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无线传感器网络在医疗中的应用

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无线传感器网络在医疗中的应用

摘要

无线传感器网络（wirelessSensorNetworks，WSN）是由大量的密集部署在监控区域的智能传感器节点构成的一种网络应用系统。

在改变世界的十大新兴技术中，智能无线传感器网络名列第一，并被认为是未来将掀起新产业浪潮的四大高新技术之一。

无线传感器网络在军事领域、农业领域、环保监测领域、建筑领域、医疗监护领域、工业领域、智能家具领域、空间和海洋探索等领域中都得到了广泛的应用。

本文介绍了一种基于无线传感器网络技术的嵌入式远程医疗监护系统。

重点介绍了系统的结构，节点设计以及硬件实现方法。

关键词：

无线传感器网络节点协议远程监护

1引言

近年来随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展，作为现代信息获取的重要技术之一，传感器技术日益成熟，这些小型传感器一般称作sensornode（传感器节点）或者mote（灰尘）。

无线传感器网络（wirelessSensorNetworks，WSN）就是由大量的密集部署在监控区域的智能传感器节点构成的一种网络应用系统。

传感器网络具有越来越大的影响力：

它将物理世界和信息技术连接起来；具有改造社会的潜力，在改变世界的十大新兴技术中，智能无线传感器网络名列第一，并被认为是未来将掀起新产业浪潮的四大高新技术之一。

由此，传感器网络已经引起国内外科技界和工业界的高度重视。

无线传感器网络在军事领域、农业领域、环保监测领域、建筑领域、医疗监护领域、工业领域、智能家具领域、空间和海洋探索等领域中都得到了广泛的应用。

目前的医疗监护仪器可以分为两类，一类是指在医院内由职业医生或专业技术人员使用的专门仪器，对病人进行生理指标的监护;另一类是在普通人员的家庭内或者户外，在医生的指导下，由病人本人或者家属使用远程医疗监护系统对病人进行监护，所得到的生理指标将及时传送给相关医生。

目前，医院所使用的监护方法，大多使用固定的医疗监护仪，连接设备将传感器探头连接在病人与监护设备之间进行信号的传递。

复杂的设备，众多的连线，会造成病人心理上的压力和紧张情绪，可能会影响病人身体状况，使得诊断所得到的数据与真实情况有一定差距，给病人和医护人员都带来不便，可能会影响对病情的正确诊断。

随着社会老龄化的加剧，解决长期慢性病的监护成为重要的社会问题。

一些突发性疾病和家庭保健，如心血管疾病、老人的日常护理、孕妇、胎儿、婴儿、幼儿的保健也需要长期的家庭监护。

由于我国医疗资源紧缺，研究基于公用网络的家庭医疗监护，建立小区医疗网络，利用远程医疗监护系统可以提高医疗服务水平，减轻病人负担。

以往的解决方案是采用有线方式或简单的无线数据发射接收方式。

被监护者身上安装的传感设备难以自由灵活地移动和接入，系统没有扩展性，成本高。

Zigbee技术的出现为传感器信号的无线传输提供了新的解决方案。

Zigbee节点有几十米的覆盖范围，且可以增加路由节点，扩展覆盖范围，因此适用于家庭住宅。

同时由于生理监护信号的数据传输流量不大，传输速率为250kbps的Zigbee能够满足生理数据传输要求。

Zigbee传感节点可自由灵活地加入和离开网络，相对具有低功耗和低成本的特点。

本文主要阐述无线传感器网络医疗监护系统的体系结构以及监护节点设计的一般原则。

2无线传感器网络的体系结构

典型的无线传感器网络整体结构

如图1所示，在监测区域内布置大量传感器节点，节点间采用自组织方式进行组网以及利用无线通信技术进行数据转发，每个节点都具有数据采集与数据融合转发双重功能。

节点对本身采集到的信息和其它节点转发给它的信息进行初步的数据处理和信息融合之后以相邻节点接力传送的方式传送到基站，然后通过基站以互联网、卫星等方式传送给最终用户。

