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生命科学

科技经济导刊编辑部:基于无线传感器网络的医疗监护系统设计

点击次数:   更新时间:2015-9-8 14:31:24

基于无线传感器网络的医疗监护系统设计

 

  董 强


              (
中国人民解放军第203医院,黑龙江 齐齐哈尔  161000)

 

 

摘要提出一种基于无线传感器网络的远程医疗监护系统的设计方法,将监护系统分为端节点、协调器、上位机(个人电脑)三个部分。选取人体温度、血压、脉搏、血氧饱和度、呼吸为监控参数,分析参数特性,选择传感器,将每一传感器看作一个终端节点,由终端节点进行数据采集,并将数据传输给控制器进行处理并无线发送给协调器。协调器无线接收、处理来自终端节点的数据,通过串口通信方式传送给上位机,即个人电脑。选取Zigbee协议作为本系统的无线通信协议。对其中的终端节点和协调器做了具体的硬件和软件的设计与仿真,并对设计的系统进行安全问题的分析。

关键词远程医疗;无线传感器网络;Zigbee协议;安全问题

中图分类号:R-33   文献标识:A    文章编号:1007-1547201507-页码-01

 


1.引言

基于无线传感器网络的远程医疗系统可以有效消除地域之间医疗水平的差异,减少患者前往大医院就医的经济负担和旅途辛苦,缩减确诊时间,节约医疗成本,实现对病人的全程监控,方便患者与医护人员进行及时有效的沟通,从而更加及时地对病人进行医治。因此,在建立无线远程医疗系统能够解决因医疗条件差异引起的看病难的问题,对于我国医疗事业发展有着重大的意义。

2.远程无线医疗监护系统设计方案

远程无线医疗监护系统可细化为终端节点、协调器和医疗中心服务器三个部分。终端节点负责利用医学传感器检测病人重要生理参数,主要包括: 体温、脉搏、血压、呼吸、心率、血糖等。终端节点采集完这些参数后将其无线发送给协调器。协调器是全功能设备,能源不受限制,负责建立无线网络,设置网络参数,它接收从其他路由器或终端节点发来的数据,通过处理并适当存储后发到医疗中心。其中,终端节点是能源受限的设备,需采用低功耗设计。

3.系统硬件设计

系统硬件设计包括处理器、传感器的选择及其外部电路的设计。针对实际应用需求、功耗、成本三个方面来考虑处理器的选择。取TI公司的CC2530芯片,系统的终端节点输入电压为4.5V,协调器输入电压为5V,利用LM1117-3.3芯片改善瞬态响应和稳定性,设计选择了MAX3232EUE芯片作为电平转换芯片。

脉搏检测中系统使用SC0073微压薄膜脉搏传感器来采集病人脉搏数据。选用了继电器JQ-SH-103LM作为脉搏传感器的开关,当终端节点处于主动模式下,系统将开关闭合,使脉搏传感器正常工作,当终端节点处于休眠模式下,继电器开关自动断开,实现对脉搏传感器的控制。

人体温度作为家庭医疗监护采集的重要生理参数之一,对其传感器的选择应考虑响应速度,成本是否低廉,连接难度,稳定性等因素。选取热敏电阻传感器为温度传感器,由于其为陶瓷半导体,具有很大的负温度系数,即当温度增加时其阻值减小,当温度降低时阻值增大。具体设计中选取Med-Linket公司的YSI-400系列的医用温度传感器。

呼吸监测元件采用硅压阻式压力传感器,利用四片电阻应变片,连接成测电桥,当人体呼吸时电桥失去平衡,对角输出电压U0改变,达到呼吸监测目的。

血压检测采用间接法中示波法,即采用袖带充气阻断上臂动脉血流。传感器选择ASDX 001,它属于微型结构压力传感器。内置专用集成电路(ASIC)经全面CI校准并有温度补偿。ASDX 001压力传感器采用标准DIP封装,可对传感器偏置、灵敏度、温度系数和非线性度进行数字校正。

