新型zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計1

1、新型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計摘 要傳統(tǒng)的有線心電監(jiān)測系統(tǒng)導(dǎo)線連接復(fù)雜、不可移動和擴(kuò)展性差的缺點。為了克服這些問題，提出了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)測系統(tǒng)。為實現(xiàn)這個目標(biāo)，首先完成了心電信號的采集和處理電路的設(shè)計。 詳細(xì)介紹了具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的終端節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點的設(shè)計。給出了整個無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，并完成了監(jiān)測軟件的設(shè)計和實現(xiàn)。 結(jié)果表明，系統(tǒng)有較好的靈活性和擴(kuò)展性，為心電監(jiān)測提供了一個方便、有效的無線解決方案。關(guān)鍵詞：心電、A/D轉(zhuǎn)換、無線網(wǎng)絡(luò)0、前言心電信號中包含著人體最基本、最重要的生理參數(shù),對這些生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)護(hù)與檢測對患者的健康以及心血管疾病的預(yù)防和治療有著極其重要的意

2、義。近年來,心臟病的發(fā)病率和致死率呈現(xiàn)出上升勢頭,心血管疾病己成為世界上最為普遍的也最危害健康的疾病。由于這類病癥都具有偶然性和突發(fā)性的特點,因此要防治心臟病就必須對患者進(jìn)行長時間的跟蹤治療。同時,心臟病的發(fā)病特點使得心臟病的治療時機(jī)顯得尤為重要,如急性心肌梗塞最佳治療時間為發(fā)病后的一小時之內(nèi),但研究結(jié)果表明:只有不到1/5的病人在心肌梗塞發(fā)作后一小時內(nèi)被送往醫(yī)院接受治療。針對這種情況,需要尋求一種有效的解決方法,使得醫(yī)生在患者病發(fā)后能夠及時獲得有效的心電數(shù)據(jù),從而減少患者從病發(fā)到接受治療的延誤時間。因此,心電監(jiān)護(hù)便成為了一種很可行的有效解決辦法?，F(xiàn)今,人們對自身健康問題的關(guān)注程度越來越高。而

3、隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展,遠(yuǎn)程醫(yī)療和健康監(jiān)護(hù)得到了更為廣闊的發(fā)展空間。健康監(jiān)護(hù)中最常使用的就是心電監(jiān)護(hù)。心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計,己成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展的一個必然趨勢。建立功能強(qiáng)大的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng),可以達(dá)到對患者進(jìn)行實時心電監(jiān)護(hù)的目的,同時能夠?qū)颊叩男碾姅?shù)據(jù)進(jìn)行自動分析與診斷。醫(yī)生可通過監(jiān)護(hù)系統(tǒng)實時查看患者的心電圖,如若發(fā)生心電異常,系統(tǒng)將及時發(fā)送報警信息,以減少患者病發(fā)的危險;同時能夠?qū)l(fā)病時的心電波形通過傳輸線路輸送到醫(yī)生那里,以便于醫(yī)生進(jìn)行診斷分析,并制定有效的治療方案。（1）心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)心血管疾病嚴(yán)重威脅著人類的健康， 甚至生命。心電監(jiān)護(hù)類系統(tǒng)由于可以輔助醫(yī)師進(jìn)行有關(guān)病癥

4、的監(jiān)護(hù)和診斷， 已成為臨床心血管疾病診療的常用儀器。 目前，醫(yī)院內(nèi)常用的心電監(jiān)護(hù)儀有三種：其一是實施臨床監(jiān)護(hù)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)；其二是系統(tǒng)，需要患者 24小時佩戴，記錄動態(tài)心電數(shù)據(jù)，不能進(jìn)行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸；另外一種是可以完成實時動態(tài)監(jiān)測的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。（2）遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)心血管疾病具有突心血管疾病具有突發(fā)性的特點，很多病人在發(fā)病前期沒有明顯預(yù)兆，發(fā)病突然，往往不處于醫(yī)院的環(huán)境中。 疾病突然發(fā)作時，必須得到及時救治。 否則，會危及病人的生命。所以，能否在第一時間及時救治患者，至關(guān)重要。 因此，遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計研究已成為熱點，目前，大多數(shù)遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要通過通信運營商的無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)

5、動態(tài)監(jiān)護(hù)。在各類遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，基于的心電監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)由于其具有成本低、功耗低、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點，越來越受到人們的關(guān)注。1、 介紹技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)。它是為低速率控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通訊。這些傳感器只需要很少的能量,就能以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點,從而實現(xiàn)在全球24GHz免費頻帶范圍內(nèi)的高效!低速率的通訊功能。而設(shè)備則具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示的功能,并采用了碰撞避免機(jī)制,以避免發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突。在網(wǎng)絡(luò)安全方面,設(shè)備采用了密鑰長度為128位的加密算法,

