基于ZigBee的人體健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

張玉++姚凱學(xué)

摘 要：基于ZigBee技術(shù)的人體健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涵蓋了對脈搏、血壓、體溫等參數(shù)的采集，并通過無線方式進行傳輸。在監(jiān)控中心建立以社區(qū)人員為中心的電子健康檔案，為人體的健康提供數(shù)據(jù)支撐。通過電子健康檔案來滿足醫(yī)生對所需數(shù)據(jù)的要求，通過分析用戶電子健康檔案存儲的數(shù)據(jù)信息來了解其日常的活動狀況，加強醫(yī)生對患者的了解，從而開啟因人而異的治療方式。

關(guān)鍵詞：ZigBee；數(shù)據(jù)采集；無線傳輸；健康檔案

中圖分類號：TP273.5 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

隨著居民生活水平的提高、人口老齡化的加速與下一代健康安全問題的日益突出，老人和兒童的健康監(jiān)護需求不斷加大。目前的醫(yī)療資源與水平無法滿足這種需求。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的快速發(fā)展，其在遠(yuǎn)程醫(yī)療領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮了無可替代的重要作用[1]。目前，在國外已有科研人員將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，對被監(jiān)護者的心電信息進行實時采集、監(jiān)護[2]，也有將ZigBee應(yīng)用于智能家庭醫(yī)療保健的方案。而在國內(nèi)，市場上采用無線傳感器和ZigBee技術(shù)對家庭健康數(shù)據(jù)進行采集的相關(guān)產(chǎn)品還不多。

基于Internet的社區(qū)健康遠(yuǎn)程監(jiān)護數(shù)據(jù)采集方式是研究開發(fā)的熱點問題?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)建立的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護數(shù)據(jù)采集儀就可以讓患者在社區(qū)享受到大型醫(yī)院的常規(guī)檢查，減少排隊現(xiàn)象。還可以提高醫(yī)生看病診斷的效率，加強居民對自身狀況的了解，更正不正確的生活方式與不健康的生活習(xí)慣，以達到做好疾病預(yù)防、提高居民健康水平、減少醫(yī)療機構(gòu)壓力的目的。

本文以物聯(lián)網(wǎng)和云計算為依托，提出了基于ZigBee無線技術(shù)的遠(yuǎn)程健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與社區(qū)醫(yī)院結(jié)合，面向患有心臟病、高血壓的老人及其他需要實時監(jiān)護的病人，完成對人體生理參數(shù)的采集、上傳，并將詳細(xì)數(shù)據(jù)提供給醫(yī)生以方便醫(yī)生進行診斷。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

系統(tǒng)主要由健康數(shù)據(jù)采集傳感器、ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)、智能終端、云平臺組成，通過傳感器采集人體生理參數(shù)并進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，再通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，將人體生理參數(shù)傳送至云平臺，在云平臺上進行數(shù)據(jù)存儲與分析，從而實現(xiàn)對人體各項生理數(shù)據(jù)進行實時傳輸、實時監(jiān)測的功能。

1.1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee網(wǎng)絡(luò)通常由協(xié)調(diào)器（Coordinator）節(jié)點、路由器（Router）節(jié)點、終端設(shè)備（End Device）/傳感器節(jié)點[3]組成。協(xié)調(diào)器用來建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并為加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)需要且只需要一個協(xié)調(diào)器；路由器可以起到路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的作用，又可以作為數(shù)據(jù)節(jié)點，還可為加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址[4]。

ZigBee技術(shù)具有短距離、低功耗、抗干擾性較強等特點，適用于遠(yuǎn)程健康數(shù)據(jù)采集平臺。無線信號基于CC2530芯片構(gòu)造的無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸，采用Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。點對點的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢宰詣咏鬏斁W(wǎng)絡(luò)。Mesh網(wǎng)絡(luò)可使數(shù)據(jù)經(jīng)由多個節(jié)點傳輸，從而使付出的功率代價最小。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

本文中的無線傳感器節(jié)點主要將生理信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號，并進一步轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過無線通信的方式將生理信號的數(shù)據(jù)發(fā)送到上層（中繼）節(jié)點。中繼節(jié)點把接收到的數(shù)據(jù)信息按照地址傳送、轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過Internet或串口與監(jiān)護中心相連，將接收到的數(shù)據(jù)信號傳送至PC機，提供給醫(yī)護人員方便其分析與診斷。系統(tǒng)整體設(shè)計如圖2所示。

ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，主要實現(xiàn)對各傳感器終端設(shè)備的控制及對終端傳感器數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)發(fā)，及時將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時存儲與監(jiān)護。

ZigBee協(xié)調(diào)器在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能存在一個，其主要負(fù)責(zé)建立和初始化ZigBee網(wǎng)絡(luò)及確定ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作及網(wǎng)絡(luò)地址分配等。

ZigBee路由設(shè)備作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)從終端節(jié)點到ZigBee協(xié)調(diào)器的中轉(zhuǎn)工作，并為數(shù)據(jù)傳輸開辟了更為有效的路徑。

由于傳感器采集模塊具有低功耗、輻射小、抗干擾性強等優(yōu)點，因此人體可直接佩戴，通過傳感器來采集人體相關(guān)信息[5]。

為降低系統(tǒng)功耗，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的傳感器設(shè)備采用簡化功能設(shè)備（Reduced Function Device，RFD）器件來設(shè)計，ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器采用全功能器件（Full Function Device，F(xiàn)FD）設(shè)計，可有效減少不必要的功耗。

