基于ZigBee的可穿戴式病房无线监护系统

王世平，王志武，颜国正

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240）

基于ZigBee的可穿戴式病房无线监护系统

王世平，王志武*，颜国正

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240）

针对传统病房监护系统结构复杂，操作不便的不足，给出了一种新型可穿戴式多生理参数无线监护系统设计方案。设计了集血压、血氧、脉率及体温于一体的多功能腕式测量终端，其具有体积小，便携及易于佩戴等诸多优点；搭建了采用Zig⁃Bee网状拓扑结构的无线传感网络，通过实现服务器与无线传感网络之间的多网关通信提高了网络性能；建立了相应的中心监护软件以实现测量数据的实时显示，病人信息的集中管理以及远程报警与控制等功能；制作了一定数量的原理样机并在局部范围内验证了该系统应用于医院病房监护的可行性。

无线传感网络；监护系统；星型拓扑；多网关通信；ZigBee

传统的医用多生理参数监护系统经过长期发展，其技术已比较成熟，然而在使用过程中也暴露出一些有待优化的缺陷，如传统的有线连接方式以及相对较大的仪器体积给测量带来了不便；测量设备功能单一；购置及维护成本高昂，因此新型的监护系统成为一种需求。

随着物联网概念的兴起和发展［1］，无线传感网络（WSN）逐渐成为新的研究热点［2］。在无线通信协议方面，有着诸如ZigBee，Bluetooth，WirelessHART和WiFi等多种选择，而在传感器方面，智能化，微型化和集成化［3］也成为发展趋势。如今WSN已被应用于如环境监测［4-5］、智能家居［6］等许多领域，这也使得人们看到了将其应用于医疗监护系统的广阔前景。

实际上这方面的研究工作已在进行，其主要内容是多生理参数的采集和无线数据传输。目前关于多生理参数采集终端研究多集中于腕式［7-8］、植入式［9］以及背带式［10］三种，其中腕式以其舒适性和便于佩戴的特点最适于长期卧床的病人使用。从无线通信角度来看，主要分为远距离与近距离两种数据传输，前者需要依靠公用通信网络如GSM/GPRS/ CDMA［11］，后者则可以借助标准的无线通信方式如Bluetooth/WiFi/ZigBee，或者通过非标准通信协议的收发器实现，其中ZigBee技术凭借其低成本、低功耗、良好的扩展性和多跳通信等特点逐渐应用于医疗监护领域［7-9，12-14］。然而从目前来看，大多数仍处于初始搭建阶段，能实际投入医院病房监护应用的研究成果少之又少。

本文首先给出了系统整体框架，继而分别对生理参数采集终端及相应测量模块，网状拓扑ZigBee网络和中心监护站做了详细介绍，最后对本套监护系统进行了相关验证。

1 系统整体框架

系统的概念框架如图1所示，其主要包括测量终端，ZigBee无线网络以及上位机（中心监护站）三部分。ZigBee无线网络采用网状拓扑，包括一个协调器和若干路由器及终端节点。路由器和协调器均配备了以太网和GPRS接口而作为网关使用，至于哪个节点作为网关使用要取决于具体环境及网络布局。终端节点通过外围集成的传感器采集病人的生理参数信息并发送至网关，继而由网关通过以太网或GPRS输送至服务器。在无线信号传输可靠性方面，ZigBee协议栈物理层采用了扩频技术，MAC层通过CSMA机制能够择优选择信号传输信道，数据包发送采取了循环冗余校验和避免碰撞策略；网关在一般情况下以有线以太网的方式与服务器建立UDP连接，若所处环境使用有线连接存在困难，则通过备用GPRS接口接入互联网与服务器进行通信，GPRS通过网际协议（IP）保证传输可靠性，然而与有线方式比较还是在通信时延、稳定性、通信速率、成本等方面皆处于劣势。上位机包括服务器和客户端两部分，采用典型的C/S架构，服务器负责获取、分析和存储由网关传输上来的数据并实时推送至客户端，通过客户端登录服务器之后可实时监控病人信息，也可通过客户端操作界面向服务器发送相关指令控制终端节点的状态。借助本系统，可实现每位病人生理信息的集中管理与实时查看，医生可以通过接入医院数据库随时随地了解任意病人的生理状况。

