徐玉炎， 明 軒 ， 張 瑞， 李奇越， 楊 潔

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.杭州娃哈哈科技有限公司 浙江 杭州 310009）

傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用有線傳感器探頭來獲得受試者的生理數(shù)據(jù)，這類設(shè)備往往連線眾多，進(jìn)行檢測時受試者只能坐臥于床，使受試者的行動受到很大限制；此外，傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備往往給受試者代理較大的生理、心理負(fù)荷，可能造成所測得的數(shù)據(jù)與真實情況有一定差距，影響病情的正確診斷[1]。

針對上述現(xiàn)狀，本文基于WSN技術(shù)，設(shè)計了穿戴式的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。受試者佩戴的傳感器終端可以實時采集病人的體溫、脈搏、姿態(tài)等生理參數(shù)，并以無線的方式傳輸至監(jiān)護(hù)中心；醫(yī)生可以通過PC軟件實現(xiàn)對監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的管理，同時可以隨時隨地訪問Web應(yīng)用，實現(xiàn)對病人生理數(shù)據(jù)的獲取。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

系統(tǒng)主要包括監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)護(hù)中心計算機上位機程序、Web應(yīng)用3部分，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括協(xié)調(diào)器與穿戴式傳感器終端，傳感器終端可以采集病人的體溫、脈搏、姿態(tài)等參數(shù)，通過協(xié)調(diào)器匯聚，經(jīng)RS485總線傳輸至監(jiān)護(hù)中心計算機；監(jiān)護(hù)中心計算機的上位機程序?qū)⒈O(jiān)測數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，同時對于病人危險的生理信息及時報警；Web應(yīng)用與監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫連接，醫(yī)生可以很方便的通過手機、平板、電腦等各種終端對病人的監(jiān)護(hù)信息進(jìn)行訪問。

圖1 醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of medical monitoring system

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

本文設(shè)計的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要應(yīng)用于醫(yī)院、養(yǎng)老院等室內(nèi)場所，這些場所中的墻壁、設(shè)備都會對無線射頻信號的傳輸造成阻礙，所以如何在這樣的環(huán)境下保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定是本系統(tǒng)首先要解決的問題。同時，本系統(tǒng)的傳感器節(jié)點為穿戴式的，受試者會長期佩戴，為保證受試者的移動性必須使用電池供電，這就對系統(tǒng)的功耗提出了很高的要求，所以本系統(tǒng)設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)必須盡量滿足終端節(jié)點的節(jié)能要求。

針對上述討論，設(shè)計出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該網(wǎng)絡(luò)為兩級樹形網(wǎng)絡(luò)，第一級網(wǎng)絡(luò)為RS485總線型網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)護(hù)中心計算機、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器都掛載在該總線網(wǎng)絡(luò)上；第二級網(wǎng)絡(luò)為各個協(xié)調(diào)器與穿戴式傳感器終端組成的星型無線網(wǎng)絡(luò)?？偩€網(wǎng)絡(luò)保證了各個協(xié)調(diào)器與監(jiān)護(hù)中心計算機在建筑物內(nèi)的穩(wěn)定通信，廣泛布置的協(xié)調(diào)器保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，簡單星型無線網(wǎng)絡(luò)在保證可靠通信的同時極大降低了穿戴式傳感器終端的能源消耗。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 Topology structure of WSN

具體的無線網(wǎng)絡(luò)方面，本系統(tǒng)選擇了較成熟的ZigBee技術(shù)來搭建。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建。ZigBee網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用需要可以組成星型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和樹狀網(wǎng)絡(luò)[2]。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通過終端多跳通信來保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋，故能耗較高，樹狀網(wǎng)絡(luò)通過配置相應(yīng)的路由節(jié)點來提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋，而本系統(tǒng)已經(jīng)配置足夠多的協(xié)調(diào)器來覆蓋整個應(yīng)用場所，故最簡單的星型網(wǎng)絡(luò)即可滿足需求，同時這種網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點具有最低的功耗。

