基于ZigBee的血氧饱和度检测系统的设计

刘婷婷，李瑞祥，陈 城，刘 毅

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200082)

基于ZigBee的血氧饱和度检测系统的设计

刘婷婷，李瑞祥，陈 城，刘 毅

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200082)

由于传统的血氧饱和度检测系统已无法适应当今医疗行业多元化、信息化和个性化的监护需求，设计了一种基于ZigBee的血氧饱和度检测系统。该系统采用MSP430和CC2530芯片，能够同时采集病人的血氧饱和度和心率，并开发出上位机界面来实现数据的实时显示和存储。实践证明，该系统传输网络相对可靠、失真率低，血氧饱和度测量误差保持在0.4% 以内。具有较高的检测精度，且满足同时监控多种生理参数的需求。

血氧饱和度；ZigBee；MSP430；CC2530

设计了一种基于ZigBee的血氧饱和度检测系统。该系统应用基于无线传感器网络的ZigBee 2007 Pro协议，以CC2530芯片为网络节点搭建无线传感器网络，以MSP430芯片为系统核心实现信息的采集、调理电路的设计和通信电路的搭建等工作，并集成了心率采集模块，能够同时采集病人的血氧饱和度和心率，且开发出基于操作系统的上位机界面来实现数据的实时显示和处理。该系统采集速度快、节点能耗低、传输效率高、实时性好且检测精度高[1]。

1 血氧饱和度测量的基本原理

血氧饱和度是指血液里氧合血红蛋白的容量与血液中全部可结合的血红蛋白容量的百分比，它是呼吸循环的重要生理参数之一。目前检测血氧饱和度最广泛的方法是红外光谱光电法，该方法是以郎伯—比尔定律(Lambert-Beer law)为理论基础进行研究的[2]。

郎伯—比尔定律是光能量吸收的基本定律之一，其物理意义是当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时,其吸光度与吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比。人体血液中氧合血红蛋白和全部可结合的血红蛋白二者对光有不同的吸收特性[3]，根据这一定律，由两个发光二极管交替发射出波长为660 nm的红光和940 nm的红外光，当双波长光线透过手指照射到光敏管上使其产生光电效应，动脉血液的脉动引起光程的不断变化导致透射光强度的不断变化，进而导致光电池内部光电流的不断变化，而这两路透射光信号中直流和交流成分之比分别对应血液中的氧合血红蛋白和还原蛋白的含量，通过测量脉搏波的波峰和波谷的吸光度便可计算得到人体的血氧饱和度[4]。

2 系统硬件构成

血氧检测系统是通过跟踪血液中的脉动成分对光吸收的变化程度而计算出人体血氧饱和度的。针对这一要求和无线传感网络的需求本文设计出血氧检测系统整体框图，如图1所示。

图1 血氧检测系统整体框图

系统主要由血氧检测节点和网关节点两部分构成，血氧检测节点首先采集人体的血氧，实现脉动信号到光信号到电信号的转换过程，然后采用MSP430F149芯片对电信号进行一系列的放大、滤波、A/D转换等处理，得到准确度较高的血氧饱和度数据，最后将血氧饱和度的数值在显示屏上展示出来，并通过无线传感器网络把数据传送到网关板，利用USB由网关板将血氧饱和度和心率数值发送直上位机，由上位机软件实现结果的显示、存储等功能。

2.1 血氧检测节点

血氧检测节点主要分为MSP43F149主控的血氧检测模块和CC2530主控的射频发射模块两个部分。MSP43F149主要负责血氧饱和度的采集和处理，CC2530则主要负责接收MSP43F149发送过来的数据并把数据发送至网关节点[5]。血氧检测节点硬件电路主要由光源驱动电路、信号调理电路、A/D转换电路、MSP43F149芯片核心电路、CC2530核心电路组成。其中由MSP43F149主控的血氧检测模块的结构如图2所示。

图2 血氧检测模块结构图

2.2 网关节点

网关节点，也称作协调器，负责发出控制命令和接收所有血氧检测节点采集到的数据，并把数据发送给外部网络或者终端用户PC机[6]。在本系统中，这一功能是通过USB接口和UART串行通讯接口来实现的，网关节点时无线传感器网络与有线设备连接的中转站，负责发送上层命令，接收下层节点的请求和数据，具有数据融合、请求仲裁、和路由选择等功能，在无线传感器网络中占有举足轻重的作用[7]。其结构框图如图3所示。

图3 无线传感器网络网关节点结构

3 系统软件构成

系统采用ZigBee协议实现系统的无线通信。ZigBee协议定义了ZigBee可工作在2.4 GHz、868 MHz和915 MHz这3个频段上, 本系统工作在免费的2.4 GHz频段以实现无线数据的通信，点对点最远传输距离10～100 m的范围[8]。而ZigBee是一种短距离、低功耗、低传输速率的无线通信技术，主要用于传输控制信息，特别适合用于电池供电的系统。其协议从下到上一共分5个部分：遵循IEEE 802.15.4协议标准的物理层和媒体访问控制层，能够使用户根据自己需要开发的应用层和负责网络管理、安全保障的传输层和网络层，该技术的最大亮点在于还能够为用户提供机动灵活的组网方式且具备大规模的组网能力[9]。组网示意图如图4所示。

