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基于ZigBee的无线医疗监测系统设计

王雪静

【摘要】远程医疗在人类社会未来的发展过程中扮演着举足轻重的作用.设计基于

ZigBee技术的无线医疗监测系统,可以在远距离范围内实现对病患身体特征进行实

时动态监测,极大改善医疗环境,提高工作效率,减少人力资源浪费,最终实现医疗资源

的共享.ZigBee具有节点功耗低、定位精度高及安全可靠的特点,将其引入到无线

医疗检测系统中,既满足多用户之间的信息共享,还可以给用户以更加直观的动态交

互效果.

【期刊名称】《长春大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2019(029)004

【总页数】5页(P14-18)

【关键词】ZigBee技术;无线医疗;监测系统

【作者】王雪静

【作者单位】郑州工业应用技术学院医学院,郑州451100

【正文语种】中文

【中图分类】TP274

1ZigBee无线网络技术的应用概述

1.1ZigBee无线网络协议栈

ZigBee无线网络协议栈是按照层顺序堆叠的多模块集合，每个模块所起的作用是

为上一级模块提供服务，全部过程由数据实体传输数据，完成服务指令。而其余功

能均由管理实体负责，还有服务实体来实现对上级提供接口，通过与接口接入各模

块，完成各模块对应的功能。ZigBee协议栈的分层结构决定这些数据只能在相邻

的层级之间实现流动。分层结构的设计基于标准的开放式系统互联(OSI)参考模型，

结合无线网络的协议特点，由IEEE802.15.4规范物理层和介质访问控制层构架。

ZigBee深刻阐述了网络层和应用层的构架，指出应用层主要包含了应用程序对象、

ZigBee设备和应用程序支持子层。ZigBee无线网络的物理层分别由2.4GHz高频

率层、868MHz和915MHz低频率层两种不同频率组成，低频率层主要在美国使

用，高频率层在全球范围内通用。

1.2ZigBee设备类型及拓扑结构

ZigBee协调器在不同的ZigBee网络均具有一大特点，即唯一性。ZigBee网络可

以通过网络配置参数来调整网络的稳定性。在此过程中完成网络与网络之间的连接

工作，使不同的网络之间能够保持正常通讯状态。ZigBee路由器在通信设备之间

起到路径搭建的作用，并能保证路径上数据信息的转发，通过调整拓扑的网状或树

型结构来实现对网络功能的扩展。需要注意的是，在ZigBee网络中，星型结构被

禁止使用。ZigBee终端设备主要负责完成ZigBee网络的功能，该设备具有低功

耗的特点，一般情况下只需要完成该网络中既定的目标。

1.3ZigBee技术特点

与GPS、蓝牙等无线传输技术相比，ZigBee技术具有省电且传输速率低的特点，

其传输速率一般为10kbps～250kbps之间。可以充分满足低速率传输速率的应

用设计，在工作状态下，ZigBee技术发射功率只有1mW，并且ZigBee在不工

作时可以调整到休眠模式。ZigBee网络耗电量相对较少，两节五号电池就可以满

足ZigBee设备较长时间的使用。当前，ZigBee协议对使用者是完全公开免费的，

且ZigBee模块的成本较低，极大降低了无线医疗监测系统的开发成本，使研发经

费可以更多应用在其他部分的优化与创新。激活休眠状态下的ZigBee模块只需要

15ms，ZigBee模块在通信中的时延也只有15ms，有利于无线医疗监测系统的精

细操作和反应时间的控制。搭建ZigBee网络中具有一个主节点和若干个字节点，

一个主节点可以组成多达65000个节点的大网络，ZigBee具有庞大的网络容量，

以满足无线医疗监测系统使用需求。

2基于ZigBee的无线医疗监测系统设计与实现

在设计ZigBee网络无线医疗监测系统时，要使系统能在远程范围内对病房内病患

的身体状况进行监测。既要求其独立于其他医疗设备，还需要防止受到或产生电磁

干扰。对于无线医疗监测系统设计，系统需要建立数据采集终端，且该终端的电源

系统是独立的，主要是为了避免通讯设备的接引电源出现供电不足的现象。由于

ZigBee设备在设计中实现了低能耗，因此，需满足数据传递终端独立电源的要求。

ZigBee网络一般是由传感器收集人体健康信息，再由上位机传递给监控中心主机，

从而实现实时监测病患的身体特征。