图1 无线监护网络概念框架图

2 多生理参数测量终端

可穿戴式生理参数采集终端是无线医疗监护系统的核心组成部分。本系统仍然沿用了临床上较为认可的腕式测量终端，并采用TI公司生产的CC2530芯片作为其主控芯片。其内部功能模块如图2（a）所示，主要包括血氧测量模块，血压测量模块，体温测量模块，微控制器系统，无线收发模块和电源系统等部分，其原理样机如图2（b）所示。CC2530在对不同生理参数测量数据进行打包发送时会以不同测量ID进行标识，以便上位机进行解析。

图2 测量终端

2.1 血氧（脉率）测量模块

血氧模块采用光电容积脉搏波描记法（PPG）测量血氧饱和度。它基于Lambert-Beer定律，利用氧合血红蛋白与脱氧蛋白对单色光吸收程度的显著差异进行测量。本设计采用660 nm波长红光与940 nm波长红外光两路光信号以屏蔽其他干扰。

2.1.1 模块配置

本模块采用Cypress生产的CY8C29466芯片（PSoC1）作为主控制器，PSoC系列芯片在内核周围集成了可配置的模拟与数字外围器件阵列［15］，因此可以通过充分利用内部资源而减少外围电路的使用，进而减小模块的体积。CC2530芯片通过串口（UART0）中断读取血样模块数据，然后对血氧、血氧波形及脉率数据进行解析和分别打包，并定时向服务器进行发送。片内功能模块配置的测量通道如图3（a）所示，图3（b）为血氧模块实物图。

图3 血氧模块

控制器以100 Hz频率交替控制两路LED亮灭，光电信号经过外部I-V转换之后依次进行低通滤波（LPF）和前置放大（PGA），然后信号分为两支，一支将进行差分放大，比较信号为内部算法得到的直流偏移量，继而进行AD转换；而另一支信号直接进行AD转换。由此得到的两路信号分别为交流信号与直流信号，继而借助相关经验公式得出最终的血氧饱和度，同时脉率可由波形频率得出。

2.1.2 滤波算法

针对低通滤波难以滤除的低频噪声干扰，设计了形态滤波与相干滤波组合算法对信号波形进行了处理。形态滤波可以通过开运算与闭运算分别来消除噪声叠加于波形的尖峰与波谷，同时直流信号（DC）闭运算的结果即可为后续的差分放大过程提供直流偏移量。而相干滤波通过对相邻波形幅值取平均值平滑了波形，进一步消除了噪声干扰。

2.2 血压模块与体温模块

血压模块采用了由苏州康人研发生产的电子血压计模块，如图4所示，以及相配套的气囊袖带。此模块具有体积小，精度高，测量稳定等优点。CC2530通过串口（UART1）中断读取血压数据，通过状态机模型对数据进行解析，打包之后定时向服务器进行发送，同时模块的启动及测量操作可通过向串口发送相关控制指令实现。

体温模块测量基于桥路中热敏电阻的阻值变化，继而进行相应的修正计算实现体温的测量。CC2530以轮询的方式通过SPI总线进行体温数据的读取，定时每3 500 ms向服务器发送一次数据。一般来说体表温度受周围环境影响较大，很容易造成较大测量误差，为尽量避免这种影响，可通过专用系带辅以保温材料将热敏电阻固定于袖带下方。

2.3 电源系统

为降低测量终端功耗，提升使用体验，电源模块经过了反复设计验证，实现细节如图5所示。

图4 苏州康人电子血压计模块

图5 终端电源系统设计

终端由两节七号干电池供电，电池电压首先经过L6920升至5 V给上述模块供电，然后经LT1763稳压至3.3V给CC2530及其外围系统供电。由电源管理芯片LTC2950控制使能以上芯片，通过按键给LTC2950超过300 ms的低电平会使LTC2950使能端瞬间拉高，整个系统包括CC2530会开始工作，待LTC2950收到来自CC2530的反馈信号之后会保持使能有效，系统才开始正常工作，否则会使能无效。终端关闭也是通过LTC2950按键低电压检测完成。