图4 无线传感器网络组网示意图

注图中：1-服务器；2-无线局域网；3-上位机；4-传感器区域；5-USB或UART ；6-网关；7-无线传感器网络；8-汇聚节点；9-传感器节点；10-路由节点。

4 系统测试结果

上位机软件是系统的数据处理中心和显示平台，界面使用Microsoft Visual Studio .NET 2010和Access 2010[10]。该系统记录了测试者的记录识别码、姓名、床位号、主治医师、医师电话和家属电话等个人信息，给使用者提供友好的可视化图形界面，便于查看和实时管理。

为了确定本系统采集获得的数据的准确性和经由无线网络传输的可靠性，采用江苏鱼跃医疗设备股份有限公司生产的血氧仪和本文的样机进行标定实验，由5名年龄段位于20～30岁且身体健康的测试者协助完成测试。测试进行一段时间上位机界面如图5所示。

图5 上位机界面

上位机测得的数据与标定设备所测得的同一时刻的血氧饱和度值对比如表1所示。

表1 本系统与专业血氧仪的测试结果对比

由表1可以看出血氧饱和度误差保持在0.4% 以内，最大误差为0.34%。与标定设备测量的数值基本一致，同时上位机显示的数据与终端节点液晶屏显示的数值也完全一致。最后对采集的心率进行同样的论证，实验证明在该系统下测得的血氧饱和度和心率数据偏差都较小，该系统有较高的可行性和实时性，具有较好的应用前景。

[1] 杨烨,董惠. 基于 ZigBee 的无线传感器网络节点的设计[J]. 现代电子技术, 2009, 32(17): 140-142.

[2] 严新忠,杨静,郭略. 人体血氧饱和度监测方法的研究[J].医疗装备, 2005(12)：1-4.

[3] 谢正洋,胡丹峰,王加俊. 无创血氧饱和度的测量及无线监测系统的研制[J].中国仪器仪表, 2009, 4(4): 65-67.

[4] 于巍,古庆恩,李信政,等. 无创伤脉搏血氧饱和度测量技术及进展[J]. 中国医疗设备, 2007, 22(9):49-52.

[5] 吕九一,陈楠. 无线传感器网络的应用与发展概述[J]. 科技广场, 2011 (3)：52-54.

[6] 王权平,王莉. ZigBee技术及其应用[J]. 现代电信科技, 2004 (1): 33-37.

[7] 周宁. 基于 ZigBee 技术的无线传感器网络的研究和应用[D].保定： 河北大学, 2010.

[8] 王骥,李振坤,沈玉利,等.基于无线传感器特种佩戴监护系统研究[J].计算机应用与软件，2009,26(7)：204-207.

[9] 庄严. ZigBee网络结构及协议分析[J]. 电子技术与软件工程, 2014 (9)：26-29.

[10] 王权平,王莉. ZigBee技术及其应用[J]. 现代电信科技, 2004 (1): 33-37.

[11] David Geer.Users make a beeline for ZigBee technology[J].Computer,2005,38(12):16-19.

[12] 闵胜利. 浅析ZigBee的相关结构及操作系统[J]. 数字技术与应用, 2010 (8): 160-161.

[13] 普埃克,刘永清. 数字信号处理 [M]. 4版.北京：电子工业出版社,2007.

[14] 高守玮, 吴灿阳.ZigBee技术实践教程:基于CC2430/31的无线传感器网络解决方案[M].北京：北京航空航天大学出版社,2009.

[15] 吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M]. 北京：北京航空航天大学出版社,2008.

[16] 曹明毅. 无线传感器网络发展及应用[J]. 计算机光盘软件与应用, 2010(6):113-118.

Design of Oxygen Saturation Measurement System Based on ZigBee

LIU Tingting，LI Ruixiang，CHEN Cheng，LIU Yi

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200082，China)

In order to meet the demands in diversification, information and personalization of the monitoring system of oxygen saturation in the medical industry, a kind of oxygen saturation monitoring system based on ZigBee was designed. The system takes MSP430 and CC2530 as the core, and the patient’s blood oxygen saturation and heart rate can be collected at the same time, and the interface of the master computer was developed to realize the real-time display and storage of the data. Practice has proved that the system transmission network is relatively reliable, the distortion rate is low, the measurement error of blood oxygen saturation is less than 0.4%, and the system has high detection accuracy, and meets the requirements of the simultaneous monitoring of multiple physiological parameters.

oxygen saturation; ZigBee; MSP430; CC2530

2016- 03- 25

刘婷婷(1990-)，女，硕士研究生。研究方向：无线传感器网络。李瑞祥(1967-)，男，工程师。研究方向：无线传感器网络等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.044

TP274+.5

A

1007-7820(2017)01-161-03