基于ZigBee的孕产妇围产期监测系统

滕志军，何 鑫，赵 雷，张 帆

(1.东北电力大学 信息工程学院，吉林 吉林 132012;2.吉化集团总医院 介入科，吉林 吉林 132022)

全国对孕产妇围产期的监护力度很大，也很重视。保障孕妇安全的重要手段就是孕期检查，发现高危因素，及时干与和监护。目前医疗机构主要通过有线监护仪对孕妇健康状况进行检查，监护仪体积大，操作复杂，必须要求孕妇在医院由专业人士操作。由于孕妇的行动不变就造成了监测次数不足、监测数据不准确，容易导致医生误诊。而且有线的连接方式导致网络的可扩展性差，不能满足监护设备网络化的需求。针对以上问题，提出了以ZigBee网络和3G网络为传输媒介的小区式远程监测系统，旨在实现孕妇的居家体检，保障孕妇及胎儿安全。

1 系统总体设计

从网络结构来看，ZigBee网络分为星型网、树状网、网状网三类[1]。设计中采用星型网络，该网络适用于短距离、环境干扰大的场合，并具有组网简单、传输时延短等优势。

图1所示为基于ZigBee和3G技术的孕产妇远程监测系统，整个系统由ZigBee星型网络、3G网络和监测中心构成。ZigBee网络中传感器节点对目标用户进行数据采集并发送至网络协调器，协调器通过节点ID识别用户，然后将用户身份信息加载到检测数据中，构成新的数据净荷，最终利用3G网络将打包数据发送到监测中心。监测中心将接收数据存储到数据库，经计算处理后通过人机界面显示，供医生分析、做出诊断。

图1 监测系统结构图

2 系统硬件设计

2.1 传感器节点硬件设计

传感器节点的MCU选用TI公司的CC2530芯片。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，拥有定时器、看门狗、ADC模块等片上外设，支持UART接口、SPI接口和DMA传输方式，并兼容ZigBee Pro/2007协议栈[2]。CC2530芯片功耗低、抗干扰能力强，从睡眠模式转换到工作模式的时延小，特别适合那些对电池工作时间要求高的系统[3]。

传感器节点针对孕产妇的生理数据进行采集、存储与发送。为避免电磁波对孕妇产生辐射，放弃采用采集与发射同时进行的监测手段。先将节点采集到的检测数据和对应时间(利用附加电池的DS1302时钟芯片)通过SPI接口存储到SD卡中[4]。检测结束后，将设备从孕妇身上摘离。当S1键被按下，节点开始寻找网络并向协调器发送入网请求信号。如果协调器允许入网，传感器节点会利用CSMA/CA(载波监听多路访问/冲突防止)机制找寻信道空闲时机[5]，并将SD卡中存储的检测数据与对应时间发送到网络协调器，否则继续发送入网请求信号，直至入网成功。通过有效地结合SD卡与时钟芯片，解决了电磁波对孕妇和胎儿的危害，使得系统更具实用性。传感器节点结构图如图2所示。

图2 传感器节点结构图

2.2 协调器节点硬件设计

图3 协调器结构图

设计采用小区模式的无线传感器网络，即协调器位于小区中心，终端节点分布在有需要的家庭。协调器作为无线传感器网络的中心主要完成网络的建立与配置、绑定表的维护、端点识别、节点数据的接收与处理并通过3G模块完成数据从ZigBee网络到3G网络的转发等功能。协调器处理芯片同样采用CC2530，3G无线模块采用华为公司生产的EM560模块。该模块支持通用串行总线(USB)、移动通信(TD-SCDMA/HSPA)等技术，同时，它还具有丰富的接口包括 UART、USB2.0、GPIO、GPS和内嵌 SIM 卡等[6]。协调器系统结构如图3所示。

