基于ZigBee的人体健康数据采集系统的设计

张玉++姚凯学

摘 要：基于ZigBee技术的人体健康数据采集系统涵盖了对脉搏、血压、体温等参数的采集，并通过无线方式进行传输。在监控中心建立以社区人员为中心的电子健康档案，为人体的健康提供数据支撑。通过电子健康档案来满足医生对所需数据的要求，通过分析用户电子健康档案存储的数据信息来了解其日常的活动状况，加强医生对患者的了解，从而开启因人而异的治疗方式。

关键词：ZigBee；数据采集；无线传输；健康档案

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

随着居民生活水平的提高、人口老龄化的加速与下一代健康安全问题的日益突出，老人和儿童的健康监护需求不断加大。目前的医疗资源与水平无法满足这种需求。随着无线传感器网络（WSN）的快速发展，其在远程医疗领域已经发挥了无可替代的重要作用[1]。目前，在国外已有科研人员将无线传感器网络应用于医疗监护系统，对被监护者的心电信息进行实时采集、监护[2]，也有将ZigBee应用于智能家庭医疗保健的方案。而在国内，市场上采用无线传感器和ZigBee技术对家庭健康数据进行采集的相关产品还不多。

基于Internet的社区健康远程监护数据采集方式是研究开发的热点问题。基于物联网技术，传感器网络建立的远程医疗监护数据采集仪就可以让患者在社区享受到大型医院的常规检查，减少排队现象。还可以提高医生看病诊断的效率，加强居民对自身状况的了解，更正不正确的生活方式与不健康的生活习惯，以达到做好疾病预防、提高居民健康水平、减少医疗机构压力的目的。

本文以物联网和云计算为依托，提出了基于ZigBee无线技术的远程健康数据采集系统，与社区医院结合，面向患有心脏病、高血压的老人及其他需要实时监护的病人，完成对人体生理参数的采集、上传，并将详细数据提供给医生以方便医生进行诊断。

1 系统设计原理

系统主要由健康数据采集传感器、ZigBee-WiFi网关、智能终端、云平台组成，通过传感器采集人体生理参数并进行数据预处理，再通过异构网络进行数据传输，将人体生理参数传送至云平台，在云平台上进行数据存储与分析，从而实现对人体各项生理数据进行实时传输、实时监测的功能。

1.1 ZigBee技术简介

ZigBee网络通常由协调器（Coordinator）节点、路由器（Router）节点、终端设备（End Device）/传感器节点[3]组成。协调器用来建立ZigBee网络，并为加入ZigBee网络的终端节点分配网络地址，每个ZigBee网络需要且只需要一个协调器；路由器可以起到路由转发数据的作用，又可以作为数据节点，还可为加入网络的节点分配网络地址[4]。

ZigBee技术具有短距离、低功耗、抗干扰性较强等特点，适用于远程健康数据采集平台。无线信号基于CC2530芯片构造的无线传感网络传输，采用Mesh拓扑结构。Mesh拓扑结构如图1所示。点对点的网络拓扑可以自动建立传输网络。Mesh网络可使数据经由多个节点传输，从而使付出的功率代价最小。

1.2 系统设计

本文中的无线传感器节点主要将生理信号转换成模拟电信号，并进一步转换为数字信号，通过无线通信的方式将生理信号的数据发送到上层（中继）节点。中继节点把接收到的数据信息按照地址传送、转发至网关节点。网关节点通过Internet或串口与监护中心相连，将接收到的数据信号传送至PC机，提供给医护人员方便其分析与诊断。系统整体设计如图2所示。

ZigBee-WiFi网关是数据采集系统的核心，主要实现对各传感器终端设备的控制及对终端传感器数据的采集与转发，及时将数据转发至网络监控中心，实现数据的实时存储与监护。

ZigBee协调器在ZigBee网络中只能存在一个，其主要负责建立和初始化ZigBee网络及确定ZigBee网络的工作及网络地址分配等。

ZigBee路由设备作为数据采集系统网络的中间节点，负责数据从终端节点到ZigBee协调器的中转工作，并为数据传输开辟了更为有效的路径。

由于传感器采集模块具有低功耗、辐射小、抗干扰性强等优点，因此人体可直接佩戴，通过传感器来采集人体相关信息[5]。

为降低系统功耗，ZigBee网络中的传感器设备采用简化功能设备（Reduced Function Device，RFD）器件来设计，ZigBee协调器、ZigBee路由器采用全功能器件（Full Function Device，FFD）设计，可有效减少不必要的功耗。

2 硬件设计

2.1 生理数据采集终端的设计

生理数据采集模块的主要功能是进行人体生理数据采集，通过与之相连的无线传输模块将生理数据传送至协调器节点，进而发送至远程监控中心。

数据采集终端采用德州仪器（TI）的CC2530芯片，内置MCU8051单片机，负责天线与上层节点通信。当接收到上层发送过来的测量命令时，向传感器模块传达采集命令并接收测量数据。生理数据采集终端如图3所示。