本系統(tǒng)中所有的協(xié)調(diào)都具有同樣的網(wǎng)絡(luò)號，系統(tǒng)上電后，協(xié)調(diào)器會自動選擇一個信道，建立網(wǎng)絡(luò)，穿戴式傳感器終端節(jié)點會自動與最近的協(xié)調(diào)器通信，加入網(wǎng)絡(luò)，同時協(xié)調(diào)器為其分配一個16位的邏輯地址。在應(yīng)用層，事先為每個終端節(jié)點規(guī)定了唯一的設(shè)備號，并以此來標(biāo)識不同的節(jié)點。當(dāng)系統(tǒng)需要獲得某確定節(jié)點的傳感器信息時，所有的協(xié)調(diào)器都會在網(wǎng)絡(luò)中廣播包含該節(jié)點設(shè)備號的指令，終端節(jié)點對設(shè)備號進(jìn)行比對，如果相同則發(fā)送所需的傳感器數(shù)據(jù)。當(dāng)傳感器終端節(jié)點因為移動或障礙物遮擋等原因脫離當(dāng)前協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)時，會立即尋找最近的協(xié)調(diào)器重新加入網(wǎng)絡(luò)。通過這樣設(shè)計，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，同時了降低傳感器節(jié)點的功耗。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計

3.1 穿戴式傳感器節(jié)點系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

穿戴式傳感器節(jié)點以網(wǎng)蜂公司研制的CC2530核心板為基礎(chǔ)研制，硬件結(jié)構(gòu)如圖3。系統(tǒng)選用TI公司的CC2530作為微控制器，該芯片集成了兼容ZigBee協(xié)議的射頻模塊以及一個增強型8051內(nèi)核的單片機，可以運行TI的ZStack協(xié)議棧，為系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計提供了極大的便利[3]。

圖3 穿戴式傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of wearable sensor nod

考慮到測量的便利性以及減少受試者的佩戴負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)采用非接觸式人體紅外溫度測量傳感器MLX90615，該傳感器主要由紅外熱電堆傳感器、低噪聲放大器、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和功能強大的DSP單元等組成，可以通過I2C總線與單片機通訊。由于CC2530不具備硬件I2C接口，故采用軟件模擬的方式獲取該傳感器的數(shù)據(jù)[4]。

系統(tǒng)采用反射式脈搏傳感器模塊獲取人體脈搏數(shù)據(jù)，使用ADXL354加速度計檢測人體姿態(tài)，對于跌倒等意外情況及時發(fā)送報警。穿戴式傳感器節(jié)點還加入了低功耗的Nokia 5110 LCD顯示器以及按鍵，可以與受試者進(jìn)行簡單的交互。

3.2 人體脈搏數(shù)據(jù)的采集

本系統(tǒng)使用一個簡單的反射式光電脈搏傳感器模塊來檢測受試者的脈搏，該模塊成本較低、性能穩(wěn)定，其電路原理圖如圖4所示[5]。其基本原理是依據(jù)光電容積法檢測由于心臟泵血引起的人體末端毛細(xì)血管的體積變化，從而間接測量出心臟的跳動情況。

圖4 反射式脈搏傳感器模塊原理圖Fig.4 Schematic of pulse sensor module

該模塊選擇了模擬輸出的APDS-9008環(huán)境亮度傳感器。該傳感器在設(shè)計上緊貼人眼的光譜響應(yīng)曲線，對于波長500 nm左右的綠光尤其敏感，故本電路選擇了綠色LED作為反射光源。APDS-9008輸出電流信號，通過一個12 kΩ的電阻進(jìn)行I/V變換，得到的信號進(jìn)入無源低通濾波網(wǎng)絡(luò)，濾除高頻干擾后經(jīng)過一個基準(zhǔn)電壓為VCC/2的反向比例放大電路放大后輸出。CC2530通過內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器以100 Hz的采樣頻率獲取該模塊的輸出電壓，通過對信號的分析計算，獲得受試者的脈搏。

