基于ZigBee技术的无线医疗监护系统研究

第5卷 第4期 中 国 水 运 Vol.5 No.4 2007年 4月 China Water Transport April 2007

收稿日期：2007-3-27

作者简介：罗惠谦 男（1955-） 武汉理工大学 自动化学院 副教授 硕士生导师 （430074） 研究方向：微机控制技术、汽车电子、电力电子技术

基于ZigBee 技术的无线医疗监护系统研究

罗惠谦 任 毅 石道生

摘 要：本文介绍了由ZigBee 传感器，无线局域网（WLAN）构成的一种无线传感器网络在医疗监护中的应用。在本系统中，节点和基站设备所使用的近距离通信标准为802.15.4/ZigBee 标准，同时本系统中的基站设备可以采用多种接入方式进行远距离数据传输，包括直接通过Internet 连接其他医院的系统、用GPRS/UMTS 网关实现GPRS/UMTS 与WLAN 之间的通信。该系统可以应用于家庭以及医院病房，构成远程的家庭、社区以及医院的医疗监护系统。

关键词：802.15.4/ZigBee WLAN 远程医疗监护 无线传感器网络

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2007）04-0148-02

一、简介（Introduction）

本文对无线传感网络在病人监护方面的应用进行了全面的剖析，以求促进无线技术在医院中普及，给患者和医护人员带来便利。

近年来，随着生物医学传感器的小型化、信息处理和无线数据传输技术的快速发展和普及，使得无线医疗监护系统的研制成为热点。本文设计出一种新的网络式监护装置及系统，目的是利用高频率的无线多通道数据传输方式，传递医疗传感器与监护控制仪器之间的信息，减少监护设备与医疗传感器之间的连线，使得被监护人能够拥有较多的自由活动空间，在获得较准确的测量指标的同时，免除病人在家庭与医院之间奔波的劳苦。

本文其它部分内容如下，第二部分介绍系统的体系结构；第三部分介绍系统中所使用的监护传感器节点的设计方法；第四部分为实验验证；最后对无线医疗监护技术发展前景及其存在的课题作了展望。

二、系统结构（System Architecture）

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。

图1

中描述了该远程医疗监护系统的体系结构图

医院服务器

路由器

I n t e r n e

t

医疗设备

WLAN

GPRS

UMTS

ZigBee Sensor

图1 监护系统结构示意图

三、监护传感器节点（Health Care Sensor Nodes） 医疗无线传感器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。图2 （A） 医疗传感器节点框图

医疗传感器节点主要包括4部分：生理信息与数据采集单元、无线数据通信单元、处理器单元、电源。处理单元主要分为五个部分：CPU、存储器、AD 转换、测试带和数码显示屏。根据低功耗和处理能力的需要，采用了TI 公司的MSP430系列单片机；存储器部分主要用于存储传感器所采集的临时数据，在处理器将数据传输之后，传感器节点内不做数据的大量存储；用ADC12和DAC12对测试带传过的模拟信号进行转换。

工作原理：首先由控制单元发出开始监测某项生理参数的指令，然后通过无线数据通信单元把指令发给生理信息与数据采集单元对人体生理信号（体温、血压、脉搏、血糖、

第4期 罗惠谦等：基于ZigBee技术的无线医疗监护系统研究 149

参数参数范围信号频率范围，HZ Bit rate 12bits A/D

无创血压10-400mmHg60 1.44kb/s

有创血压10-400mmHg50 1.2kb/s

心电图0.5-4mV250/电极18kb/s 三电极

血氧80-99%30 1.44kb/s

体温32-41℃0,10.0024kb/s

血氧等）进行采集后通过无线数据通信单元将数据传给控制

和显示单元中的信息处理模块控制和显示单元，一方面对接

收到的数据进行处理和显示，另一方面将结果数据存人数据

库供检索和回放。

节点的核心是无线数据通信单元和生理信息与数据采集

单元。以下简要介绍这两个单元：

1．无线数据通信单元

在医院应用的医疗监护设备对电磁辐射的要求都很高，

对于设备来讲，辐射的电磁波既不能够干扰其他设备正常工

作，同时也应具有一定的抗干扰能力，不受其他设备辐射出

的电磁波干扰。因此，在医院或者使用无限通信的家庭医疗

设备在设计中必须对此方面进行考虑。

在本系统中，所使用的通信标准为802.15.4/ZigBee

标准。它是一种低复杂度、低功耗、低成本的无线通信技术，

可以在10m～75m的范围内，以20kb/s～250kb/s的传

输数率来传输医疗数据。传感器的通信效率非常高。可以用

一般的干电池作为电源，在一般情况下可以支持6～24个月，

大大减少了因频繁更换电池的麻烦。

在本文设计的系统中，无线通信网络节点集成了南京金

霸科技发展有限公司所生产的ZIGSEN05002无线通信模

块。图3显示了该节点的硬件电路照片。

图3 ZigBee无线通信节点

2．生理信息与数据采集单元

在本文所设计的系统中，医疗传感器模块主要实现了以

下几种功能，包括体温、血压、血氧和血糖的测量等。其中，

体温测量集成了北京迈创公司所生产的YSI体温探头，血压

测量集成了迈创公司的KNM无创血压测量模块，血氧测量

集成了迈创公司的SWS01血氧测量模块。

在本系统的设计中，无线节点为传感器扩展留出了丰富

的接口，如果需要其它类型的生理指标数据，如体温、心电

等数据，则只需要将相应的传感器接入预留的接口，就可以

形成新的无线传感器节点，开发相应的嵌入式控制及处理软

件，就可以将节点直接加入到该无线传感器网络中。

五、实验验证（ExperimentalValidation）

本系统在综合测试过程中取得了初步的结果，传感器节

点上的生命指标传感器采集到的数据，通过ZigBee无线通

信方式将数据发送至监护基站设备，并显示在基站设备的

LCD上。每个病人总的数据传输量在22kb/s～76kb/s之

间（依据心电图电极的数量而变化），见表1。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。表1为常用测量信号的频率范围和数据量。

表1 常用测量信号的频率范围和数据量

六、总结和展望（Conclusions And Future Work）

本文设计出一种新的网络式监护装置及系统，目的是利

用高频率的无线多通道数据传输方式，传递医疗传感器与监

护控制仪器之间的信息，减少监护设备与医疗传感器之间的

连线，使得被监护人能够拥有较多的自由活动空间，在获得

较准确的测量指标的同时，免除病人在家庭与医院之间奔波

的劳苦。同时，在医院病房内建立无线监测网络，很多项测

试可以在病床上完成，能够极大地方便病人就诊，并加强医

院的现代化信息管理和工作效率。另外，本系统还具有高度

的灵活性和扩展性，通过Internet可以使远离医院等医护机

构的病员也随时能够得到必要的医疗监护，并且在必要的时

候得到远程医生的咨询指导。

当无线远程医疗系统发展成为一个成熟的医疗产品时，

传统的医疗模式将被打破，一种全新的基于互联网的医疗监

护体系将会形成——它以医院为核心，面向社区、家庭与个

人， 通过互联网联系组成一个有机整体， 保证人们无论在

医院内、院外甚至偏远地区均能得到及时、有效、专业的医

疗诊断和治疗， 从而大大提高医疗水平， 使人们的生活质

量越来越好。

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