2 硬件設(shè)計

2.1 生理數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計

生理數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是進行人體生理數(shù)據(jù)采集，通過與之相連的無線傳輸模塊將生理數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，進而發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

數(shù)據(jù)采集終端采用德州儀器（TI）的CC2530芯片，內(nèi)置MCU8051單片機，負(fù)責(zé)天線與上層節(jié)點通信。當(dāng)接收到上層發(fā)送過來的測量命令時，向傳感器模塊傳達采集命令并接收測量數(shù)據(jù)。生理數(shù)據(jù)采集終端如圖3所示。

當(dāng)傳感器采集到人體生理參數(shù)后，通過ZigBee模塊內(nèi)置的CC2530單片機的AD模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)無線模塊RF射頻部分將數(shù)據(jù)發(fā)送至路由節(jié)點或者ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)。CC2530芯片外圍電路的接線如圖4所示。蜂鳴器部分的電路如圖5所示。

2.2 ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)設(shè)計

ZigBee無線網(wǎng)關(guān)主要實現(xiàn)ZigBee數(shù)據(jù)報文與以太網(wǎng)報文的雙向轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)設(shè)計ZigBee和TCP/IP兩種不同的協(xié)議格式，因此需在網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中將ZigBee數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為TCP/IP數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在兩個網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸。

本設(shè)計采用三星生產(chǎn)的S3C6410芯片作為網(wǎng)關(guān)處理器。S3C6410是三星公司基于ARM11內(nèi)核推出的一款高性價比、低功耗的16/32位RSIC微處理器[6]。該處理器為了提供更好的硬件性能，采用由AXI＼AHBT APB總線組成的64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)。它還內(nèi)置了許多強大的硬件加速器，具有音頻處理、視頻處理、二維圖形加速、顯示處理等功能[7]。其芯片內(nèi)部集成1個LCD控制器，支持TFT-24 bit真彩色帶有觸摸屏的液晶顯示屏，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功能的計數(shù)器和1個內(nèi)部時鐘，全功能的SPI，I2C總線接口，I2S數(shù)字音頻總線接口，3個PLL，看門狗計數(shù)器，USB OTG，USB HOST，3通道MMC/SD等[8]。ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)框圖如圖6所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體流程及節(jié)點流程

當(dāng)有新的終端節(jié)點申請加入時，會搜索整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并向與其對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)申請加入，成功加入后處于等待狀態(tài)（上層給終端節(jié)點的指令）。當(dāng)接收到上層指令時，進入工作狀態(tài)，采集人體的生理數(shù)據(jù)，并由路由器節(jié)點/協(xié)調(diào)器節(jié)點傳送至ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)，進行人體生理數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控[9，10]。系統(tǒng)整體流程如圖7所示。

在系統(tǒng)運行之前，所有終端設(shè)備都會進行初始化End-Device init（）操作，當(dāng)收到上層指令時開始采集數(shù)據(jù)。節(jié)點工作流程如圖8所示。

3.2 軟件校正

文中的人體生理傳感器包括體溫、脈搏、血壓等。由于溫度傳感器DS18B20測量的數(shù)據(jù)有一定誤差，使用算法對其在軟件上進行校正。校正的方法采用常用的數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)——最小二乘法。

最小二乘法通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，可以簡單求得未知數(shù)據(jù)，并使這些求得的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和最小。假設(shè)給定m個點集（xi，yi）（i=0，1，2，…，m），其中xi為測量值，yi為真實值，最小二乘法即求與給定的m個點距離平方和最小的曲線y=ax+b。

（1）

將y=ax+b帶入式（1），當(dāng)最小時，可求對a、 b的偏導(dǎo)數(shù)，得到a、b的值。由此得出測量值與真實值之間的線性關(guān)系。

（2）

（3）

4 以溫度為例采集數(shù)據(jù)

以溫度為實例采集數(shù)據(jù)，DS18B20傳感器在開啟后需要一段測量時間，由圖9可知體溫在150 s后趨于穩(wěn)定。數(shù)據(jù)為經(jīng)過最小二乘法在軟件上做修復(fù)的數(shù)據(jù)。由此可知，終端節(jié)點可以較準(zhǔn)確的測量出人體體溫。

5 結(jié) 語

本文提出了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的人體生理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由傳感器終端節(jié)點、ZigBee路由器、ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)四部分組成。本文給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，并為之建立了一個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。文中構(gòu)建的基于ZigBee的人體健康數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能提供給用戶更多的生理信息，方便用戶隨時了解自身的健康狀況。

參考文獻

[1]謝昕.基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程家庭健康監(jiān)護傳感器網(wǎng)絡(luò)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011.

[2]蔡利婷，陳平華，羅彬，等.基于CC2530的ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2012（11）：197-200.

[3]孔維康，陶帥，汪祖民.基于ZigBee的養(yǎng)老院健康監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2016，24（1）：95-98.

[4]胡小海.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2014.

[5]鄭凱.基于ZigBee無線傳感器技術(shù)的心電監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)的研究[D].長春：吉林大學(xué)，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.基于嵌入式開發(fā)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[8]李強.基于S3C6410智能家居網(wǎng)關(guān)的技術(shù)研究與設(shè)計[D].西安：西安科技大學(xué)，2014.

[9]孟琳，陳萬忠，韓雙雙.基于ZigBee技術(shù)的社區(qū)醫(yī)療管理系統(tǒng)[J].微計算機信息，2009，25（20）：6-7.

[10]李學(xué)明.基于ATMEL9260的嵌入式生理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].西安：電子科技大學(xué)，2011.