基于ZigBee的无线体温监测效能设计与研究

杨辉，朱燕玲，徐露，李亚兰，孙文，纪永章

东部战区空军医院信息中心，江苏南京 210002

ZigBee是一种拥有低功耗、近距离、低成本、低复杂度的主流无线通信技术，其组网模式较自由，且应用场景较广泛，在医疗监护、工业监测、智能家居等领域都具有成功的应用。国内Zigbee在医疗无线监测已有一段时间的探索，很多科研机构、科技公司都对Zigbee在医疗行业内地应用做出了很多研究，但对照欧美的研究成果，尚存在一些距离。

目前医院的医疗设备都以传统模式为主，其特点是功能单一且接线复杂，也不便于移动，与医院信息化发展不吻合，也不符合移动医疗发展趋势。本研究提出利用Zigbee技术来实现无线体温监测系统，本设计具有成本低、易推广、易扩展等功能特点，便于医护人员实时对患者的体温进行检测，尤其在ICU对患者进行实时监测和慢病管理方面，由于其简单易操作便于居家期间的自行检测，患者可以自行监管，也可以大大提高医护人员的工作效益，符合现代化医疗的趋势，对推进卫生行业信息化发展具有一定的意义。

1 研究对象

随着科学技术的进步，特别是无线技术和MEMS技术的发展，与医疗行业的切入点越来越多，对无线监测管理技术的研究深入，各种应用也越来越成熟，从而逐步取代传统的人工模式，目前在医院应用的场景有体温监测、血糖监测、血压监测等，特别是体温监测，在公共卫生事件发生期间发挥了重要的作用。

1.1 无线技术的发展

20世纪80年代美国军方就开始将无线技术用于战场战士生理数据的监测，实时追踪每名战士的呼吸、心率、体温等生理数据[1]。在国内中科院赵泽研究出一种基于无线传感器的远程无线医疗监护系统，同时提出具有扩展性的多层次网络构架的设计[2]。国外对无线医疗技术研究较早于国内，如法国CRNS实验室研发的MARSIAN主要用于神经系统监测[3]，美国乔瓦乐从2005年开始研究Zigbee网络模型并应用于患者，监测患者的基础生理数据，提前预判潜在的风险[4]。国内汪丰教授等设计基于Zigbee的无线医疗监护网；上海大学自助主研发的BOP系统应用于乡村医生对患者的心率、心电、呼吸等进行日常监测，有效地帮助乡村医生对患者进行各种救治工作等[5]；2010年南京试点“智慧养老”[6]，2011年大唐电信研制的Zigbee无线医疗设备出口至日本[7]。

1.2 医疗设备的无线应用

随着信息技术的不断发展，更多的无线技术被应用到医疗领域中，目前医院的医疗监护中对无线的依赖比较明显，特别是对患者的血压、脉氧等的应用可以大大降低医护工作中机械的重复劳动，也能降低在高强度工作下的出错率。另外现有的医疗设备大部分仍采用传统模式，体积笨重、接线繁琐、不便于医护人员的操作，有时也会因为设备的插头不紧、传感器掉落等造成检测数据的丢失，在一定程度上影响到医疗工作开展，增加医疗风险的发生。本课题设计的无线医疗设备检测具有以下特点：无线技术成本低、不用综合布线、移植性好、扩展性优、操作简单，便于医护人员携带就诊。无线监测设计定位也可以实现一对多的监测管理功能，一名医护人员在工位就能管理多例患者，也能通过AI处理实现危急值自动预警，提供对患者的实时管控，降低医疗不良事件发生率。

2 研究方法

目前国内外很多研究机构对无线医疗数据监测产生很大的兴趣，原因在于其功耗低、应用效果明显、患者体验感强、受医护人员欢迎，致使其在部分领域的技术研究及技术实现已较成熟。

2.1 系统需求分析

近年来ICU重症监测、慢病管理逐步成为一个新兴的研究课题，与之对应的相关患者的生理数据收集显得尤为重要，为此本课题设计出一款成本较低，基于Zigbee技术的无线架构的人体生理参数监控系统，具有人机交互方便、设备安全可靠、数据采集准确等特点。

2.2 Zigbee技术的应用

本研究选用Zigbee作为无线网络架构基础，拟采用的架构为传感器节点--路由器--协调器--服务器形成的数据流。电路主控板采用STM32，因为STM32的处理核心为ARM 32位Cortex-M3 CPU，可以实现信息的高速传输[8]。

