应用于人体监测的短距无线通信技术

耿斌等

摘 要 介绍人体生理参数监测技术的发展及当前应用于人体监测的几种主要的短距无线通信技术，包括蓝牙、ZigBee、无线局域网和非标准协议短距无线通信等技术，分析了采用各种短距无线通信技术的人体监测系统的国内外研究现状，总结它们的特点。短距离无线人体监测系统可以广泛应用于需要实施长时间连续监测的各个领域。

关键词 短距无线通信 生理监测 蓝牙

引 言

人体生理参数监测系统是一种可以长时间、连续、实时采集人体生理参数，具有显示、处理、保存等基本功能，可以实现多种应用的仪器组合，是传感器技术、计算机技术、通信技术、生理信号检测等技术的结合。随着现代医学的不断发展，医疗模式正在转变，由传统的以医院为中心的集总系统向以个人为中心的分布系统转变，由得病后的诊疗为主向得病前的预防为主转变[1]。生理参数监测系统的应用领域已经不仅局限于对危重患者的监护，在传统的医疗领域以外，如家庭和个人保健、运动、心理等方面都得到广泛的应用。

传统的监测系统，传感器与数据处理装置之间通过有线方式传输数据，大量的连线影响使用者的正常活动，易使其产生不适感，由于使用者的紧张、不自然，获得的生理参数的准确性也受到一定影响，这些因素限制了生理参数监测在更多领域的应用。随着电子技术的高速发展，尤其是近年来，短距离无线通信技术发展很快，有些技术已经比较成熟并得到广泛的应用，通过将这些短距离无线通信技术应用于人体生理参数监测，结合其它先进的电子技术可以实现对人体影响小的无线监测系统[2]，在不影响被监护人正常活动的情况下，可以进行长期连续的监测，从而促进生理监测技术的发展应用。

1 短距无线人体监测系统构成

典型的人体无线监测系统由佩戴于人体的生理信号检测设备和数据接收基站组成，根据需要还可能包括中继站，基本结构如图1所示。检测设备采集数据并无线发送至数据接收基站，基站可以是随身携带的便携设备或安放在附近区域的固定设备，具有无线数据接收及显示、处理、保存等基本功能，还可以实现自动报警、远程传输等功能。检测设备与数据接收基站的数据传输采用短距离无线通信技术，相对其它无线通信技术而言，短距离无线通信技术发射功率普遍都很低，一般低于100mW；实际传输距离较短，从几米到几十米。目前应用于人体生理参数监测比较成熟的短距离无线通信技术包括蓝牙技术、ZigBee技术[3]、无线局域网技术和非标准协议无线通信技术。

2 短距无线通信技术简介

2.1 蓝牙技术（IEEE 802.15）

蓝牙技术是使用2.4GHz的ISM公用频道的一种短距离通信技术，用户无需申请即可使用，主要应用于近距离的语言和数据传输业务。频道采用23个或79个，频道间隔均为1MHz，速率为1600 跳/秒的跳频工作方式，使得蓝牙系统具有很高的抗干扰能力。根据发射功率的不同蓝牙设备之间的有效通讯距离大约为10-100m。蓝牙设备组网灵活，提供点对点和点对多点的无线连接，基于TDMA 原理组网。蓝牙技术具有较高的安全性，除采用跳频扩展技术和低发射功率等常规安全技术外，还采用三级安全模式进行管理控制。

东芝公司的Lifeminder系统由腕表型可穿戴式传感器模块和掌上电脑组成，可穿戴式检测设备配备加速度传感器、脉搏波传感器、温度传感器、皮肤电反应电极和蓝牙通信模块，通过蓝牙技术与掌上电脑通信[4]。该系统根据手腕的运动、脉率及皮肤电反应值分别判断使用者的运动情况和使用者是否开始吃饭，大约能达到90%的准确率。借助掌上电脑的便携特性，该系统可以监测使用者的日常行为活动、健康状况和运动情况，进而提醒和指导使用者每天进行健康的饮食和适当的锻炼，这对于保持健康的生活方式，达到预防疾病的目的非常重要。

蓝牙技术具有组网灵活、安全性高、使用广泛的优点。很多便携设备集成蓝牙通信功能，例如手机、掌上电脑、计算机等，这使得蓝牙设备可以很方便的组网，将这些便携设备作为数据接收基站的硬件，只需进行软件开发，缩短开发周期的同时还可以提供多样化的硬件选择。采用智能手机作为数据接收基站，可以在不增加使用者负荷的情况下实现个人的移动监测[5]，通过手机的远程通信功能，还可以进一步实现远程移动监测[6]。目前应用最多的蓝牙规范是Bluetooth 2.0+EDR标准，采用4dB（class 2）功率等级，相对于其他技术而言其通信距离更短，更加适合近距离的应用。随着蓝牙4.0技术规范的使用，在低功耗和传输距离方面优势更为明显，为蓝牙技术在人体监测等领域的应用提供更多机会[7]。