节点的组成

在不同应用中，节点的组成略有不同，但都包括以下基本单元:

传感器单元（传感器及相关信号调理和数模转换等）、处理单元（CPU、存储器、嵌入式操作系统）、通信单元及电源（包括相关电源管理）。

此外还可以有其它功能单元:

定位系统、移动系统、执行机构、电源自供电装置及复杂信号处理（包括声音、图像、数据处理及信息融合），可以根据不同的应用做出取舍，如图2所示。

图2节点的组成

3基于无线传感器网络的远程医疗监护体系结构

远程医疗监护系统构成

3.1.1远程医疗监护系统总体功能框图

远程医疗监护系统的体系结构如图3所示。

系统由监护基站设备和Zigbee传感器节点构成一个微型监护网络，传感器节点上使用中央控制器对所需要监测的生命指标传感器进行控制来采集数据，通过Zigbee无线通信方式将数据发送至监护基站设备，并由该基站装置将数据传输至所连接的PC或者其他网络设备上，通过Internet网络可以将数据传输至远程医疗监护中心，由专业医疗人员对数据进行统计观察，提供必要的咨询服务，实现远程医疗。

在救护车中的急救人员还可通过GPRS实现将急救病人情况的实时传送，以利于医院抢救室及时地做好准备工作。

医疗传感器节点可以根据不同的需要而设置，因此该系统具有极大的灵活性和扩展性。

同时，将该系统接入Internet网络，可以形成更大的社区医疗监护网络、医院网络乃至整个城市和全国的医疗监护网络。

图3远程医疗监护系统的体系结构图

本系统还具有良好的扩展性。

例如:

医护人员在急救途中或是在其他医院可以分别利用WLAN/UMTS网关和互联网与系统进行信息交互。

3.1.2中央信息处理控制中心

如图4所示，中央信息处理控制中心由监控模块、配置模块、数据库三个部分组成。

通过公共网络与汇节点连接在一起，该模块及时地接收汇节点发送来的各种信息，并对接收到的信息进行分析处理，根据不同的信息类型完成相应的操作，实现对分布式汇节点上报信息的及时接收、分析、处理以及向具有不同编号ID的汇节点发送控制信令，实现对传感器节点的间接、全方位的监控和数据采集。

公共网络

控制台主机

数据库

显示终端

图4信息中心模块图

家庭监护网络体系结构设计

3.2.1远程家庭监护系统对网络的要求

家庭监护网络需要考虑能耗、覆盖面、传输速率和互联网进行通信等因素。

系统采用基于Zigbee技术的无线网络实现在室内对生理信号的采集，通过互联网将生理数据传输到远程监护服务器。

人体携带可移动生理信号传感器终端，在网络的可覆盖范围内活动，通过网络内的路由节点接入互联网。

Zigbee网络具有自组织、动态路由、网络节点少等特点。

同时Zigbee网络考虑了节点的能量节约，减少节点处理器的计算负担等问题。

医院或社区的医生可以随时通过互联网查看患者的生理信息，可以对生理传感器的采集方式进行控制。

同时也可以获得无线网络中其他监护设备的信息。

3.2.2远程家庭监护网络体系结构

远程家庭监护网络体系结构如图5所示。

Zigbee无线系统主要由Zigbee无线传感器节点（温度传感器节点）、若干个具有路由功能的无线节点和zigbee中心网络协调器（连接家庭无线网桥）组成。

无线网桥连接zigbee无线网络与以太网，是家庭无线网络的核心部分，负责无线传感器网络节点和设备节点的管理。

图5远程家庭监护网络体系结构

温度传感器节点可以通过节点向网关发送数据。

由于被监护者在家庭内自由活动，所以其携带的传感器节点的路由可能是动态变化的。

所设计的Zigbee无线节点的室内通信距离为30～60m，节点可根据房间的分布进行布置，以能够最大程度地覆盖活动区域。

温度生理数据经过家庭网关传输到远程监护服务器。

远程监护服务器负责温度生理数据的实时采集、显示和保存。

其他的监护信息如监护图像、安全设备状态等也可以传输到服务器。

医院监护中心和医生可以登录监护服务器查看被监护者的生理信息．也可以远程控制家庭Zigbee无线网络中的传感器和设备，从而在被监护病人出现异常时，能及时检测到并采取抢救措施。