测量血氧饱和度时,通过二极管的发光强度及接受的投射光强度计算出全血吸收率,得到血氧值,以降低感染几率,减少人体痛苦,实现无创测量。

4.医疗系统软件设计

系统组网首先进行系统初始化,操作系统初始化通过函数osal_init_system( )来实现;后执行操作系统任务初始化,通过函数osalInitTasks( )来实现,ZDAPP层初始化通过函数ZDApp_Init(taskID++)来实现,设备初始化通过函数ZDOInitDevice( )函数来实现。通过以上初始化后,最后进行网络初始化任务,通过函数ZDApp_NetworkInit(uint16 delay)来实现。

组建一个完整的Zigbee网状网络包括两个步骤:网络初始化、节点加入网络,其中节点加入网络又包括两个步骤:(1)通过与协调器连接入网。(2)通过已有父节点入网。

终端节点组网时,其任务是控制传感器进行参数测量,并接收传感器发来的信号,经处理后,将数据无线发送给协调器,当传输完成后,自动进入休眠模式,当定时器定时结束时,内部中断唤醒CC2530继续接收传感器数据,如此循环。信号采集采用的是中断方式获取,传感器每发送来一个信号,单片机这边就发生一次外部中断,然后在中断服务程序中将计数次数加1。在做外部中断之前,先将各中断使能打开,再在中断服务程序中写入服务函数。当启动终端节点的电源后,终端节点自动加入网络并申请绑定,当与协调器成功绑定后,指示灯亮,终端节点就会自动采集数据并将其传送给协调器。这里面的指示灯都要在hal_board_cfg.h中进行定义。利用CC2530PM2模式完成休眠及唤醒程序设计。PM2模式下,只有一个32k的振荡器是工作的,这时需要外部中断或睡眠定时器来唤醒。当睡眠定时器发生中断后,系统被唤醒,继续休眠前的程序执行下去。

协调器组网即建立网络,然后无线接收并处理终端节点发来的数据,最后利用串口通信方式将数据传输给上位机。在Zigbee协议栈中,协调器与终端节点的明显的不同就是在协调器的文件中包含了f8wCoord.cfgf8Router.cfg的配置文件,配置文件中定义了设备的类型,这样不同设备在网络中就有准确的定位。协调器软件部分的核心就是无线通信与串口通信,无线通信是基于Zigbee协议栈的,所以要严格按照协议栈的规则去编写通信代码,找到协议栈中处理无线发送数据的函数,并将处理后的相应参数和数据交由这个函数处理。

5.系统调试仿真及安全问题分析

系统运行时,将执行中断服务程序。设计中用按键中断来模拟,同时系统需要自动唤醒,即设置睡眠定时器。系统正常工作时指示灯全亮,当进入休眠模式后,指示灯全灭。对于数据链路层安全,Zigbee使用的是AES加密算法;对于网络层安全,传送数据的过程中,利用链接密钥对数据进行加密,对于应用层安全,使用的是链接密钥和网络密钥。

6.结论

本文提出了可行的基于无线传感器网络的远程医疗监护系统的设计方案,系统自动采集病人的实时生理信息,并能及时发送给医疗人员,而且系统应用无线设备,减轻病人的心理压力,使检测到的信息更为真实,节约能源,节省开销。由于受到体积、功耗方面的限制,设计需要在通用模拟接口方面、信号滤波方面急需改进,增加具有简单控制功能的节点,用于实现远程控制功能,使传感器网络不局限于测量领域。

 

参考文献

[1] 张利江,郭进利,宋亚娟.远程医疗监护的现状与发展[J]. 新农村,2011(2)138-139.

[2]  Ali S, Qaisar S B, Saeed H, et al. Network Challenges for Cyber Physical Systems with Tiny Wireless Devices: A Case Study on Reliable Pipeline Condition Monitoring[J]. Sensors, 2015, 15(4): 7172- 7205.

[3] 廖菁,杨建萍,朱文勇,等.远程医学教育系统的研究与应用[J].实用医院临床杂志,20118(6):203-205.


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