3 ZigBee数据传输网络

ZigBee支持星型、树状和网状三种拓扑网络，相较于其他几种，网状拓扑在网络容量，稳定性，通信能力等方面明显占优［16］，因而本系统采用网状拓扑结构。网络基本框架如图1所示，包括一个协调器，若干路由器及终端节点，协调器与路由器之间对等通信。

3.1 硬件设计

终端节点采用CC2530芯片作为主控芯片，它是真正应用于IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE的片上系统解决方案［17］，能以非常低的物料成本建立强大的网络节点。协调器与路由器在硬件设计上完全一致，均配备了以太网与GPRS接口（备用），至于选取哪个作为网关进行与服务器的通信则需根据具体应用环境布局而定，路由器采用LM3S9B96作为主控芯片，通过SPI外接TI第二代ZigBee收发芯片CC2520实现无线通信。图6为协调器内部模块框图及实物图。

图6 协调器

3.2 软件设计

软件部分设计基于TI公司推出的OSAL系统，OSAL是以实现多任务为目的的系统资源管理机制，核心是维护一张任务列表来响应具有不同优先级的任务。其在本系统中的主要任务是实现外围硬件的初始化，Z-Stack初始化和数据的收发、解析。ZigBee通信主要通过OSAL内部的回调函数来实现，根据所接收数据的目标地址决定其发送方向。以太网连接采用UDP协议实现与服务器的通信，而GPRS通信则通过串口收发AT指令实现，两者传输可靠性均由其自身传输协议保证，在路由机制方面，采用了Tree路由算法和Z-AODV算法混合路由策略以支持网状网络。

考虑到无线通信中可能出现的设备故障，网络阻塞等问题，本系统数据传输网络与服务器之间通信采用了多网关模式。其具体实现如下：服务器在一定的组播地址上周期性发送消息，网关节点则在同一地址上进行侦听，如果节点接收到数据包则表明此节点支持以太网通信，然后此节点会以一定半径R（固定跳数）广播此节点可用的消息。所有的节点都会在内存中维护一张名为gw_tbl的表，一段时间内没有被更新的表项会被认作已不支持以太网通信而被删去。如果路由器接收到目标地址为服务器的数据包，会经过如图7所示处理。

3.3 网络布局

相关研究表明节点密度的变化对网络性能有较大影响，随着节点密度的增加，网络通信质量与节点能耗情况都会显著恶化［18］，因此综合考虑医院病房的布局环境，每个病房放置3～5个终端节点比较适宜。典型布局如图8所示，每个病房放置若干终端节点，配置一个路由器负责病人生理参数的采集与路由，走廊也需放置一定数量的路由器保证传输路径的顺利搭建，协调器则应置于服务器附近便于以太网通信。

图7 目标地址为服务器的数据包发送流程

图8 系统典型布局

4 中心监护站（上位机）

上位机软件使用VC#编写，病人信息数据库基于Microsoft Server 2008 Express开发，上位机包括两部分：服务器与客户端。服务器用来实现底层通信，维护网络拓扑，处理传感器所采集数据，数据库访问等功能，而客户端则提供人机交互GUI，其采用WPF技术开发。

上位机实现了以下功能：①病人各项生理参数指标及生理状态的实时显示。主视图（图9（a））集中显示所有病人信息，详细视图（图9（b））可显示每位病人的生理信息，而曲线视图追踪一段时间内所测生理参数变化趋势；②网络拓扑信息管理。可绘制与维护当前网络拓扑，并实时显示（图9（c））；③控制终端节点测量操作。可以通过客户端GUI按键发送控制命令控制任一测量模块的打开关闭；④用户信息管理。可实现用户的注册、登录，以及用户信息的修改和删除功能；⑤病人和节点信息管理。可实现病人信息及终端和路由设备的创建、查询、修改和删除功能，并可根据实际需要实现病人与终端节点之间的任意绑定；⑥定时测量管理。可根据实际需要设定测量模块开关时间及定时测量时间；⑦报警功能。可实现生理参数测量异常与终端节点电量不足报警。