被监护者的亲属等也可以登录监护服务器随时了解被监护者的健康状况。

4监护系统硬件设计

传感器节点设计关键技术

医疗无线传感器节点主要功能为采集人体生理指标数据，或者对某些医疗设备的状况或者治疗过程情况进行动态监测，并通过射频通信的方式，将数据传输至监护基站设备。

医疗传感器节点框图和处理器单元如图6所示。

医疗传感器模块

CPU

ZigBee通信模块电源

电源

图6医疗传感器节点框图

医疗传感器节点主要包括4部分：

生理信息与数据采集单元、无线数据通信单元、处理器单元、电源。

处理单元主要分为五个部分：

CPU、存储器、AD转换、测试带和数码显示屏。

根据低功耗和处理能力的需要，可以采用TI公司的MSP430系列单片机；存储器部分主要用于存储传感器所采集的临时数据，在处理器将数据传输之后，传感器节点内不做数据的大量存储；用ADC12和DAC12对测试带传过的模拟信号进行转换。

工作原理：

首先由控制单元发出开始监测某项生理参数的指令，然后通过无线数据通信单元把指令发给生理信息与数据采集单元对人体生理信号（体温、血压、脉搏、血氧等，本文主要是体温信号）进行采集后通过无线数据通信单元将数据传给控制和显示单元中的信息处理模块控制和显示单元，一方面对接收到的数据进行处理和显示，另一方面将结果数据存人数据库供检索和回放。

节点的核心是无线数据通信单元和生理信息与数据采集单元。

以下简要介绍这两个单元：

4.1.1无线数据通信单元

在医院应用的医疗监护设备对电磁辐射的要求都很高，对于设备来讲，辐射的电磁波既不能够干扰其他设备正常工作，同时也应具有一定的抗干扰能力，不受其他设备辐射出的电磁波干扰。

因此，在医院或者使用无限通信的家庭医疗设备在设计中必须对此方面进行考虑。

系统中所使用的射频通信采用的通信标准为标准，该标准专门针对近距离高速数据传输，具有较高的数据纠错和抗干扰能力。

并且，系统对无线信号的工作强度进行了控制，使得在正常状态下，信号强度能够满足通信的需要而且不会有过多的浪费，一方面节省了系统的能量，另一方面也降低了无线通信过程对于其他设备的干扰。

系统所设计的射频通信装置使用以CC2420芯片为核心的射频通信模块。

该芯片是美国Chipcon公司生产的，是一款低功耗无线收发芯片，尤其适合工作于低功耗、低电压的无线通信设备中。

该芯片工作在的免费ISM频段，射频收发符合标准，能够满足本系统射频通信的需要。

无线传感器节点的结构框图如图7所示。

传感器模数转换

无线发射/接受模块

电源

处理器

存储器

图7Zigbee无线传感节点结构框图

4.1.2生理信息与数据采集单元

系统中的医疗传感器模块主要实现了测量体温的功能，体温测量可以集成北京迈创公司所生产的YSI体温探头。

在此系统的设计中，无线节点为传感器扩展留出了丰富的接口，如果需要其它类型的生理指标数据，如血压、血氧、心电等数据，则只需要将相应的传感器接入预留的接口，就可以形成新的无线传感器节点，开发相应的嵌入式控制及处理软件，就可以将节点直接加入到该无线传感器网络中。

无线网关

网关负责无线传感器网络的控制和管理，实现信息的融合处理，并将信息传输到互联网。

网关的数据传输和运算量较大，可以采用外部电力作为电源供应，因市面上有很多成熟的网关成品，因此这里选用具有较强的信息处理能力和网络功能的ARM9系列作为控制器的网关。

