目前,醫院中的監(jian)護係統大(da)多采用固定的醫療監(jian)護設備,通過線纜將傳感器采集的人體生理參(can)數傳輸(shu)至監(jian)護中心,這(zhe)樣的係統往往體積(ji)大(da)、成本高,限製了病人和醫護人員的行動,增(zeng)加了病人的生理和心理負擔(dan),已經越來越不能滿足(zu)當今(jin)實(shi)時、連續、長時間地監(jian)測病人體征參(can)數的醫療監(jian)護需求。
隨著微電子技術、傳感器技術和通信技術的飛速(su)發展,新興的穿(chuan)戴(dai)式醫療監(jian)護係統正越來越受(shou)到人們的關注,本文就(jiu)針對穿(chuan)戴(dai)式醫療係統的發展現(xian)狀(zhuang),應用ZigBe無線模塊技術,設計並實(shi)現(xian)了一種穿(chuan)戴(dai)式醫療監(jian)護係統節點,該節點能夠實(shi)時獲取(qu)人體體溫、脈搏、身體姿態等信息並以無線的方式傳送至協調器,達到醫療監(jian)護的目的。
1穿(chuan)戴(dai)式醫療監(jian)護係統整體設計
ZigBee是基於IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議。它是一種近距(ju)離、低複雜度、低功耗、低成本的無線網絡技術,廣(guang)泛應用於各種無線傳感器網絡的搭建。圖1為一個典型的基於ZigBee無線模塊技術的醫療監(jian)護係統,其中由網絡協調器建立ZigBee數傳網絡,穿(chuan)戴(dai)式傳感器終(zhong)端上電後自(zi)動加入該網絡,若通信距(ju)離較遠,可以采用多跳的方式加入網絡。
穿(chuan)戴(dai)式傳感器終(zhong)端實(shi)時進行ZigBee數據采集人體的重要生理信號,經過簡單處理後發送給網絡協調器。網絡協調器將收(shou)到的信息轉發給彙(hui)聚節點,最後彙(hui)聚節點將網絡中所有的傳感器信息彙(hui)總打包後發送給監(jian)護中心計算機,供醫護人員查看、分析。本文的重點是介紹(shao)該網絡中的穿(chuan)戴(dai)式傳感器終(zhong)端的設計。
2穿(chuan)戴(dai)式傳感器終(zhong)端節點的硬(ying)件設計
2.1穿(chuan)戴(dai)式傳感器節點係統硬(ying)件總體設計
穿(chuan)戴(dai)式傳感器節點以即聯科技公司的CC2530 ZigBee無線模塊核(he)心板為基礎研(yan)製,硬(ying)件結構(gou)圖如圖2所示。係統選用TI公司的CC2530作為微控製器,該芯片集成了兼容Zigbee協議的射頻模塊以及一個增(zeng)強型8051內核(he)的單片機,可以運行TI的Z-Stack協議棧,為係統的軟硬(ying)件設計提供了極大(da)的便利。
考慮到測量(liang)的便利性以及減(jian)少受(shou)試(shi)者的佩(pei)戴(dai)負擔(dan),係統采用非(fei)接
觸式人體紅外溫度測量(liang)傳感器MLX90615檢測人體體溫,使用反射式脈搏傳感器模塊獲取(qu)人體脈搏數據。同時,係統使用ADXL354加速(su)度計實(shi)時檢測人體姿態,對於跌(die)倒等意外情況及時發送報警信息。穿(chuan)戴(dai)式傳感器節點還(huai)加入了低功耗Nokia 5110 LCD顯示器、LED、按鍵,可以與受(shou)試(shi)者進行簡單的交互(hu),如顯示時間、提醒服藥、呼(hu)叫(jiao)醫護人員等。
2.2電源設計
作為穿(chuan)戴(dai)式設備,係統必須使用電池供電。為了在保(bao)證足(zu)夠續航時間的前提下盡量(liang)減(jian)小佩(pei)戴(dai)著的負擔(dan),係統選用能量(liang)密(mi)度較高的鋰電池供電。同時,考慮到穿(chuan)戴(dai)式傳感器節點在電池電量(liang)耗盡時應盡快(kuai)恢(hui)複工作,係統選用了便於更換的7號3.7V/650mAh鋰離子電池。由於係統選用的CC2530、MLX90615、ADXL345等芯片均需要3.3V供電電壓,3.7V的鋰電池無法(fa)直接為這(zhe)些芯片供電,故采用高精(jing)度穩壓芯片HT7533與10μF的鉭(tan)電容組成可靠的降(jiang)壓電路,獲得穩定的3.3V為係統供電。