图9

5 实验验证

为了验证本系统的有效性，制作了相应数量的测量终端样机与路由设备，对终端测量的各项参数以及系统网络的运行情况进行了详细测试验证。

5.1 测量终端验证

考虑到部分生理参数如血压的真实值测量需要通过动脉内置导管完成，并不具有可行性，或者通过柯氏音听诊法测量，但前后两次测量血压并不能保证一致，或者同一次测量中两种测量方法会互相干扰，也不具有可行性，因此选取了一些市场表现比较好的产品作为终端参数测量的比较对象。同时随机选取3个测量终端与10名受测试者，对每项生理参数指标进行比对，其各项比对结果统计如表1所示，可见血压测量达到了AAMI对于电子血压计相关的测量标准［19］，而血氧与体温等参数测量精度也基本能满足临床需要。然而由于手腕处体表温度受周围环境影响较大，并不能真正反应受测试者真实体温及变化，此后续可以考虑采用专用体温探头置于病人腋窝处进行测量。

表1 测量终端对照试验结果

终端能耗方面，经测试正常工作电压在60 mA左右，待机功耗小于1 mAh，测量一次血压耗能小于6 mAh，两节干电池至少可供200次测量。终端测量精度与性能均能满足临床监护需求。

5.2 系统网络测试

由于实验室布局环境与医院病房具有一定程度上的相似性，在实验室搭建了无线传感网络并进行了初步验证测试。15个终端节点，5个路由器与1个协调器分布于四个实验室房间，每个终端节点对应一位受测试者。具体实验室分布及网络布局情况如图10所示，于客户端显示的网络拓扑结构如图9（c）所示，图中所示的只是一种可能的连接路径，在测试过程中网络环境可能会发生变化，因而由路由算法寻优得出的最佳路径也会随之变化。若应用于医院病房，终端直接可以以病人床位号命名以方便管理。

图10 网络测试系统布局图

测试过程持续了8小时，期间受测试者体温、血氧和脉搏数据均能实时传输并推送至客户端视图，对每个终端节点不定时发送了5次测量指令，并均能顺利完成，测试期间，除个别终端节点某时刻掉线又迅速恢复连接外，其余均保持正常通信，网络总体表现比较稳定，但同时也说明网络在性能方面仍有改进空间。

本次测试在局部范围内检验了系统运行情况，从系统数据测量、采集、传输、存储和实时显示环节验证了应用于医院临床的可行性。

6 结论

本文给出了一套面向医院病房的多生理参数监护系统完整方案。相较于传统监护方式，本系统具有结构简单，易于穿戴且扩展性好等优点，通过实时监控病人生理信息，可有效减轻医护人员负担，同时也能在一定程度上减少医疗事故的发生。为能尽快投入医疗应用，还需进一步完成医院实地验证，同时需要独立开发血压测量模块缩小测量终端体积提升使用体验，进一步提高监护软件人性化水平，并优化网络结构增强系统稳定性。

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王世平（1991-）男，山东潍坊人，上海交通大学硕士研究生，主要研究方向为生理参数检测及无线传感网络相关应用，wsp1991@sjtu.edu.cn；

王志武（1969-）男，湖北黄冈人，博士，上海交通大学副教授，主要研究方向为医学监护系统，生物医学电子、微传感器及智能机器人，zwwang@sjtu.edu.cn。

A Wearable Wireless Monitoring System for Ward Based on Zigbee

WANG Shiping，WANG Zhiwu*，YAN Guozheng
（School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

To cover traditional ward monitoring system’s shortage of complex structure and inconvenience，this pa⁃per proposes the design method of a kind of wireless physiological parameters monitoring system for hospital ward.A multifunctional wrist-type collector which integrates the function of blood pressure，oxyhemoglobin saturation，pulse rate and body temperature measurement was designed with noteworthy advantages of small volume，portable and easy to wear；a wireless sensors network based on ZigBee mesh topology was built meanwhile multiple-gateway communication mode was adopted between WSN and serverto improve the network performance；corresponding cen⁃tral monitoring station was established to fulfill real-time view of measured parameters，centralized management of patients’information，distant alarm and control，etc.a certainnumber of prototypeswerefabricated and the feasibility applying to hospital ward is verified in local area.

WSN；monitoring system；mesh topology；multiple-gateway communication；ZigBee

TP393

A

1004-1699(2015)10-1563-07

��6150P

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.10.025

2015-04-03 修改日期：2015-08-08