2.1无线医疗监测系统组成及结构

建立起基于ZigBee技术的无线医疗监测系统后，各监测传感器离散分布于

ZigBee无线网络中，并按照既定的ZigBee协议完成设备与设备之间信息传递工

作，达到实现数据传输的目的。该数据传输方式低能耗且高效率，这些设备一部分

具有信息采集节点作用，一部分承担信息汇聚节点作用，还有一部分承担网络协调

节点功能。在基于ZigBee技术的无线医疗监测系统中，按层级构架组网，从上至

下分别由监控主机、上位机以及ZigBee无线传感网组成，属于典型的树形拓扑结

构。在底层分布着路由器节点和各传感器终端节点，监控中心与ZigBee网络之间

使用上位机连接。监控中心将获取到的信息通过自带的传输系统传递给上位机，上

位机将数据打包传递给ZigBee网络。

2.2无线医疗监测系统工作原理

图1监测系统的硬件结构

在基于ZigBee技术的无线医疗监测系统中，协调器主要实现网络建立、控制命令

发送的功能。路由器和终端节点将温湿度、电压/电流值等不断传递给协调器，协

调器通过RS-232串口与上位机相连。其中，RS-232接口是PC机常用的通信接

口，将机房内环境数据和设备运行状态传送给上位机。天线作为IEEE802.15.4和

ZigBee网络协议框架下无线通信的关键设备，可以将其看作为无线电磁波的入口

和出口。在ZigBee无线网络中，天线的辐射网络要求为全向，一般情况下使用倒

F天线和折叠偶极子天线。

2.3无线医疗检测系统中硬件部分的设计

基于ZigBee网络技术

的无线医疗监测系统如图1所示。主要设计无线网络和外围设备两大部分，具体

包括三大模块：数据/传输模块、传感器，模块和电源模块。数据处理/传输模块一

般选取CC2430芯片，既可以兼容8051内核，也可以兼容ZigBee网络通信协议，

而且具有稳定性方面的优势。无线医疗监测系统的传感器又分为温度传感器、湿度

传感器、热释电红外传感器和压力传感器等4个传感器。电源模块主要选用能耗

低，电压低的电源芯片，能有效降低硬件系统运行中的电消耗量。

无线医疗检测系统必须具备定位系统并能准确获取移动节点的位置信息，快速将信

息传递给相应的数据处理系统。无线医疗检测系统的定位系统根据不同功能，将各

硬件节点分为移动节点、参考节点和网关节点三大类，一般是被检测者的移动终端

中安装定位信息发射源，系统通过各节点之间信息的传递和处理，确定被检测者的

位置，然后采集相关信息数据。

无线医疗检测系统的前体模块是数据处理/传输模块，为整个检测系统提供大量数

据，保证监测系统能够全面检测人体各项指标。基于人体健康检测系统的特点，数

据采集模块选取的主要控制芯片必须具备能耗低、可靠性高和运行速度快等特点。

该芯片能采集人体体温、脉搏次数等多个人体生理参数。以MSP430F449单机片

为例，如图2所示。该单片机是一种低功耗的16位单片机，具有IO多、资源量

多、储存空间大等特点，能方便资源扩容，优化MSP430单片机仿真调试功能。

如图2所示，MSP430F449单机片芯片中，XTAL1和XTAL2主要起到时钟脉冲

功能作用，能保证整个系统定时启动或完成某项工作。JTAG口为整个模块提供调

试接口和下载接口，整个单片机还含有4大模块，完成温度采集、脉搏采集、数

码管显示数据等工作。单片机将采集到的信息完整的通过窗口传递至ZigBee网络

系统的传感器上。经过处理后根据通信协议传递至控制终端进行处理并记录数据，

为人体健康情况提供数据参考。

图2MSP430F449结构图

脉搏与人体心脏跳动频率一致，正常成年人的脉搏频率范围是60～100次/min，

平均约为72次/min。老年人相对慢一些，睡眠、运动和激烈的情绪变化也会影响

脉搏频率。脉搏检测也是评估人体健康状况的一项指标。MSP430F449单机片芯

片中，脉搏测量模块主要是该芯片中含有透射式光电脉搏传感器。传感器中同时包

含红外发射二极管和红外接收二极管，在测量被测者脉搏时，只需要被测者将手指

缝在红外发射二极管和红外接收二极管中间即可开始测量。红外发射二极管主要是

将电能转化成红外光，红外接收二极管主要是将光信号转化为电信号。红外光透过

人手指时，系统经过手指的透光度数据，经过计算机分析确定人体的脉搏信号。手

指的透光度越低，说明人体的脉搏值越高，因为灯红外光透过手指时，手指中脉搏

震动带动血液吸收一部分红外光，震动频率越高，吸收越多。因此，光敏二极管的