6、對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理,從而保證了數(shù)據(jù)傳輸時的高可靠性和安全性。到目前為止,技術(shù)在國外己經(jīng)在家庭網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)移動終端等領(lǐng)域有了一定的應(yīng)用,但是現(xiàn)在由技術(shù)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)都僅限于無線個域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),每個接入點所能接納的傳感器的節(jié)點數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于協(xié)議所規(guī)定的節(jié)點數(shù),為了達(dá)到傳感器網(wǎng)絡(luò)密集覆蓋的目的,就必須進(jìn)行復(fù)雜的組網(wǎng),這不但增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性,而且還增加了網(wǎng)絡(luò)整體的功耗和成本,傳感器節(jié)點的壽命也將降低。采用技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將極大改變這種現(xiàn)狀。由技術(shù)構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有功耗低、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、性價比高、擴(kuò)展簡便、安全可靠等顯著特點。它是由一組節(jié)點以AdHoc方式構(gòu)成的無線

7、網(wǎng)絡(luò),主要采取協(xié)作方式,有效地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)感知對象的信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分或全部節(jié)點都是可以移動的,傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會隨著節(jié)點的移動而不斷發(fā)生變化。每個傳感器節(jié)點都具有動態(tài)搜索、定位跟蹤和恢復(fù)連接的能力。因此,這種新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必將有著廣泛的應(yīng)用前景。圖1給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖。 圖1. Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 為了實現(xiàn)對心電信號的無遙測和多人監(jiān)測，本文提出了基于無線網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)選擇符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的無線模塊組成無線網(wǎng)絡(luò)。 本系統(tǒng)是跟據(jù)MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而設(shè)計的。MESH網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)狞c對點網(wǎng)

8、絡(luò)結(jié)構(gòu),具有自動建立和維護(hù)的功能,無需人工干預(yù)。MESH網(wǎng)絡(luò)中要求協(xié)調(diào)器和路由器必須是FFD,而終端設(shè)備可以是FFD和RFD。因此在系統(tǒng)設(shè)計中,為每個病人配備一個終端設(shè)備(RFD),在每個病房中設(shè)立一個路由器(FFD),而在醫(yī)院監(jiān)護(hù)室設(shè)立一個主站(FFD)。這樣病人的心電數(shù)據(jù)就可以從終端設(shè)備經(jīng)過路由器而轉(zhuǎn)發(fā)到主站上,從而實現(xiàn)醫(yī)生對病人的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。無線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是由Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器CC2430和高性能微控制器構(gòu)成。該系統(tǒng)利用微控制器實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的定時收發(fā),從而達(dá)到實時監(jiān)護(hù)目的。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的

9、建立、維護(hù)以及與監(jiān)測主機(jī)通信，終端節(jié)點負(fù)責(zé)控制心電信號的采集和轉(zhuǎn)換；在監(jiān)控主機(jī)上運行心電監(jiān)測的應(yīng)用程序完成對心電信號的處理并顯示心電波形和心率等監(jiān)測功能。 圖2 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖3系統(tǒng)設(shè)計3.1系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計主站是整個心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的中樞,其主要功能是實現(xiàn)各個終端設(shè)備心電信號的集中監(jiān)護(hù)、實時分析、存儲、回放、打印以及對各終端參數(shù)、狀態(tài)的控制?？紤]到主站的強(qiáng)功能性和可靠通訊原則,選用三星公司推出的基于ARM920T內(nèi)核的S3C2410A處理器和CC243O來構(gòu)成硬件系統(tǒng)。53C2410A是高性能的犯位微控制器,具有完整的通用外圍設(shè)備接口,使得整個系統(tǒng)的功耗達(dá)到最低。主站以53C2410A

10、為核心,外擴(kuò)32MBNandFlash和16MB的SDRAM等存儲芯片,利用FO接口擴(kuò)展了鍵盤、指示燈、彩色液晶屏等設(shè)備;提供USB2.0高速接口與計算機(jī)進(jìn)行通訊;連接CC2430模塊實現(xiàn)與路由器的無線通訊,如圖3所示。將uC/os一II實時操作系統(tǒng)移植到53C2410A中,以滿足監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實時性要求,提高軟件開發(fā)的效率和可靠性,如圖4所示。把cc2420改成cc2430圖3 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主站硬件結(jié)構(gòu) 圖4 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主站軟件結(jié)構(gòu)3.2定位算法在本文的研究中，通過引入最小二乘測距定位算法，可以對所能接收到信息的信標(biāo)節(jié)點數(shù)大于等于3的普通節(jié)點進(jìn)行位置估計，并進(jìn)行定位，當(dāng)定位成功后將其視為信標(biāo)節(jié)點。具體

11、實現(xiàn)方法如下：假定心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中某二維區(qū)域內(nèi)放置 個傳感器節(jié)點,其中的信標(biāo)節(jié)點位置表示為，普通節(jié)點位置表示為，普通節(jié)點到各信標(biāo)節(jié)點的測量距離表示為由此可以建立一個線性方程組（1）其中，（2）（3）線性方程組建立后，代入（4）式，即可對普通節(jié)點進(jìn)行位置估計。（4）路由器作為整個系統(tǒng)的中間節(jié)點,主要負(fù)責(zé)心電數(shù)據(jù)從終端到主站的中轉(zhuǎn)工作。為此路由器硬件平臺采用高性價比微控制器PIC18LF8722和無線模塊CC2430來構(gòu)成。從軟件角度看,整個監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)采用了最小二乘測距定位算法,使得各個節(jié)點只保持需要的路由,而不需要節(jié)點則維持通信過程中未達(dá)到目的節(jié)點的路由,從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各移動節(jié)點間動態(tài)地、自啟動地建

