基于无线传感器网络的远程医疗监护系统设计.docx

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基于无线传感器网络的远程医疗监护系统设计

摘要

远程医疗监护借助于单片机、PC机、传感技术和现代无线通信技术，是一种体积小、功耗低、实时安全的便携式人体健康参数无线监测系统。

在节点的设计中，包括生理信息与数据采集单元、中央处理单元、无线数据通信单元、

电源单元等部分组成;生理信息与数据采集单元负责监测被监护对象的生理信息的采集、调理和数据转换;中央处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等;无线传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据。

围绕CC2420和MSP430F149两个核心器件，以脉搏传感器为信息采集前端，提取脉搏信号，经由电荷放大、滤波、上频陷波、信号整形等调理电路，传输至MSP430单片机进行处理后，再由CC2420为核心的射频模块无线发送至远端节点，远端节点将接收到的信息传递给后端的主机，将患者的生理数据贮存并分析。

关键词:

远程医疗监护,无线传感器网络,802.15.4/Zigbee,WLAN,Medicinalapplications,wirelesssensornetworks,802.15.4/Zigbee,WLAN

ABSTRACT

Inthepresenceofsinglechip,wirelesscommunicationtechnology,basedontheparametersofhuman'ssensingtechnology,microcomputer,andmodernthispaperpresentsahealth,whichissmallwirelessmonitorsystemlowpowerconsumption,

Inthissystem,TheauthordesignedthewirelesssensornetworkdemonstrationsystembasedZigbeetechnology.Thenitisintroducedthedesigningofthenetworknodesasthehardwareplatform,includingthetestingandsurveyingunit,signalprocessingunit,networktransmissionunitandsoon.Theexaminationandsurveyunitisresponsibletomonitorphysiologicalinformationofthepatientgathering,adjustingandthedataconversion.Inthisdesign,thedatacollectionunitmainlytakesthepulsesensorastheexample.Thecentralprocessingunitisresponsibletocontroltheprocessingoperation,therouteagreement,thesynchronizedlocalization,theconsumptionpowermanagement,thetaskmanagementandsoonofentirenodes.Thewirelesstransmissionunitisresponsibletocommunicatewithothernodes,exchangecontrollinginformationandreceivingandsendingdata.TheCC2420andtheMSP430F149areusedasthemainchipsofthesystem.SensorisusedastheinformationgatheringdetectortodistillthepulsesignalwhichistranslatedtoMSP430chipthroughenlarges,thefilter,thelaborfrequencybywayoftheelectric

KeyWords:

Medicinalapplications;wirelesssensornetworks;802.15.4/Zigbee;WLAN

目录

摘要I

ABSTRACTI

0引言1

1绪论1

1.1远程监护概述1

1.2远程监护的研究背景和意义2

1.2.1研究背景2

1.2.2研究意义2

1.3国内外相关研究2

2医疗监测原理与系统设计思想3

2.1医疗监测原理3

2.2无线通信技术3

2.3系统设计思想3

3无线监护传感器节点的设计5

3.1无线传感器节点结构框图5

3.2无线监护传感器节点的硬件设计5

3.2.1MSP430系列单片机及其外围电路5

3.2.2脉搏测量电路的设计7

3.2.3通用模拟信号处理接口8

3.2.4电源处理部分11

3.2.5Zigbee无线数据通信模块11

3.2.6预留人机界面13

3.3无线监护传感器节点的底层代码设计15

3.3.1底层软件整体构架15

3.3.2底层代码设计15

3.3.3时钟系统的设置16

3.3.4通用软件包的设计及应用17

3.3.5模拟量、开关量测量的代码设计18

3.3.6串口通讯程序设计18

3.4无线传感器网络通信协议19

3.4.1星型网络拓扑的实现20

3.4.2自组织网状网络通信协议21

4系统设计方案24

4.1医院监护网络体系方案24

4.2家庭监护网络体系方案24

5总结和展望25

5.1主要结论25

5.2后续研究工作的展望25

致谢26

参考文献27

附录28

基于无线传感器网络的远程医疗监护系统设计

0引言

无线传感网络一般包括信号的采集、无线发送、无线接收和远程传送。

传感器采集人体各种健康参数，这些模拟信号经过前置电路的处理，以数字信号的形式输入微控制器，通过无线数据传输和计算机通用串行总线接口进入pc机，由INTERNET发送到远程监护中心，为医生提供各种重要的生理参数变化，帮助他们实时监护远端用户的身体健康状况，并可以及时地采取相应措施。

