随着城市化进程的加速发展,大型医院病人的日益增多,现有的病人病情监护机制已经不能满足需要,因其不能实时对病人的状况进行监护,造成耽误救治、误诊时有发生。人们对医疗健康的关注和高质量医疗服务的需求,使得基于WSN 技术的无线医疗监护也越来越受到人们重视。ZigBee 技术在构建智慧医疗无线传感网络时,具有独特的优势。能实时的获取病人的生命特征数据,并通过智能终端设备,无线网络向护士、医生、控制中心实时传输。
1 Zigbee技术
Zigbee 技术近年来在无线传感领域应用非常广泛。IEEE802.15.4 协议标准定义了它的PHY 层和MAC层,ZigBee 联盟制定了网络层、安全和应用层标准,用户可根据自己的应用需求进行应用层开发。网络的工作频段分为868MHz,915MHz 和2.4GHz 共3 个频段。在通信上,采用CAMA/CA(免冲突多载波信道)接入方式,有效避免了无线电载波间的冲突;能实现密钥长度为128 位的加密算法对数据进行加密,确保了通信数据的安全保密性。网络拓扑结构有星形、树形和网络形,能实现自动组网、多跳路由。满足了医院病人实时监护的组网需求。
Zigbee 技术在组网时的特点:
① 低功耗:在低耗电待机模式下,2 节5 号干电池可支持1 个节点工作6~24 个月,甚至更长。
低成本:通过大幅简化协议,降低了对通信控制器的要求,ZigBee 免协议专利费,每块芯片的价格大约为2 美元。
② 低速率:ZigBee 工作在20~250 kbps 的较低速率,分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。
③ 近距离:相邻节点间的传输范围一般介于10~100 m 之间,在增加RF 发射功率后,亦可增加到1~3 km.如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。
④ 短时延:ZigBee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms,节点连接进入网络只需30 ms .
⑤ 高容量:ZigBee 可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254 个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000 个节点的大网。
⑥ 高安全:提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码。
⑦ 免执照频段:采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM) 频段,2.4 GHz(全球) 、915 MHz(美国) 和868 MHz(欧洲)。
2 系统及网络结构
本文设计的医院病人实时监护系统分为三层:病人所携带的各种传感器构成的感知层、Zigbee 技术构建的无线网络层、控制中心的应用层(如图1 所示)。
图1 系统及网络结构图
当病人携带无线监护器(传感器)和智能终端设备在医院的病区和公共区域活动时,各种传感器能实时记录稳定状态、空间位置(定位)、心率、体温、呼吸等人体生命特征数据,通过Zigbee 网络上传到控制中心,得到医护人员的实时监护。
无线网络由协调器节点(控制中心),适当数目的路由器节点(路由)和大量的终端节点(手持智能终端)组成,如果地理空间较大的话,也可以多协调器组网。这种组网方式具有极好的灵活性,病人持有的终端节点进入相应的路由区域都能自动组网。GPRS模块给远离医院的医护人员能不间断的监护提供了可能。
若综合考虑经济等方面因素,各种传感器(数字脉搏传感器、数字体温传感器、血压传感器、呼吸传感器、数字三轴加速度传感器、RSSI 定位传感器)可部分设计在病人手持智能终端上,也可单独设计成产品。手持智能终端预留接口,灵活选配使用。
3 系统设计
3.1 硬件设计
3.1.1 病人手持智能终端
病人手持智能终端基于TI 公司的CC2530芯片开发,CC2530 芯片广泛应用在2.4-GHz IEEE 802.15.4系统、RF4CE 遥控制系统、ZigBee 系统、低功耗无线传感器网络、消费类电子和卫生保健。CC2530 需要实现的功能以及外围模块主要有3 个部分:通过A/D 口控制传感器模块进行数据采集;控制无线RF 模块完成数据收发;通过I/O 口相应主机控制。传感器采集的数据也可通过I/O 口与微处理器相连,通过RS232接口可实现网络节点与PC 机的通信。
由于CC2530 芯片内集成了许多特色功能模块,因此,其典型的外围电路也就非常简洁(如图2)。其中,主时钟晶振采用32mhz 无源晶振以及32.768khz时钟晶振;无线RF 模块外围电路采用无巴伦的阻抗匹配网络,天线使用50 欧鞭状负极性天线。且将数字三轴加速度传感器和RSSI 定位传感器集成在智能终端上。
图2 CC2530 外围电路图
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