3.3 基于加速度計的跌倒檢測

由于病人身體虛弱或行動不便，往往會發(fā)生跌倒的意外，若跌倒后沒有得到及時的救助，將會導(dǎo)致嚴(yán)重后果，所以跌倒監(jiān)測成為本系統(tǒng)要解決的問題之一。系統(tǒng)采用ADXL345加速度傳感器來檢測人的姿態(tài)，結(jié)合相應(yīng)算法，判斷病人是否跌倒，在跌倒時發(fā)送信息至監(jiān)護(hù)中心計算機，完成報警。

ADXL345三軸加速度傳感器測量范圍達(dá)±16 g，具有3.9 mg/LSB的高分辨率，同時具有許多特殊檢測功能，如活動非活動檢測、敲擊檢測、自由落體檢測等，而這些功能可以映射到兩個中斷輸出引腳中，從而為系統(tǒng)的低功耗設(shè)計提供了極大的便利。

依據(jù)文獻(xiàn)[6]提出的跌倒檢測算法對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，主要是通過加速度傳感器依次對人體跌倒時的3種關(guān)鍵特性（失重、撞擊和靜止）進(jìn)行識別，從而判斷人體跌倒。

3.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件包括ZigBee協(xié)調(diào)器軟件與穿戴式傳感器終端軟件兩部分。這兩部分軟均使用CC2530所兼容的Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)。

根據(jù)前述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立與管理ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)，同時通過RS485總線與上位機進(jìn)行交互。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方面，協(xié)調(diào)器主要處理兩種情況：一種是上位機定時發(fā)送查詢命令，獲得所有傳感器的數(shù)據(jù)；一種是穿戴式傳感器終端在檢測到跌倒后向上位機發(fā)送報警指令。對于前一種情況，協(xié)調(diào)器通過RS485總線接收到上位機發(fā)送的查詢命令后，向ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的所有傳感器終端廣播查詢命令，待收到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有傳感器終端采集的信息后，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)打包上傳給上位機。對于第二種情況，協(xié)調(diào)器僅僅是將收到的報警信息轉(zhuǎn)發(fā)給上位機。

圖5 醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)上位機程序Fig.5 User interface of the PCprogram

穿戴式傳感器終端節(jié)點工作較為復(fù)雜。終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，定時10 ms的事件周期。由于體溫變化緩慢，具有大慣性特性，所以每100個事件周期采集一次體溫信息。當(dāng)終端節(jié)點沒有收到任何查詢命令時，僅將體溫在LCD上顯示，供佩戴者查看。當(dāng)終端節(jié)點收到查詢命令時，LCD顯示信息提醒佩戴者穿戴好采集設(shè)備，開始傳感器信息的采集。此時除了溫度信息，每個事件周期均采集脈搏傳感器的模擬電壓數(shù)據(jù)。經(jīng)實驗，系統(tǒng)選用脈搏傳感器模塊的模擬電壓信號存在一個大于2 V的脈沖尖峰信號，該信號即代表脈搏跳動。其尖峰寬度在140 ms到190 ms之間。程序中利用狀態(tài)機原理，當(dāng)檢測到連續(xù)12個事件周期中采集的模擬電壓信號大于2 V后脈搏計數(shù)值加一。為保證脈搏數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，脈搏采樣的過程設(shè)置為2000個事件周期。最后將計算得到的脈搏數(shù)據(jù)連同體溫一起單播發(fā)送給協(xié)調(diào)器。穿戴式傳感器終端還具有跌倒檢測報警的功能，根據(jù)3.3所述的檢測方法，配置ADXL345的自由落體檢測中斷與活動檢測中斷，并映射至中斷輸出引腳。系統(tǒng)檢測到相應(yīng)中斷后進(jìn)行判斷，若判斷為跌倒的情況，則立即向協(xié)調(diào)器發(fā)送報警指令，完成跌倒檢測報警。