本系统由监护基站设备和Zigbee传感器节点构成一个微型监护网络，传感器节点上使用中央控制器对所需要监测的生命指标传感器进行控制来采集数据，通过Zigbee无线通信方式将数据发送至监护基站设备，并由该基站装置将数据传输至所连接的PC或者其他网络设备上，通过Internet网络可以将数据传输至远程医疗监护中心，由专业医疗人员对数据进行统计观察，提供必要的咨询服务，实现远程医疗。

在救护车中的急救人员还可通过GPRS实现将急救病人情况的实时传送，以利于医院抢救室及时地做好准备工作。

医疗传感器节点可以根据不同的需要而设置，因此该系统具有极大的灵活性和扩展性。

同时，将该系统接入Internet网络，可以形成更大的社区医疗监护网络、医院网络乃至整个城市和全国的医疗监护网络。

1绪论

1.1远程监护概述

远程监护技术是近年来远程医疗中的一个研究热点，也是一个相对薄弱的环节，欧美各国一直致力于对远程监护的研究，我国近年来也开始推动其发展。

远程监护可以定义为通过通信网络将远端的生理信息和医学信号传送到监护中心进行分析并给出诊断意见的一种技术手段，因此远程监护系统一般包括三个部分:

监护中心、远端监护设备和联系两者的通信网络。

图1.1为一个简化的远程监护系统结构图:

通信网络

图1.1远程监护系统结构图

1．远端监护设备

根据监护对象的和监护目的不同，远端监护设备有多种类型，按用途可分为三类:

一类为生理参数检测和遥测监护系统，这类设备的使用范围最为广泛，能帮助医生掌握监护对象的病情并提供及时的医疗指导。

检测的生理信息主要包括:

心电图、脑电图、心率、血压、脉搏、呼吸、血气、血氧饱和度、体温、血糖等。

第二类为日常活动监测设备，如监护对象的坐卧行走等活动状态和监护对象的日常生活设施使用情况，主要应用于儿童、老年人和残疾人。

第三类是用于病人护理的检测设备，如瘫痪病人尿监测设备，可以降低护理人员的劳动强度。

2．监护中心

监护中心可以位于急救中心、社区医院、中心医院或其它医护人员集中的场所，其功能为接收远端监护设备传送的医学信息，为远地患者提供多种医疗服务。

3．通信系统

连接远端监护设备和监护中心的通信方式主要包括:

程控电话（PSTN）、交互电视、综合服务数字网（ISDN）、非对称数字用户线环路（ASDL）、光纤网（ATM）、微波通信、卫星通信、无线蜂窝通信（移动电话GSM）等。

远程监护的支撑技术包括:

传感器技术、医学遥测技术、电子技术、通信技术、计算机技术及信息学等多个方面。

1.2远程监护的研究背景和意义

1.2.1研究背景

电子技术、计算机技术、通信技术的飞速发展为我们的生活带来了便利，也为医疗体系的发展带来了新的机遇。

如何将信息技术应用于医疗，一直是世界各发达国家的重点发展目标，欧美许多国家正积极推动医疗信息基础建设（HealthCareInformationInfrastructure,HCII），我国也推出了金卫医疗网络工程等项目，目的在于集成信息科学、计算机技术和通信应用技术于医疗卫生领域的高科技产业，优化医疗保健服务，加速实施我国医院管理及医疗卫生事业现代化建设的进程。

1.2.2研究意义

科学研究和医疗保健的需求、信息技术的飞速发展，都推动着远程监护技术的进步，发展远程监护技术具有重要的意义:

①缩短医生和患者之间的距离，为患者提供及时救助，减少患者或医务人员的路途奔波。

对患者的重要生理参数实施远程监护，不仅可以辅助治疗，还能在患者病情突然恶化时报警。

②对自理能力较差的老年人和残疾人的日常生活状态实施远程监护，不仅能提高医护人员的护理水平和患者的生活质量，还可以评估监护对象的独立生活能力和健康状况。

③远程监护可以在患者熟悉的环境中进行，减少了患者的心理压力，提高了诊断的准确性。

④对健康状况进行监护，可以发现疾病的早期症状，从而达到保健和预防疾病的目的。

⑤先进的医学支持系统为通信和信息领域中的新技术提供了一个进行评测的平台，如虚拟环境、智能传感器和辅助医生的决策系统等。

1.3国内外相关研究

远程医疗的发展水平是不平衡的，美国和欧洲要领先其它国家很多。

他们起步早，国家投入大，远程医疗的支撑技术成熟。

国外的发展状况总体上是比较先进的，主要应用是远程会诊和治疗，其次是战时急救。

远程医疗中的一些子系统发展水平较高，比如医院的信息化系统（HIS）和电子病历（EPR）以及图片存档及通信系统（PACS）等技术非常成熟。

国内从事远程监护技术研究单位主要有:

清华大学生物医学工程系，第三军医大学附属大坪医院野战外科研究所第五研究室，台湾的长庚大学电机工程研究所、国立中正大学电机工程研究所等。

清华大学白净教授领导的研究小组对家庭护理与远程医疗，社区保健工程进行了研究，其研制的家庭贴心小护士系统为国内外首创，系统由家庭监护器和医院控制台构成，监护仪内设智能控制系统，可以实时遥测记录心电图和动态血压，可对心电图进行实时病类分析，发现异常心率时，自动经过电话线将心电图发送到医院监控台进行咨询。

医院监控台可同时接收、显示多个家庭用户的心电图、血压数据，并可立即将诊断意见返回家中使用者。

此外该研究组还对基于Internet的虚拟医疗数据采集器进行了研究。

2医疗监测原理与系统设计思想

2.1医疗监测原理

重要生命参数的远程监护是年老体弱者口常监护的一个重要内容，检测的生理信息主要包括:

体温、脉搏、血压、心率、心电图、呼吸、血气（氧分压和二氧化碳分压）、血氧饱和度、血糖等。

这类生理参数在远程监护系统中一般要求无创或微创检测。

本文以温度、脉搏、血压信号为采集对象，选择了简单方便的传感器和无创测量的方法。

本文选用一种快速测量脉搏的方法，采用光电转换的方法，在几秒中内测量每分钟的脉搏数。

脉搏传感器可以采用透过型和反射型两种，我们选择的是透过型红外传感器。

因为反射型的光电传感器对手指与传感器的相对位置和压力有较严格的要求，这对于老年人来说并不十分方便。

透过型脉搏传感器由小灯泡，光敏二极管、圆筒组成。

在一个圆筒上挖两个小孔（两个孔与与圆筒截面的圆心在一条直线上），一侧放小灯泡，另一侧放光敏二极管，当手指放入圆筒时，由于心脏压送血液的不同，手指上通过的血液流量也不同，血流量不同，其透光率也不同，光敏二级管对不同的透光率会有敏感的反映，通过的电流会随血液流量而变化，把电流的变化再转化为电压的变化，然后进行测量。

2.2无线通信技术

随着信息技术的不断发展和社会需求的口益增长，无线通信已经进入规模化发展的阶段，快速发展的无线通信已成为信息产业中最为耀眼的“亮点”，为各种潜在的工程技术提供了新的方法和手段，并成为推动社会发展的强劲动力。

无线通信以其不需辐设明线、使用便捷等特点，展示出广阔的市场前景。

无线通信技术正以较快的速度进入许多产品，它与有线相比主要具有成本低、携带方便和省去布线的烦恼等优点，特别适用于遥控、遥测、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能片、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器控制、信息家电、无线232、无线422/485数据通信等领域。

无线射频技术是在家庭区域内的任何地方，在电脑和电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。

目前已有一些公司可以提供一系列的数字信号单片射频收发器，这一类芯片的迅速发展为工程技术人员提供了多种选择。

2.3系统设计思想

本文借助于无线传感网络技术，提出一种应用于医院家庭的人体健康参数无线监测系统的设计思想。

无线传感网络技术是在家庭区域内的任何地方，在电脑和电子设备之间实现无线数字通信的一种构想。

其结构示意图如图2.1所示。

图2.1无线传感网络与远程监护示意图

本系统的设计和实现是采用了模块化设计的思想。

从功能模块上该系统可分为:

数据采集模块、无线收发模块和通用串行总线接口传输模块。

系统的硬件结构由两部分组成:

一部分是数据采集和无线数据发射电路;另一部分是无线数据接收和通用串行总线接口电路。

系统的总硬件结构如图2.2所示:

图2.2系统的总硬件结构

3无线监护传感器节点的设计

3.1无线传感器节点结构框图

无线传感器网络节点主要功能为采集人体生理指标数据，或者对某些医疗设备的状况或者治疗过程情况进行动态监测，并通过射频通信的方式，将数据传输至监护基站设备。

其节点主要包括5部分:

中央处理器模块（CPU）、无线数据通信模块、传感器、A/D转换及相关调理电路、电源模块。

节点框图和处理器单元如图3.1所示。

图3.1监护传感器节点结构

3.2无线监护传感器节点的硬件设计

3.2.1MSP430系列单片机及其外围电路

处理器模块硬件系统包括处理器模块（16位单片机MSP430F149、存储器及外围芯片）、A/D转换模块、串行端口、存储器模块。

下面将各个组成部分进行详细介绍。

（1）MSP430系列单片机

MSP430F1XX单片机采用16位RISC结构，其丰富的寻址方式、简洁的内核指令、较高的处理速度（8M晶体驱动，指令周期125ns）、大量的寄存器以及片内数据存储器使之具有强大的处理能力。

该系列单片机最显著的特点就是超低功耗，在1.8~3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1~400µA之间，RAM保持的节电模式为0.lµA，待机模式仅为0.7µA。

另外，工作环境温度范围为-40~+85℃，可以适应各种恶劣的环境。

综合考虑处理器的性价比在传感器节点设计中选用MSP430F133，内嵌8KB的Flash和256B的RAM。

实验系统中微控制器实现功能如下:

●操作无线收发芯片，为无线数传模块提供工作状态控制线和双向串行传输数据线;

●实现传感器的数据采集—加速度、温度、声音和感光强度探测;

●本地数据处理剔除冗余数据以减小网络传输的负载和实现无线传输数据的封装与验证;

●应答远控中心查询，完成数据的转发与存储;

●区域内节点的路由维护功能;

●节点电源管理，合理地设置待机状态以节省能量延长节点使用寿命。

（2）外围电路

复位电路（图3.2）采用二极管、电阻、电容构成低电平复位电路。

JATG及BSL接口电路（图3.3），通过符合IEEE1149.1的JTAG边界扫描技术，采用TMS,TCK,TDI,TDO分别模式选择、时钟、数据输入和数据输出线，可用于芯片测试仿真、在线编程，从而大大加快了工程进度。

Pin12,Pin14分别连接单片机的P2.2和P1.1脚构成BSL电路，可以烧断熔丝保护程序，提高系统安全性。

单片机采用低速晶振32768Hz和高速晶振8MHz。

图3.2复位电路图3.3JTAG及BSL接口电路

（3）实时时钟SD2003A

SD2003A是一种具有内置晶振、支持护C总线接口的高精度实时时钟芯片。

该系列芯片可保证时钟精度为±4ppm（在25±1℃下），即年误差小于2分钟;该系列芯片可满足对实时时钟芯片的各种需要及低廉的价格，比较适合本平台的使用。

图3.4实时时钟芯片SD2003硬件连接图

该芯片功耗低，小于1.0µA;工作电压1.7~5.5V之间;具有年、月、日、星期、时、分、秒的BCD码输入/输出;可以设定两路闹钟;内置电源检测电路、高精度晶振。

管脚说明见表3-1。

具体硬件连接图见图3.4，采用纽扣电池CR2032供电，SDA,SCL,INT1通过上拉电阻与单片机相连。

（4）硬件节点物理索引号（ID）电路

DS2401芯片是一个包含48位随机数的芯片，达拉斯公司承诺其生产的任何两片DS2401中包含的48位随机码都是不相同的。

在无线传感器网络中它即可以作为硬件节点的唯一标识号，还可以作为无线通信的MAC层地址。

表3-1SD2003引脚功能

管脚

名称

功能

特征

1

INT1

报警中断，输出脚，根据中断寄存器与状态寄存器来设置其工作的模式，当定时时间到达时输出低电平或时钟信号。

它可通过重写状态寄存器来禁止

N_沟道开路输出（与VDD端之间无保护二极管）

2，3

NC

没有与芯片内部连接

悬空或接地

4

GND

负电源（GND）

5

INT2

报警中断2输出脚，根据中断寄存器与状态寄存器来设置其工作的模式，当定时时间到达时输出低电平或时钟信号。

它可通过重写状杰寄存器来禁止

N一沟道开路输出（与VDD端之间无保护二极管）

5

SCL

串行时钟输入脚，由于在SCL上升l下降沿处理信号，要特别注意SCL信号的上升/下降升降时间，应严格遵守说明书。

CMOS输入（与VDD间无保护二极管）

SDA

串行数据输入/输出脚，此管脚通常用一电阻上拉至VDD，并与其它漏极开路或集电器开路输出的器件通过线与方式连接.

