无线传感器网络技术在医疗监护中的应用

医疗监护是对人体生理和病理状态进行检测和监视，它能够实时、连续、长时间地监测病人的重要生命特征参数，并将这些生理参数传送给医生，医生根据检测结果对病人进行相应的诊疗。它在危重病人的监护、伤病人员的抢救、慢性病患者和老年患者的监护以及运动员身体活动的检测等领域发挥着重要的作用。
　　目前，医院监护系统大多使用固定的医疗监护设备，通过传感器采集人体生理参数，通过线缆将数据传输到监护中心。建立在线缆连接基础上的传统监护系统往往体积大、功耗大、不便于携带，限制了病人和医护人员的行动，增加了他们的负担和风险，已经越来越不能满足当今实时、连续、长时间地监测病人的重要生命特征参数的医疗监护需求。同时这种传统的医疗监护方法容易增加病人心理压力和紧张情绪，进而影响病人身体状况，使诊断数据与病人真实的生理状况产生一定差距，影响对病情的正确诊断。为了使经常需要测量生理参数的患者(如慢性病人或者老年患者等)能够在随意运动的状态下接受监护，无线医疗监护技术已越来越受关注。
　　本文以测量人体血氧饱和度为例，提出了一种基于ZigBee无线通信协议的无线传感器网络技术的医疗监护系统解决方案。该方案可以测量血氧饱和度参数，并将测量数据通过无线传感器网络传输到监控中心，监控中心对这些生理参数进行处理，并以此评价人体健康状况。
　　本设计的关注点是如何实现传感器数据的无线传输，因此传感器采用市场上现有的人体血氧饱和度传感器。该系统可以集成多种传感器，使之具备应用在不同应用领域的不同功能，因此，本系统的应用领域很广，移植性很强，医疗监护领域的大部分检测传感器（如体温、脉搏、血压等）都可以集成到本系统上。
1 无线传感器网络技术
　　无线传感器网络WSNs(Wireless Sensor Networks)的概念起源于美国国防先进技术研究计划署中的一个研究项目，由于无线感测网络结合了感测、运算以及网络连接的能力，不同传感器在其感测范围之内监控与侦测周围环境与特定目标的状态，并透过无线网络将这些状态回传到主机，系统管理者在收到这些信息时，就能据此做出适当的处理。
　　无线传感器网络要求节点具备无线通信能力，目前有多种主流无线通信协议（见表1），这些传输协议都有各自的优势和特点。但就总体比较而言，目前无线传感器网络技术主要使用ZigBee协议。

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。它依据IEEE802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，其通信效率很高。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。ZigBee的出发点就是实现一种易实现的低成本无线网络，同时它的低功耗性能可以使采用电池供电的产品维持6个月到数年的工作时间。其低数据速率和通信范围较小的特点，决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。通过ZigBee可以简单地实现各种器件的连网。作为一个全球标准，ZigBee为实现无所不在的网络创造了条件。
2 系统硬件设计
　　系统硬件分为人体血氧饱和度无线传感器节点和网关节点。
2.1 无线传感器节点系统硬件总体设计
　　系统由三大部分组成：血氧饱和度传感器、信号处理电路以及无线通信电路，如图1所示。

　　血氧饱和度传感器采用透射式人体血氧传感器探头，输出4mA~20mA电流模拟信号。信号处理电路以TI公司的MSP43FG437为控制核心，无线通信电路以能够支持IEEE 802.15.4 ZigBee通信协议的Chipcon公司的CC2430-F128射频芯片为无线通信电路核心。值得注意的是为了实现真正意义上的“无线传感器”，系统硬件设计要求小型化、紧凑化，而且为了便于以后该系统在应用领域的可移植性，系统电源部分设计为两节干电池供电，这样既能够发挥ZigBee通信协议的优势，又能够很好地实现无线传感器的“无线”、“便携”特点。
2.2 信号处理电路硬件设计
　　信号处理电路是本系统的核心部分，其作用是驱动人体血氧传感器工作，采集人体血氧饱和度传感器的模拟量信号，处理血氧饱和度信号，并将经过处理的信号通过片上串口通信方式传送给无线通信电路。
　　信号处理电路以TI公司的MSP430FG437为控制核心。MSP430系列单片机是美国德州仪器公司生产的高集成度、高精度的单芯片系统(SoC)，是目前工业界中性价比高、功耗低的Flash 16位RSIC微控制器，具有丰富的片内外设。MSP430单片机集中体现了现代单片机先进的低功耗设计理念，其时钟系统提供了丰富的软硬件组合形式。它包括一个片内DCO和两个晶体振荡器,可以产生三种系统适用的时钟信号，支持六种工作方式，有五种低功耗模式，可以通过软件对内部时钟系统的不同设置来控制芯片，使它处于不同工作方式，从而使整个系统达到最低功耗并发挥最优性能。值得一提的是MSP430单片机的超低功耗特点。MSP430系列单片机在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在 200μA～400μA之间，时钟关断模式的最低功耗只有0.1?滋A。正因为如此，MSP430更适合应用于使用电池供电的仪器、仪表类产品中。