3 系统软件设计

3.1 传感器节点软件设计

传感器节点首先对采集传感器、SD卡和时钟芯片等硬件进行初始化，并通过设置寄存器来关闭无线发送与接收功能，避免电磁波对孕妇产生辐射影响。然后利用定时器中断间隔性的对传感器采集到的数据进行提取，并通过SPI接口将采集数据与对应时间存储到SD卡。采集结束后，用户按下S1键，则初始化ZigBee协议栈，开启无线发送与接收，并发送加入网络请求信号，等待协调器响应[7]。如果该节点加入网络成功，则进入休眠状态。当产生定时器中断时，芯片立即从休眠状态唤醒并利用ZigBee网络将SD卡中存储的检测数据发送到网络协调器，发送数据成功则进入休眠状态，等待下一次中断唤醒，发送失败则重新发送。传感器节点的工作流程如图4所示。

3.2 协调器节点软件设计

网络协调器完成网络的建立与配置、数据的汇总与向上传输等功能。协调器通过天线将电磁波转换为电信号来获得数据，数据类型可分为两种。一种是传感器节点加入网络的请求信号，根据协调器的应答来决定该节点是否授权入网。另一种是传感器节点发送的检测数据，协调器通过接收的数据包中的节点ID来识别用户，然后将用户身份信息加载到检测数据中，构成新的数据净荷，最后通过3G网络将打包数据发送到监测中心完成数据传输。协调器的工作流程如图5所示。

3.3 监测中心软件设计

图4 传感器节点流程图

图5 协调器节点流程图

监测中心将3G网络传输的信息接收并按照用户身份链接到数据库中存储，由系统进行数据处理、分析，并通过基于C#语言编写的界面将数据显示，供监护人员分析、做出诊断。为方便监护人员对数据进行观察、比对，利用MATLAB软件提供的函数接口与C#语言编写的界面进行连接。监护人员只需按下操作界面中的“数据比对”命令按钮，就可以调用MATLAB中的绘图函数将检测数据与对应时间以及数据均值以图形方式在监测界面中显示，更有利于分析。

4 系统测试

图6 当前数据显示界面

实验采用4个传感器节点、两个3G模块和一个协调器在居民小区中进行测试。每个传感器节点挂有DS18B20温度传感器，每间隔30秒对测试对象进行体温数据的提取并将采集数据和对应时间存储于SD卡。检测结束后，通过按下S1键，节点开始将SD卡中数据通过ZigBee网络、3G网络传送至监测中心。监测中心将数据存储在数据库，并将分析结果通过界面显示。图6显示了测试对象1的体温数据情况。

图6中前两组测得的温度值比较低，是由于传感器测量体温时，数值会从室温逐渐升高并近乎稳定于体温，并非传输过程中误码所致。监测人员通过观察数据来了解监测对象的健康状况，并且可以利用数据比功能，将历史数据与当前数据作对比，分析出体温变化趋势，提前采取相应措施来确保用户健康。

5 结 论

设计充分利用ZigBee技术的低功耗、自组网的优点，并以网络协调器作为网关，完成ZigBee网络与3G网络的互联来实现对孕产妇的远程监测，对保障孕妇的安全生产有着重大的意义。实验证明，整个系统稳定性高、抗干扰能力强、并且解决了电磁波对孕妇的辐射影响，更具有实用性。下一阶段将考虑通过3G模块将整个监测系统与Internet连接，授权用户只要通过PC或者智能手机登录浏览器便能够了解孕妇健康状况。

[1]袁腾，李秋红，杨国斌，程磊.基ZigBee和3G技术的WSNs环境监控系统设计[J].传感器与微系统，2012，31(6):128－129.

[2]庞海娟，赵建平.基于ZigBee技术的矿井人员管理系统设计[J].通信技术，2010，43(8):187－189.

[3]樊静，王建明.基于CC2530的博物馆状况无线监测系统设计[J].电子测量技术，2011，34(6):106－107.

[4]周跃，沈捷，花魁.基于SD卡的数据存储系统设计[J].化工自动化及仪表，2012，39(1):95－96.

[5]滕志军，屈银龙，王中宝，等.基于ZigBee的高压带电体温度在线监测系统[J].电工电能新技术，2011，30(3):80－83.

[6]段登，邱意敏，周力.基于ZigBee技术+3G网络的多电梯远程监控系统[J].计算机系统应用，2012，21(3):186－187.

[7]王玲芝，李春茂，袁立行.基于ZigBee技术的高压设备温升监测系统[J].测控技术，2010，29(12):1－3.