng)關(guān)中的Zigbee 模塊形成Zigbee 網(wǎng)絡(luò);而藍(lán)牙轉(zhuǎn)Zigbee 網(wǎng)關(guān)中的藍(lán)牙模塊可與個人終端的藍(lán)牙模塊相連接。個人終端可通過藍(lán)牙，經(jīng)藍(lán)牙轉(zhuǎn)Zigbee 網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)，向各檢測模塊發(fā)送控制指令;各檢測模塊的檢測數(shù)據(jù)也可經(jīng)藍(lán)牙轉(zhuǎn)Zigbee 網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)，發(fā)送到個人終端接收，需要時可發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。

3 結(jié)果與討論

本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，以運(yùn)行Android 系統(tǒng)的手機(jī)或平板電腦為個人終端，實(shí)現(xiàn)了通過個人終端程序，經(jīng)藍(lán)牙轉(zhuǎn)Zigbee網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)，控制心電、心率、血壓、血氧、體溫等5 項(xiàng)生理參數(shù)檢測模塊的運(yùn)行、停止，并接收檢測模塊的結(jié)果數(shù)據(jù)，在個人終端上顯示結(jié)果，需要時，個人終端可通過調(diào)用個人終端的聯(lián)網(wǎng)功能(2G、3G、WIFI)將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。圖2 為在手機(jī)上檢測心電和血氧的實(shí)時結(jié)果圖。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)(Zigbee)的多生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 手機(jī)程序監(jiān)測心電和血氧顯示圖

測試中，整個系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，響應(yīng)迅速。無線網(wǎng)絡(luò)(包括Zigbee 和藍(lán)牙)可輕松實(shí)現(xiàn)無遮擋情況下5 米以上的傳輸距離，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

本研究所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，還只是一個實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的系統(tǒng)，著重于功能的實(shí)現(xiàn)，各檢測模塊和藍(lán)牙轉(zhuǎn)Zigbee 網(wǎng)關(guān)還只是電路板及其連接。在將來的工作中，一方面應(yīng)盡可能減少各檢測模塊的體積、重量，并為其設(shè)計(jì)電池供電系統(tǒng)，如血氧檢測可設(shè)計(jì)為指套式，整個儀器都置于指套內(nèi)，血壓則設(shè)計(jì)為腕式的(市面上已有這兩類儀器)。有條件的模塊(如心電、體溫等低功耗檢測項(xiàng)目)可以設(shè)計(jì)為可穿戴式;另一方面可以增加檢測項(xiàng)目，如呼吸、人體姿態(tài)等生理參數(shù)的檢測。Zigbee網(wǎng)絡(luò)理論上可以容納上萬個節(jié)點(diǎn)，但實(shí)際應(yīng)用中，由于各種限制，一般認(rèn)為不能超過100 各節(jié)點(diǎn)，但100 個對于人體參數(shù)檢測完全夠用，這也是我們選擇Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的原因。

當(dāng)各生理參數(shù)的檢測都能實(shí)現(xiàn)可穿戴式，或微型化后，我們就能夠非常方便地通過可穿戴式傳感器，或者通過微型化的檢測儀器，獲得人體各項(xiàng)生理參數(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)匯集到個人終端，最終上傳到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。如能實(shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)，對提高醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量、推進(jìn)疾病預(yù)防、促進(jìn)健康管理事業(yè)的發(fā)展，將是一個很大的推動。

［1］ 江 紅. 全域醫(yī)療服務(wù)體系的構(gòu)建與實(shí)施研究［J］. 現(xiàn)代醫(yī)院，2011，11(6):1 -4.

［2］ 徐嘉億，李玉敏，趙曉玲，等. 社區(qū)居家養(yǎng)老醫(yī)療服務(wù)需求分析［J］.現(xiàn)代醫(yī)院，2011，11(2):151 -152.

［3］ 鄧親愷，郭勁松，李永勤，等. 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)原理［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［4］ 郭勁松，梁妃學(xué)，鄧親愷. 家庭、社區(qū)遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)［J］. 中國醫(yī)療器械雜志，2011，35(5):361 -363.

［5］ 孫其博，劉 杰，黎 羴，等. 物聯(lián)網(wǎng):概念架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述［J］. 北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33(3):1 -9.

［6］ 章偉聰，俞新武，李忠成. 基于CC2530 及ZigBee 協(xié)議棧設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)［J］. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20(7):184 -187.