信号输出，能够间接反映人体脉搏值的变化情况。

无线收发模块也是无线医疗监测系统的重要模块之一。经过多典型通信芯片参数对

比之后，确定ZigBee无线数据传输芯片是CC2530型号芯片。如表1所示，该

芯片有多个不同的储藏空间，性能高、能耗低，能有效节省成本。CC2530型号芯

片有4大功能，微控制器功能能以128KB编辑闪存，支持在线仿真调试，开发期

短。超低功耗，可以调节电流，切换工作模式达到性能与功耗平。RF/布局功能，

抗干扰能力强，输出功率可以控制，不需要借助外围器维持芯片功能。片内外设含

有21个IO引脚，2个串口，AES协处理器，8路12位ADC，内置温度传感器，

电池监视器，数字化RSSI/LQI，看门狗，5通道DMA，IEEE802.15.4MAC定

时器，通用定时器，32-kHz睡眠定时器，硬件支持CSMA/CA，IR发生电路。

表1典型通信芯片参数比较表类型窄带宽带嵌入式SOC厂家型号

TICC1100NordicNrf2401TICC2420FreescaleMC13192EMBEREM250TICC243

0TICC2530JennicJN5121最大数据功率(kb/s)55接

收功耗(mA)16.618/2519.73422.5272450发送功耗

(mA)161317.43419.0252945关断功耗(uA)0.30.41110.60.411调制方式

DSSSGFSKDSSSO-QPSKO-QPSKO-QPSKO-QPSKO-QPSK接收灵敏度(dBm)-

110-90-95-92-94-92-97-90信息包检测有有有有有有有有安全支持AES无

128bitAES无AES128bitAES128bitAESAES误码检测有有有有有有有有时间同

步PacketPacketSFDSFDSFDSFDSFDSFD定位RSSI/LQI无

RSSI/LQIRSSI/LQIRSSI/LQIRSSI/LQIRSSI/LQIRSSI

3无线医疗监测系统的软件设计

基于ZigBee技术的无线医疗监测系统，在软件设计过程中需要充分考虑到数据采

集和串口通信的功能。为减少系统研发中的工作量，一般将SimpleApp程序作为

IAR集成开发环境设计的模板，还需要建立SerialAPP程序。在系统的应用层软件

设计中，需要合理安排各协调系统应用层的程序功能排布结构。在网络液晶屏中显

示系统的运行现状，并接受上位机的命令信息和参数配置信息，将系统在运行过程

中收集到的环境监测数据，以特定的格式经过应用层传输给上位机。上位机通过串

口处接收的数据传输到中的相应节点处，并从节点处得到的数据转发的串口。终

端节点系统应用层程序需要接收来自协调器传输的数据，也通过移动终端节点传输

出其他数据。终端节点系统存储数据传输的配置信息，也接收数据采集模块。传输

过来的采集信息和设备参数信息，将信息打包转化成特定的格式，送至协调器。信

息包中还包含了远程病房中的环境相关信息，由此可见，整个系统还包括环境数据

采集功能。在建立基于ZigBee技术的无线医疗监测系统时，将各数据采集节点纳

入到整个网络系统中，实现在显示模块中呈现网络状态信息、采集到的数据和传感

器终端节点信息，并根据实际需要增添按键模块。

检测系统在采集到人体相关参数并经过处理以后，将信息保存或发送到各大终端。

当新的数据加入时，需要建立新的网络，一般是调用NLME-NETWORK-

t实现，整个程序设置过程不需要引进其他网络终端。如果在

移动终端加入ZigBee网络，一般发生在新的节点上。新节点加入ZigBee网络，

可以调用t原语完成，一旦调用成功，网络会

自动接入到应用层，从而达到加入新数据源的目的。无线医疗监测系统的软件需要

具备操作简单、灵活性高、数据传输速度快等特点，尽可能做到数据传递过中通过

的节点少，数据量损失小，最大程度地保证数据的完整度。

4结语

随着科学技术的不断发展，越来越多的无线通信技术融入到我们的实际生活当中。

通过将无线通信技术与教育、医疗、娱乐等多个领域的有效融合，逐步提升人们生

活的便利化程度。在这个方面，远程医疗有着举足轻重的作用。基于ZigBee技术

的无线医疗监测系统，不仅可以节约人力物力、提高工作效率、改善医疗环境，也

可以发展成为共享型的医疗资源。

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