当传感器采集到人体生理参数后，通过ZigBee模块内置的CC2530单片机的AD模块进行模数转换，经无线模块RF射频部分将数据发送至路由节点或者ZigBee-WiFi网关。CC2530芯片外围电路的接线如图4所示。蜂鸣器部分的电路如图5所示。

2.2 ZigBee-WiFi网关设计

ZigBee无线网关主要实现ZigBee数据报文与以太网报文的双向转换。网关设计ZigBee和TCP/IP两种不同的协议格式，因此需在网关的数据传输系统中将ZigBee数据包转换为TCP/IP数据包，实现数据在两个网络之间的传输。

本设计采用三星生产的S3C6410芯片作为网关处理器。S3C6410是三星公司基于ARM11内核推出的一款高性价比、低功耗的16/32位RSIC微处理器[6]。该处理器为了提供更好的硬件性能，采用由AXI＼AHBT APB总线组成的64/32位内部总线架构。它还内置了许多强大的硬件加速器，具有音频处理、视频处理、二维图形加速、显示处理等功能[7]。其芯片内部集成1个LCD控制器，支持TFT-24 bit真彩色带有触摸屏的液晶显示屏，SDRAM控制器，NAND Flash控制器，支持4通道UAR口，32通道DMA，4通道具有PWM功能的计数器和1个内部时钟，全功能的SPI，I2C总线接口，I2S数字音频总线接口，3个PLL，看门狗计数器，USB OTG，USB HOST，3通道MMC/SD等[8]。ZigBee-WiFi网关框图如图6所示。

3 软件设计

3.1 系统整体流程及节点流程

当有新的终端节点申请加入时，会搜索整个网络内的ZigBee网络，并向与其对应的网络申请加入，成功加入后处于等待状态（上层给终端节点的指令）。当接收到上层指令时，进入工作状态，采集人体的生理数据，并由路由器节点/协调器节点传送至ZigBee-WiFi网关，进行人体生理数据的实时监控[9，10]。系统整体流程如图7所示。

在系统运行之前，所有终端设备都会进行初始化End-Device init（）操作，当收到上层指令时开始采集数据。节点工作流程如图8所示。

3.2 软件校正

文中的人体生理传感器包括体温、脉搏、血压等。由于温度传感器DS18B20测量的数据有一定误差，使用算法对其在软件上进行校正。校正的方法采用常用的数学优化技术——最小二乘法。

最小二乘法通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，可以简单求得未知数据，并使这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和最小。假设给定m个点集（xi，yi）（i=0，1，2，…，m），其中xi为测量值，yi为真实值，最小二乘法即求与给定的m个点距离平方和最小的曲线y=ax+b。

（1）

将y=ax+b带入式（1），当最小时，可求对a、 b的偏导数，得到a、b的值。由此得出测量值与真实值之间的线性关系。

（2）

（3）

4 以温度为例采集数据

以温度为实例采集数据，DS18B20传感器在开启后需要一段测量时间，由图9可知体温在150 s后趋于稳定。数据为经过最小二乘法在软件上做修复的数据。由此可知，终端节点可以较准确的测量出人体体温。

5 结 语

本文提出了基于ZigBee无线传感器网络的人体生理数据采集系统，由传感器终端节点、ZigBee路由器、ZigBee协调器、ZigBee-WiFi网关四部分组成。本文给出了系统的整体设计方案，并为之建立了一个ZigBee无线网络。文中构建的基于ZigBee的人体健康数据采集系统能提供给用户更多的生理信息，方便用户随时了解自身的健康状况。

参考文献

[1]谢昕.基于物联网的远程家庭健康监护传感器网络研究[D].北京：北京邮电大学，2011.

[2]蔡利婷，陈平华，罗彬，等.基于CC2530的ZigBee数据采集系统设计[J].计算机技术与发展，2012（11）：197-200.

[3]孔维康，陶帅，汪祖民.基于ZigBee的养老院健康监护系统设计[J].计算机测量与控制，2016，24（1）：95-98.

[4]胡小海.基于ZigBee无线网络的医疗监护系统的设计与研究[D].上海：上海交通大学，2014.

[5]郑凯.基于ZigBee无线传感器技术的心电监护网络的研究[D].长春：吉林大学，2008.

[6]USER'S MANUAL S3C6410X RISC Microprocessor Confidential Proprietary of Samsung Electronics Co[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/9f9cba75f242336c1eb95ebe.html）

[7]林文.基于嵌入式开发的视频监控系统设计与实现[D].成都：西南交通大学，2012.

[8]李强.基于S3C6410智能家居网关的技术研究与设计[D].西安：西安科技大学，2014.

[9]孟琳，陈万忠，韩双双.基于ZigBee技术的社区医疗管理系统[J].微计算机信息，2009，25（20）：6-7.

[10]李学明.基于ATMEL9260的嵌入式生理数据采集系统的研究与实现[D].西安：电子科技大学，2011.