图8无线网关硬件结构图

监护基站设备设计

图9所示是本文设计的医疗监护基站设备的结构框图。

本系统主要实现的功能是采集并显示测试得到的数据信息，同时将数据信息进行适当存储和网络转发，系统中将监护基站设备设计成一种手持设备，同时监护基站设备可以和系统中的多个传感器节点进行通信以完成数据的采集和显示等功能。

在使用过程中，监护基站设备通过无线信道向传感器节点发送控制命令来启动传感器节点，传感器节点接收到命令后进行相应的数据采集动作，采集人体生理指标数据，采集结束后通过无线通信的方式将数据返回到监护基站，由监护基站进行进一步的显示、存储等操作。

必要时，监护基站设备可以通过网络将数据传输到远程服务器端。

医疗监护基站设备主要包括:

处理器、存储器、人机交互模块、通信模块接口等几个部分。

医疗监护设备的主处理器可以采用TI公司的MSP430系列的低功耗处理器，该系列处理器具有超低功耗、处理速度高、接口丰富等特点，非常适合用于需要超低功耗以及高速的嵌入式设备。

人机交互接口包括用户输入指令的键盘以及显示数据结果和操作过程的LCD显示屏两个部分。

操作键盘

显示屏

人机接口

存储器

处理器

电源

Modem

射频模块

RS-232

通信接口

GSM

短消息

图9监护基站设备结构框图

为了增强系统的适用性和兼容性，监护基站设备上设计了多种通信模块接口，其中包括RS-232接口、modem接口模块、GSM短消息接口模块和射频接口模块。

其中射频接口模块用于和系统内无线传感器节点进行近距离通信，其他通信接口用于和主机服务器进行通信。

例如，在家中没有Internet网络接入的情况下，用户可以使用modem模块接入电话线进行拨号，将数据传输至服务器端。

在户外没有其他连接方式的情况下，用户可以使用GSM短消息的方式，将数据传输至服务器端。

当处于医院或者社区医疗中心的服务器端接收到监护基站设备所发送来的数据信息的时候，则可以对数据进行存储以及必要的分析，医生则可以根据这些数据进行相应的判断和处理。

对于在家中使用的医疗监护设备，用户还可以根据需要，通过RS-232接口，将设备连接在家中的PC机上，这样，就可以将监护基站设备的数据传输至计算机中，进行更灵活的管理，家庭成员可以根据数据自己判断被监护人员的身体状况，同时也可以将数据传输到主服务器上，由专业医疗人员析管理。

监护基站设备在正常工作状态下使用电池进行供电，因此在设计过程中尤其注意了低功耗的管理与控制。

在不工作的时刻，系统会进入低功耗以及休眠状态来节省系统能量。

小结

本文介绍了无线传感器网络在医疗远程监护中的简单应用。

利用高频率的无线多通道数据传输方式，传递医疗传感器与监护控制仪器之间的信息，减少监护设备与医疗传感器之间的连线，使得被监护人能够拥有较多的自由活动空间，在获得较准确的测量指标的同时，免除病人在家庭与医院之间奔波的劳苦。

同时，如果在医院病房内建立无线监测网络，很多项测试也可以在病床上完成，能够极大地方便病人就诊，并加强医院的现代化信息管理和工作效率。

另外，本系统还具有高度的灵活性和扩展性，通过Internet可以使远离医院等医护机构的病员也随时能够得到必要的医疗监护，并且在必要的时候得到远程医生的咨询指导。

当无线远程医疗系统发展成为一个成熟的医疗产品时，传统的医疗模式将被打破，一种全新的基于互联网的医疗监护体系将会形成——它以医院为核心，面向社区、家庭与个人，通过互联网联系组成一个有机整体，保证人们无论在医院内、院外甚至偏远地区均能得到及时、有效、专业的医疗诊断和治疗，从而大大提高医疗水平，使人们的生活质量越来越好。

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