2.2 ZigBee技术（IEEE 802.15.4）

ZigBee技术建立在针对低数据速率、低功耗网络的IEEE802.15.4标准之上，IEEE 802.15.4处理物理层（PHY）和介质访问控制层（MAC）协议，ZigBee联盟对网络层（NWK）协议和应用层（APL）进行标准化。数据传输技术为DSSS，数据传输率比较低，在欧洲是270kbps，美国是290 kbps，覆盖范围为10-75 m。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。ZigBee 采用多种网络拓扑结构，协议栈简捷紧凑，主要适合于承载数据流量较小的业务，可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。

国内的赵泽等[8]提出一种基于无线传感器网络的远程医疗监护系统结构设计，通过ZigBee技术构成一个无线传感监护网络，传感器节点上使用中央控制器对所需要测量的生理指标传感器进行控制采集数据，通过无线通信方式将数据发送至ZigBee监护基站设备，并由该基站把数据传输到PC或者其他网络设备上，通过Internet网络可以将数据传输到远程医疗监护中心，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和医疗指导，实现远程医疗。类似的系统也可应用于医院内部，实现对病患、监护设备及设施的医疗和健康监控，借助于各种传感器和ZigBee网络，准确而且实时地监测病人的血压、体温和心率等基本生理信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生作出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。

ZigBee低功耗、低成本的特点非常适合于远程医疗监护系统，在这样的系统中，一个 ZigBee基站便可以覆盖整个室内，即使在户外的活动，也只要在高处设置一个中转节点，即可实现直径几百米的覆盖范围，对于医院的室外活动场地也足够，不必安装过多的节点，也不必额外的提高 ZigBee的收发功率，病人只要随身携带集成ZigBee技术和测量生理指标的功能模块便可以在家中自由活动的状态下得到医疗监护。网络的自组织、自愈能力强，增加或者删除一个节点、节点位置发生变动、节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作，这使得该技术适用于需要动态组网的场合。由于没有成为消费电子设备的标准配置，使用者不能直接使用智能手机等设备接收数据，降低了ZigBee技术在面向个人的应用中的吸引力。

2.3 无线局域网技术（IEEE 802.11）

无线局域网WLAN（wireless lan）利用无线技术在空中传输数据、话音和视频信号，一般用于家庭或大楼以及园区内部，典型覆盖距离几十米至几百米，目前采用的技术主要是IEEE802.11a/b/g系列。IEEE802.11协议主要规定OSI模型中最低两层：物理层和介质访问控制层的一些特征，这些标准可以在ISM频段上使用，频道包括902-928MHz（可利用频宽26MHz），2.4-2.4835 GHz（可利用频宽83.5 MHz），以及5.725-5.850GHz（可利用频宽125MHz）。

Motorola公司提供了基于WLAN的医院信息综合解决系统，医生利用手持设备PDA，或者是平板电脑就可以在医院内随便移动，并通过网络实时更新病人情况。在查房过程中，通过手持PDA随时随地将患者信息输入计算机，也可以随时查询患者的既往病史、过敏史等关键性资料，并可以通过计算机核对处方药品及处置方式是否正确等。对于突发性情况，比如接到具有特殊情况的病人，医护人员可以即时通过移动终端查询相关的医疗信息，及时做出正确的决定。为病患提供的便携无线终端，使其可以随时随地发出求助信号。该系统的应用可以实现整个医院内各种人员和部门之间的信息无缝交流，从而提高整个医院的运行效率。

作为传统布线网络的一种替代方案或延伸，WLAN系统支持复杂的网络应用，可以传输的数据量大、种类多。在社区、养老院、医院等区域搭建无线局域网，不仅可以建立无线监护系统，还可以实现多层次的信息管理、无线呼叫及语音系统，以及提供一般的宽带互联网接入服务等。在医院，医护人员和病患者之间需要频繁地在院内移动检查、同时处理的信息量大以及患者对就诊时间的敏感性，都要求网络传输速率高、支持多种应用。同时，由于此类应用并不特别强调舒适性，可以容忍相对大的设备体积和相对高的功耗，因此WLAN很适合在医院等机构内使用。而在面向个人的穿戴式生理监测设备上，过高的功耗则限制了无线局域网技术的应用。

2.4 非标准协议短距无线通信技术

非标准协议无线通信技术是最早应用于人体生理参数监测的无线通信技术，需要设计者自己制定底层的通讯协议。典型的无线收发芯片，在片内同时集成频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，有的可以通过程序配置输出功率和通信频率。发射功率通常最大为10mW，传输距离受环境影响，一般可以达到几十米。有些芯片还有多种低功率工作模式，这给开发人员提供更灵活的节能设计空间。此类芯片大多工作在无需申请的ISM频段，例如nRF401、nRF905系列芯片、CC1000、CC1020系列芯片等。