N沟道开路输出（与VDD间无保护二极管）CMOS输入

8

VDD

正电源

DS2401芯片除了地引脚，只有一根功能引脚，芯片的供电、输入和输出都是同各这个引脚完成的（图3.5）。

具体的一线通信协议及实现见底层代码设计章节。

图3.5DS2401电路图

3.2.2脉搏测量电路的设计

透过型的脉搏传感器，它的结构很简洁，由红外发光二极管、光敏二极管和圆筒组成，如图3.6所示。

这里要说明的是，应选用对血流敏感的红外发光二极管做光源，相应的光敏二极管也应选用中心频率与之配对的红外光敏二极管，且要选择暗电流小的管子，这样可以减少噪声干扰。

在一个圆筒壁上挖两个小孔（两个孔与圆筒截面的圆心在一条直线上），一侧放红外发光二极管，另一侧放光敏二极管，当手指放入圆筒时，由于心脏压送血液的不同手指上通过的血流量也不同，其透光率也不同。

光敏二极管对不同的透光率会有敏感的反映，

图3.6脉搏传感器示意图

通过的电流会随血流量而变化，把电流的变化再转换成电压的变化，然后进行测量。

这个电信号经过前置电路的处理就可以进行计数测量了。

前置电路具体是由光电转换器、低通滤波器、同相放大器、施密特触发器和单稳态触发器等几部分组成，如图3.7所示。

见附录。

光电管可选用任何型号的硅光敏二极管，但暗电流要小一些。

光电转换器实际上是一个电流/电压转换器，它把光电二极管VD1的电流变化转换成电压的变化。

当有红外光穿过时，VD1导通，IC1A就有变化的输出送至IC14B;当手指遮住光线没有红外光穿过时，VD1截至，IC1A没有输出。

IC14B组成低通滤波器电路，它只允许1SHz以下的信号通过，用以滤除干扰信号。

IC14B的输出信号经电容C10藕合至IC14A组成的交流同相放大器，其电压增益为AF=1+47/1=48。

IC14B为一个施密特触发器，它是一个接正反馈的运放电路，Rah为反馈电阻。

只要输入信号有一点变化，在其输出端即可获得较大的电压摆动。

IC13、IC13A构成单稳态发生器，以保证单一脉冲的输出，脉冲宽度大约在80ms计左右，将此脉冲信号送入单片机的P3.4口作为计数信号，每检测到一个脉冲数器加一，从而得到脉搏数。

3.2.3通用模拟信号处理接口

（1）通用模拟信号处理接口

在实际电路应用中，模拟信号采集是一个重要环节。

通用模拟信号处理接口能够处理一些标准电压和电流信号（0~5V,1~10V,0~10mA,4~20mA），同时能够将微信号及差分信号做出精确的转换。

该设计采用了MSP430F149中的1路12位A/D转换、Mrcrochip公司的可编程增益放大器（ProgrammableGainAmplifierAGP）MCP6S28及简单的滤波保护电路来采集8路模拟信号，电路图见图3.8。

图中精密电阻用来分压和将电流信号转换成电压信号，其电阻值可以根据需要做出修改，只要保证CH0~CH7的电压不超过2.5V（MSP430单片机采用的参考电压为2.5V）即可，稳压二极BZX84BSV6LT1用来保护意外干扰信号超过芯片MCP6S28引脚极限电压造成芯片损坏。

电容和电阻组成简单的阻容式低通滤波器。

MCP6S28将放大器、MUX和利用SPI总线选择的增益控制器整合在一起，从而可以有效地提升系统的数码仿真控制效能。

通过有效的控制增益和选择输入信道来得到更大的设计灵活性，同时PGA不需要反馈和输入电阻，可以大幅度减低成本并节省空间。

图3.812位精度A/D转换通用模拟信号采集电路

为了使系统能够测量差分信号、精度更高，这里采用16位自校准0-E模/数转换器ADS1100，该芯片带有差分输入和高达16位的分辨率，封装为小型SOT23-6。

转换按比例进行，以电源作为基准电压，ADS1100使用可兼容的I2C串行接口。

ADS1100可每秒采样8,16,32或128次以进行转换。

片内可编程的增益放大器（PGA）提供1,2,4或8倍的增益，允许对更小的