基于WSN的医院病人实时监护系统-hanyegudeng的回答

基于WSN的医院病人实时监护系统

2019-08-02 16:00发布

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 {MOD}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。