2.3傳感器電路設計
係統采用非(fei)接觸式人體紅外溫度測量(liang)傳感器MLX90615檢測人體體溫,該傳感器由Melexis設計生產,具有極高的測量(liang)精(jing)度。該傳感器為TO-39封裝,其中集成了對紅外靈敏的熱電堆(dui)探測器芯片和信號處理ASSP(專(zhuan)用集成電路)芯片,能夠通過基於I2C總線規範的SMBus接口直接輸(shu)出溫度數字量(liang),從而極大(da)簡化了係統電路設計。該傳感器外圍電路設計如圖3所示,VCC為芯片提供所需的3.3V工作電壓,同時為減(jian)小外界信號的幹擾,在電源和數字地之間加入0.1μF去耦電容。I2C總線的數據線SDA和時鍾線SCL分別通過10kΩ電阻上拉至VCC,之後連接於CC2530 ZigBee數傳模塊的P0.1與P0.2引腳。由於CC2530 ZigBee數傳模塊不具有硬(ying)件I2C接口,故采用模擬通信時序的方式讀(du)寫MLX90615的RAM和EEPROM,從而得到人體體溫數據。
本係統使用一個簡單的反射式光(guang)電脈搏傳感器模塊來檢測受(shou)試(shi)者的脈搏,該模塊成本較低、性能穩定,其電路原理圖如圖4所示。其基本原理是依(yi)據光(guang)電容積(ji)法(fa)檢測由於心髒泵血(xue)引起的人體末端毛細血(xue)管的體積(ji)變化,從而間接測量(liang)出心髒的跳動情況。
該模塊選擇了模擬輸(shu)出的APDS-9008環境亮度傳感器。該傳感器在設計上緊貼人眼的光(guang)譜響應曲線,對於波長500nm左右的綠(lv)光(guang)尤其敏感,故本電路選擇了綠(lv)色(se)LED作為反射光(guang)源。APDS-9008輸(shu)出電流信號,通過一個12kΩ的電阻進行I/V變換,得到的信號進入無源低通濾波網絡,濾除(chu)高頻幹擾後經過一個基準電壓為VCC/2的反向(xiang)比例放大(da)電路放大(da)後輸(shu)出。CC2530通過內置的A/D轉換器以100Hz的采樣頻率獲取(qu)該模塊的輸(shu)出電壓,通過對信號的分析計算,獲得受(shou)試(shi)者的脈搏。
係統采用ADXL345加速(su)度傳感器來實(shi)時檢測人的姿態,對於跌(die)倒等情況能及時報警。ADXL345三軸(zhou)加速(su)度傳感器測量(liang)範圍達±16g,具有3.9mg/LSB的高分辨率,同時具有許多特殊檢測功能,如活(huo)動非(fei)活(huo)動檢測、敲擊檢測、自(zi)由落體檢測等,而這(zhe)些功能可以映射到兩個中斷輸(shu)出引腳中,從而為係統的低功耗設計提供了極大(da)的便利。ADXL345與MLX90615一樣使用I2C總線通信,其數據線SDA和時鍾線SCL分別連接於CC2530的P0.1和P0.0引腳上,因為其器件地址與MLX90615不同,CC2530 ZigBee數傳模塊在與他們通信時並不會產生幹擾。
2.4人機接口電路設計
穿(chuan)戴(dai)式傳感器節點可以通過LED指示燈、按鍵、Nokia 5110 LCD與受(shou)試(shi)者進行簡單的交互(hu)。其中,LED用來顯示脈搏的跳動,按鍵用來執(zhi)行簡單的設定,Nokia5110LCD用來顯示受(shou)試(shi)者的脈搏、體溫等基本信息。兩顆LED使用驅動能力較強的P1.0、P1.1引腳直接驅動,兩枚按鍵經過10kΩ上拉後連接至P0.4、P0.5引腳,Nokia 5110 LCD使用SPI接口與CC2530連接通信。
3穿(chuan)戴(dai)式傳感器終(zhong)端節點的軟件設計