4 監(jiān)護(hù)軟件設(shè)計

監(jiān)護(hù)軟件分為本地上位機程序與網(wǎng)絡(luò)Web應(yīng)用兩部分。本地上位機程序負(fù)責(zé)管理WSN網(wǎng)絡(luò)，并將監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)寫入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，同時為醫(yī)護(hù)人員提供監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)的顯示；網(wǎng)絡(luò)Web應(yīng)用可供病人或醫(yī)護(hù)人員訪問，提供所需的監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)。

4.1 本地上位機程序設(shè)計

監(jiān)護(hù)中心計算機通過RS485總線網(wǎng)絡(luò)與所有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，配置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，獲得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在為醫(yī)護(hù)人員提供病人基本信息、病人監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)的同時，將監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)寫入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。

基于以上需求，使用C#語言，結(jié)合.Net技術(shù)[7]進(jìn)行編寫上位機程序，程序界面如圖5所示。計算機通過串口與RS485總線進(jìn)行通信，串口操作使用SerialPort類完成。所有的病人基本信息、監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)都存儲于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫選用的是MySQL，故數(shù)據(jù)庫的訪問使用MySQL Connector/NET來實現(xiàn)。

4.2 網(wǎng)絡(luò)Web應(yīng)用設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)Web應(yīng)用如圖6所示，用戶可以通過瀏覽器訪問該應(yīng)用獲得相應(yīng)的監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)計，病人與醫(yī)護(hù)人員都能訪問該應(yīng)用，但其權(quán)限不同：以病人身份登陸時只能獲得自己的監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)，以醫(yī)護(hù)人員身份登陸后則可以獲得所有病人的監(jiān)護(hù)信息。

Web應(yīng)用采用Apache服務(wù)器架構(gòu)，連接至存儲病人信息的MySQL數(shù)據(jù)庫。服務(wù)器端CGI程序采用PHP語言編寫，顯示圖表使用基于jQuery的動感統(tǒng)計曲線生成插件Highcharts，客戶端程序使用腳本語言JavaScript，實現(xiàn)了像動態(tài)刷新和其他的強交互型功能。通過本W(wǎng)eb應(yīng)用，病人和醫(yī)生都能隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)獲取所需的監(jiān)護(hù)信息，十分方便高效，這也是本系統(tǒng)的一大特色。

圖6 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的Web應(yīng)用Fig.6 User interface of Web application

5 系統(tǒng)測試分析

根以上設(shè)計，制作了具有兩個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，四個穿戴式傳感器終端的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，為了模擬病房結(jié)構(gòu)，將該系統(tǒng)其布置于學(xué)生宿舍。經(jīng)過一周的試驗，該系統(tǒng)運行良好，可以較準(zhǔn)確地獲得4位受試者的體溫、脈搏數(shù)據(jù)，能檢測出大部分的跌倒情況。同時，用戶可以通過上位機程序或者Web應(yīng)用進(jìn)行監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)的訪問與系統(tǒng)管理，基本達(dá)成設(shè)計目標(biāo)。

6 結(jié) 論

本文介紹的基于WSN的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)以較低的成本，實現(xiàn)了低生理、心理負(fù)荷下的人體體溫、脈搏及姿態(tài)等生理信息的獲取，同時，結(jié)合Web技術(shù)，編寫了Web應(yīng)用，實現(xiàn)了對監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)的多終端無障礙訪問 ，極大提升了系統(tǒng)的易用性。如果該系統(tǒng)在醫(yī)院等機構(gòu)推廣開來，能在保證準(zhǔn)確監(jiān)護(hù)結(jié)果的前提下減少醫(yī)護(hù)人員的工作量，同時減少了病人的生理、心理負(fù)擔(dān)。

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