国内有很多研究工作是针对此类无线收发模块在生理监测领域的应用展开的。例如，王景灿等人设计一种基于射频技术的穿戴式医疗仪器，采用nRF905射频芯片实现生理信号的无线传输，在数据传输前进行AES加密处理，实验结果表明能够实现对心电和脉搏波等生理信号实时、安全、准确的无线传输[9]。王陈海等人使用nRF24L01芯片设计个人健康无线监护系统，由佩戴于人体的多个传感器节点与便携的监护基站组成，可以采集人体的心电、血压、血氧饱和度、脉搏、心率等基本生理参数[10]。在该应用模式下，与其他标准协议构建的系统相比，基于非标准协议所构建的个人健康监护系统具有效率高、功耗低、通信性能好的特点。

非标准协议无线收发芯片的种类较多，很多芯片有其独特的性能，可以根据实际应用的特点选择最合适的技术，在没有复杂网络通信需求的情况下，采用非标准协议短距无线通信技术往往可以缩短开发周期、提高通信效率，获得更低的功耗和更高的实时性。由于这类芯片对硬件的控制比较方便，工作过程不需要人工干预，可以嵌入到已有的成熟设备中扩展短距无线通信功能。在与其他设备互联方面，通过在数据接收端采用集成USB功能的微控制器，可以很容易实现与计算机的连接，进一步可以扩展远程监测功能。由于不具有对复杂网络结构的支持，非标准协议无线通信技术更适合点对点通信的简单应用。

3 总结

随着科技的发展与人们医学观念的进步，人体监测技术的应用由传统的医疗领域，向家庭和个人保健、运动、心理等更多领域扩展，相应的穿戴式医疗电子一直以来都是研究热点，在美国国际消费性电子展CES 2013中，展示的穿戴式数字健康与健身科技产品的数量同比增长近25%。移动医疗（mHealth）热潮的兴起将进一步推动穿戴式医疗电子技术的发展和应用[11]，数据显示2013年至2017年全球移动医疗市场规模预计由45亿美元增至230亿美元[12]，作为其中重要的数据传输环节，短距离无线通信技术发展前景非常广阔。据IMS研究所报告，在未来5年内，无线医疗设备的用户量将超过5千万。可应用的短距离无线通信技术种类很多，每一种技术在一定的通用性的基础上又有其独特的适用领域，根据具体的应用需求选择合适的短距无线通信技术，可以实现低负荷状态下的长期连续监测，为多个领域的研究及应用提供良好的技术平台。

参考文献

[1] 孙荣国，黄勇，曾智.积极探索建设数字化医院，努力提高医疗服务质量[J].现代预防医学，2008，35（2）：279-280.

[2] Yole Development SA. MEMS technology： Worlds smallest barometric pressure sensor[J]. Micro News， 2009，78：1.

[3] E. Jovanov. Wireless technology and system integration in body area networks for m-health applications[A]. Engineering in Medicine and Biology Society. Proceedings of the 27th Annual International Conference of the IEEE[C]， 2006， 7158-7160.

[4] Kazushinge Quchi， Takuji Szuki， Miwako Doi. Life Minder：A Wearable Healthcare Support System Using Users Context[C]. Proceedings of the 22nd International Conference on Distributed Computing Systems Workshops， 2002， 791-792.

[5] Su Ying， Yin Ling， Al-Hakim Latif. EPhone：Embedded Cardiac Care Device in Mobile Phone[J]. Sensor Letters， 2011， 9（5）：1974-1978.

[6] 陈欣，郭勇，赖武刚. 基于Android平台的多生理参数智能手机监护系统的设计[J].电子世界，2013，（5）：124-126.

[7] 高波，葛宁. 低功耗蓝牙个人健康网络的设计与实现[J]. 传感器与微系统，2013，（6）：89-92.

[8] 赵泽，崔莉.一种基于无线传感器网络的远程医疗监护系统[J].信息与控制，2006，35（2）：265-269.

[9] 王景灿，郭兴明，李立策，等.基于射频技术的穿戴式医疗仪器的设计[J].现代科学仪器，2008，（1）：90-92.

[10] 王陈海， 吴太虎.基于非标准协议无线通信的个人健康监护系统设计[J].医疗卫生装备，2007，28，（5）：15-17.

[11] 王维，王静，孙洪央等. 具有蓝牙通信功能的上臂一体式血压测量系统[J].中国医疗器械杂志，2012，（4）：9-13.

[12] 陈骞. 全球移动医疗发展现状与趋势[J].上海信息化，2013，（2）：80-82.