穿(chuan)戴(dai)式傳感器終(zhong)端節點使用TI公司的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0協議棧開發,該協議棧在實(shi)現(xian)了ZigBee協議基本功能的基礎上,提供了一個基於事件驅動的輪詢式操(cao)作係統,稱為OSAL(OperatingSystemAbstractionLayer,操(cao)作係統抽象(xiang)層)。OSAL為開發者提供了任務切換、內存管理等功能,在提升無線傳感器網絡穩定性的同時大(da)大(da)降(jiang)低了開發難(nan)度。
ZigBee無線模塊網絡可以具有多種拓(tuo)撲結構(gou),如星型網絡、樹形網絡、網裝網絡,根據具體的需要可以在Z-Stack中進行相應的配置。在這(zhe)些網絡拓(tuo)撲結構(gou)中,ZigBee無線模塊傳感器網絡都是由協調器建立的,穿(chuan)戴(dai)式傳感器終(zhong)端節點在上電初(chu)始(shi)化後會自(zi)動掃描信道(dao)尋找合適(shi)的網絡,發送入網信息,在得到確認信息加入網絡後,立即進入休(xiu)眠模式,等待定時器喚醒,進行ZigBee數據采集傳感器信息。
具體說來,穿(chuan)戴(dai)式傳感器終(zhong)端節點加入網絡後,在協議棧中設定COLLECT_INFO時間的為10ms,定時10ms的事件周期。由於體溫變化緩(huan)慢,具有大(da)慣性特性,所以每100個事件周期讀(du)取(qu)一次(ci)MLX90615的寄(ji)存器獲得體溫數據,並將體溫顯示於LCD上。脈搏傳感器穩定輸(shu)出的幅(fu)值大(da)於2V,脈寬在120~190ms的尖峰(feng)脈衝(chong)代表了脈搏跳動,因此每個事件周期內都通過CC2530內置的A/D轉換器對脈搏傳感器的輸(shu)出進行采樣。利用狀(zhuang)態機原理,當連續監(jian)測到12個采樣值大(da)於2V時,認定為一次(ci)脈搏跳動。最後通過在一段(duan)時間內的脈搏計數算出受(shou)試(shi)者的脈搏,並將具體數值顯示在LCD上。最後,當傳感器信息采集完(wan)成後,將數據打包,調用協議棧中提供的數據發送函(han)數AF_DataRequest()將數據發送到父(fu)節點。具體工作流程詳(xiang)如圖5所示。
穿(chuan)戴(dai)式傳感器終(zhong)端還(huai)具有跌(die)倒檢測報警的功能,這(zhe)主要是依(yi)據文獻提出的跌(die)倒檢測算法(fa)進行實(shi)現(xian)的,通過加速(su)度傳感器依(yi)次(ci)對人體跌(die)倒時3種關鍵特性(失重、撞擊和靜止)進行識別,從而判(pan)斷人體跌(die)倒。配置ADXL345的自(zi)由落體檢測中斷與活(huo)動檢測中斷,並映射至中斷輸(shu)出引腳。係統檢測到相應中斷後進行判(pan)斷,若判(pan)斷為跌(die)倒的情況,則立即向(xiang)協調器發送報警指令,完(wan)成跌(die)倒檢測報警。
為了測試(shi)其效果,將該係統其布置於醫院,並配置為星型網絡。經過一周的試(shi)驗,該係統運行良(liang)好(hao),可以較準確進行ZigBee數據采集,獲得4位受(shou)試(shi)者的體溫、脈搏數據,能檢測出大(da)部分的跌(die)倒情況,基本達到了設計要求。
但(dan)是通過實(shi)驗,我們也發現(xian)了本係統的許多不足(zu),比如跌(die)倒檢測不夠精(jing)確,存在誤(wu)報的情況,係統的電力不是十分充足(zu),隻(zhi)能連續工作一周的時間,但(dan)是考慮到係統的成本、工藝等因素,在當前的技術條件下已經取(qu)得了不錯的效果。
4結束語
本設計以ZigBee無線模塊通信技術和傳感器技術為核(he)心,使用ZigBee數傳模塊以相對低的成本實(shi)現(xian)了低生理、心理負荷下對人體體溫、脈搏、生理姿態的ZigBee數據采集。若該穿(chuan)戴(dai)式醫療監(jian)護係統節點能在醫院、養(yang)老(lao)院等機構(gou)推廣(guang)開來,可以提高病人、老(lao)人的生活(huo)質量(liang)、減(jian)少醫護人員的工作量(liang),同時為醫生的診斷提供更加豐(feng)富(fu)詳(xiang)細的數據依(yi)據,具有較好(hao)的應用前景。