2.3 CC2530控制程序

CC2530控制程序由TI公司生产，是整个Zigbee网络体系中的核心，用于处理终端信息流转[9]。该芯片的内核是一颗8 051的单片机，符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz的无线收发装置，特点是低功率、抗干扰能力强、接收能力强、安全性能高。其严格按照IDEIAR的标准执行[10]，具有完善的成熟二次开发环境。

2.4 电路设计方案

本研究主要是基于Zigbee网络体系构架的患者体温监测系统，选择协调器、路由器进行服务[11]。采用LM3S9B96作为本设计的硬件核心。以LM3S9B96芯片为核心的路由器硬件设计，为下一步的方案设计奠定硬件基础。

3 体温采集方案

3.1 方案设计原则

作为患者最重要的一项生理参数，体温起着非常重要的作用，是人体新陈代谢、各项组织功能能否正常运转、各种慢性疾病监测的一项重要指标参数[12]。现有的体温测量方式有两种，分别是接触式和非接触式。非接触式体温测量工作原理是利用红外热谱间接获取人体体温，也可以细化为额温枪、耳温枪等。接触式体温测量主要是利用水银的热胀冷缩原理来进行体温测量，又可以细分为直肠测量、口腔测量、腋窝测量、体表测量等[13]。本研究目的是实现患者体温的无线实时监测，以便于患者携带、便于医护人员操作、便于工程技术人员维护为原则，同时兼顾设备的成本考虑，统筹各方面因素来整合设计本套采集方案。

3.2 体温采集模块

体温传感器采用DALLAS公司的数字体温传感器DSl88201[14-15]，体温采集模块采用的是单总线连接方式，需将控制器的通用I/O端口与DSl88201的DQ端口相连，便可能实现数据信息、控制信号的传输。其具有结构简单、功耗低、组网方便等特点，温度测量范围为-55℃～125℃，如使用测温范围在-10℃～85℃范围内，精度为±0.5℃，最小可精确到0.062 5℃。DSl88201由ROM、存储器、敏感元件、配置寄存器组成。下面简单介绍各个部件的作用：ROM的作用为编写地址序列码，使得每个设备都有唯一标志。存储器的作用为储存结构寄存器和低温或高温触发器的数据信息。敏感元件的作用为探测、检测物体的温度[16-18]。配置寄存器的作用为配置DSl88201的分辨率的设置和工作状态。因DS188201温度传感器的测量精度、温度适用范围都适合人体体温测量要求，本课题选择住院患者作为研究对象。DSl88201数字温度传感器的工作流程由2个功能模块组成，一是体温采集程序，二是温度转换程序。

3.3 温度采集实现

本研究课题采用DSl88201包装成温度传感器，通过CC2530来获得患者的体温数据信息，ROM指令读取不同序号来识别不同患者的DSl88201温度传感器数据信息，各个终端节点接收到传感器的数据信息，通过路由器转发至数据库服务器中进行统一存储，因DS188201模块功耗低，可以持续地对数据进行收集。

4 结果

本研究的目的是通过Zigbee技术架设无线网络，将理论研究应用到实际的应用中，将普通温度传感器DS188201封装成适合体温测量需要的设备，随机从住院患者中每个病区抽取1例患者进行体温监测，为了验证测试的正确性，定期用水银温度计进行测量来佐证。通过DSl88201数字温度传感器采集患者的体温，同时为了检查本系统采集的可靠性与精度，将监测到的数据与传统手工监测的数据进行反复比较，通过CC2530控制程序发送至服务器中储存，通过比较分析得出：采集的数据与人工测量的数据基本一致，说明本设计具有一定的可靠性和准确性，二者之间的数据差距很接近，不会影响医护人员对患者的决策，基本符合实际要求。温度相差在可控范围之内，临床基本可以接受。见图1。

图1 体温测量对照

5 结论

本研究通过分析医护工作者在实际工作中遇到的困难，本着解决各种实际困难的角度出发，提高医护工作人员的工作效率，降低医疗风险，提出基于ZigBee技术的患者温度实时监测系统。主要是通过ZigBee技术搭建无线网络，通过制订采集方案，选用硬件设备，并在医院病区中加以实证研究，通过与人工采集到的体温数据相比较，二者的误差较少，符合预期的设计目标，可以提高医护工作人员的效率。本次研究，对同类型的兄弟单位对患者体温的实时监管具有一定的借鉴意义。