12、立逐跳路由,圖5給出了該路由算法流程圖5 路由算法流程圖3.3無線節(jié)點電路設(shè)計無線節(jié)點包括協(xié)調(diào)器節(jié)點!移動節(jié)點和數(shù)據(jù)接收節(jié)點。 圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點框圖如圖6所示，協(xié)調(diào)器節(jié)點主要由CC2430芯片構(gòu)成，完成數(shù)據(jù)接收節(jié)點和移動節(jié)點的地址分配，通過該地址實現(xiàn)節(jié)點與節(jié)點之間的互相通信。 圖7 數(shù)據(jù)接收節(jié)點框圖如圖7，數(shù)據(jù)接收節(jié)點主要由CC2430芯片構(gòu)成，完成無線數(shù)據(jù)包的接收。圖8 移動節(jié)點框圖如圖8，由于本系統(tǒng)需要提供定位病人的功能，因此移動節(jié)點選擇了CC2431這款帶硬件定位引擎的芯片。3.4終端設(shè)備終端設(shè)備是直接作用于人體的設(shè)備,需要具備低功耗、輻射小、抗干擾性強(qiáng)等特點。TI公司推出的低功耗處理器

13、MsP430在實時時鐘模式下工作電流僅有8協(xié)A、工作狀態(tài)時為250林解MIPS,符合心電采集系統(tǒng)低功耗的要求,因此選用MSP430和CC2420為元件核心構(gòu)建終端設(shè)備硬件平臺8yJ。此外終端設(shè)備還通過傳感器探頭與病人相連,將心電信號進(jìn)行放大、濾波、以及燈D轉(zhuǎn)換等處理后定時發(fā)送給路由器,并由路由器轉(zhuǎn)發(fā)到主站上;在心電信號非發(fā)送狀態(tài),CC2430處于低功耗模式,這樣使得終端設(shè)備的功耗和對人體的干擾降到最低,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖9所示。把cc2320改成cc2430 圖9 終端設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)4、實驗結(jié)果基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)嚴(yán)格遵循低功耗、高抗干擾性、高可靠性原則,將系統(tǒng)功耗和對人體電磁輻射干擾

14、降到最低限,以保證在良好的工作環(huán)境下進(jìn)行實時通訊和數(shù)據(jù)采集。因此本實驗在3個病房范圍內(nèi)構(gòu)建了心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng):為每個病房設(shè)置了3個移動終端和l個路由器,并在監(jiān)護(hù)室設(shè)置了主站設(shè)備。根據(jù)所設(shè)計的系統(tǒng)平臺,采用8位刀D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(采樣頻率為100Hz),并從終端設(shè)備和主站設(shè)備分別提取了心電信號波形,如圖7和圖8所示。通過對比圖7和圖8可以看出,經(jīng)過監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)的心電信號波形基本上沒有多大變化,只是在局部位置上產(chǎn)生了微小抖動,這主要是由系統(tǒng)通訊中的延時信號所造成的。圖10 終端設(shè)備采集的波形圖11 主站設(shè)備采集的心電波形通過對該系統(tǒng)原型機(jī)的測試,可以得出:系統(tǒng)具有超強(qiáng)的抗干擾性能，傳輸距離可達(dá)到75m

15、;傳輸速率可達(dá)到250KB/S;完全達(dá)到預(yù)期設(shè)計的目標(biāo),具有較好的市場前景。5、結(jié)論基于技術(shù)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)突破傳統(tǒng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計模式,采用移動式監(jiān)護(hù)策略,由高性價比微處理器和低功耗、高數(shù)據(jù)糾錯能力的射頻模塊CC2430一起構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的各級節(jié)點設(shè)備;利用最小二乘法定位實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)心電數(shù)據(jù)的傳輸操作;并對系統(tǒng)原型機(jī)進(jìn)行了臨床測試。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)具備高可靠性和強(qiáng)抗干擾性。目前此系統(tǒng)已處于臨床實驗階段,運行狀況良好。實踐證明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用中是可行的。參考文獻(xiàn)1 王珊珊, 殷建平, 蔡志平, 等. 基于RSSI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自身定位算法 J. 計算機(jī)研究與發(fā)展，2008,45 （1）：385-3882 孫鳳池，宋萌，劉光。一種無線傳感器信號衰減自適應(yīng)測距模型 J.智能系統(tǒng)學(xué)報，2012，第3期；213-2153 田福英。便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中心電信號的實時分析方法設(shè)計 J.中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)，2012，第2期；3143-3145.4 王國，袁恒新，伊永菊，鄧永錦。危重監(jiān)護(hù)與輸液控制診療體化系統(tǒng)-基于CAN總線的監(jiān)護(hù)輸液基站J.中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)，2014，第一期；4681-4686.5 田福英，沈鐵明，劉博宇?；谒{(lán)牙傳輸?shù)氖謾C(jī)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)