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隨著(zhù)社會(huì )老齡化的日益加劇，對老年人健康的關(guān)心已經(jīng)成為重要的社會(huì )問(wèn)題。另外，一些突發(fā)性疾病和家庭保健，如心血管疾病、孕婦、胎兒、嬰兒、幼兒的保健也需要長(cháng)期的家庭監護。所以，研究基于公用網(wǎng)絡(luò )的家庭醫療監護，建立小區醫療網(wǎng)絡(luò )，從而組成一個(gè)醫院護理系統網(wǎng)絡(luò )，不僅可以增加病人的安全性和改善人們的生活質(zhì)量，還能使醫院更有效地提高管理人員、醫生和護士的工作效率，協(xié)調相關(guān)部門(mén)有序工作。 在某些情況下，使用有線(xiàn)方式的監護系統的實(shí)施成本將遠遠超過(guò)購買(mǎi)監護設備所花費的費用。例如，在一個(gè)多社區醫療監護網(wǎng)絡(luò )中，把實(shí)時(shí)監護病人的生理參數傳輸到遠程監控中心及所有數據的遠程備份，都是一筆龐大的開(kāi)支，維護成本更是驚人。雖然引入無(wú)線(xiàn)監護網(wǎng)絡(luò )，可以解決一些問(wèn)題，但基于藍牙、GPRS 等技術(shù)的社區醫療監護系統存在相應的不足之處，如無(wú)線(xiàn)輻射的安全性、無(wú)線(xiàn)終端的快速移動(dòng)、無(wú)縫漫游和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )成本等等。 ZigBee 技術(shù)的出現為傳感器信號的無(wú)線(xiàn)傳輸提供了新的解決方案。ZigBee節點(diǎn)有幾十米的覆蓋范圍，且可以增加路由節點(diǎn)，擴展覆蓋范圍，另外它還具無(wú)線(xiàn)輻射小、傳輸數據安全和成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此適用于家庭住宅。同時(shí)由于生理監護信號的數據傳輸流量不大，傳輸速率為250kbit/s的ZigBee能夠滿(mǎn)足生理數據傳輸要求。ZigBee傳感節點(diǎn)可自由靈活地加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )，具有低功耗和低成本的特點(diǎn)。此外，電力線(xiàn)具有高速(骨干網(wǎng)速度已經(jīng)達到了上百Gbit/s)、以電力輸電線(xiàn)路作為傳輸載體(目前我國擁有全世界長(cháng)度排名第二的電力輸電線(xiàn)路)等優(yōu)點(diǎn)，并且電力線(xiàn)載波通信被國外傳媒喻為“未被挖掘的金山”。我們可以看到，如果把ZigBee和PLC技術(shù)有機的結合起來(lái)，它不僅彌補現有社區醫療監護系統的一些弊端，緩解了居民對醫療監護的需求，還很符合并不富裕的中國。 社區監護系統的總體構架 該社區監護系統主要分為三部分，如圖1所示。第一部分由若干個(gè)基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的家庭監護單元組成，其中，無(wú)線(xiàn)通訊節點(diǎn)根據功能不同分為：無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)和PAN協(xié)調節點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)具有用戶(hù)隨身攜帶和可移動(dòng)性的特征，主要負責采集人體的重要生理參數;而PAN協(xié)調節點(diǎn)主要負責收集重要生理參數，并通過(guò)第二部分，也就是電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )部分將這些參數發(fā)送到監護中心(即第三部分)，這樣，由專(zhuān)業(yè)的醫護人員來(lái)實(shí)現對數據的統計和觀(guān)察，提供相關(guān)醫療咨詢(xún)和服務(wù)，達到遠程醫療的目的。 
社區監護系統的硬件結構分為：無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)、PAN協(xié)調節點(diǎn)(包括射頻通信模塊和電力線(xiàn)傳輸模塊)和監護中心。系統的結構示意圖如圖2所示。
社區監護系統的硬件設計 ZigBee傳感節點(diǎn)的硬件設計 基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的家庭監護單元由于應用環(huán)境主要是家庭，網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍小，因此可直接采用星型拓撲結構，即網(wǎng)絡(luò )主要由 3~5 個(gè)傳感器節點(diǎn)，即 RFD 節點(diǎn)(Reduce Function Device，簡(jiǎn)稱(chēng) RFD)和一個(gè)主節點(diǎn)，即FFD 節點(diǎn)(Full Function Device)組成。雖然 RFD 節點(diǎn)和 FFD 節點(diǎn)實(shí)現具體功能的不同，但為了增加通用性和方便維護，傳感器節點(diǎn)的基本電路相同。本文采用Freescale公司推出符合ZigBee 標準的MC13192射頻芯片。由于MC13192的射頻信號采用差分方式，而倒F型天線(xiàn)為單端天線(xiàn)，所以在芯片和天線(xiàn)之間使用巴倫電路，以達到最佳收發(fā)效果。本方案使用了巴倫電路專(zhuān)用芯片LDB212G4020C。UPG2012TK是射頻開(kāi)關(guān)，工作頻率為0.5~2.5GHz，具有非常低的介入損耗和很高的隔離性能;封裝形式為6引腳的短引腳小型貼片封裝，可減小電路板占用面積。 另外，由于TI MSP430 系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，其中包括一系列器件，針對不同的應用而由不同的模塊組成。這些微控制器可用電池供電，而且使用時(shí)間長(cháng)。具有 16 位 RISC 結構，CPU 中的16個(gè)寄存器和常數發(fā)生器使 MSP430 微控制器能達到最高的代碼效率;靈活的時(shí)鐘源可以使器件達到最低的功耗;數字控制的振蕩器(DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于6s的時(shí)間內激活到活躍的工作方式。是一種低功耗類(lèi)型的單片機，特別適合于電池應用的場(chǎng)合或手持設備。其中，MSP430F449單片機內部集成了60kB FLASH 存儲模塊，2kB RAM，6個(gè)I/O端口以及12位高精度模數轉換模塊ADC12等。較小的封裝和極低的功耗使其可以理想地與MC13192 結合，作為基于ZigBee 技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。 MSP430F449和MC13192 通過(guò)SPI 總線(xiàn)連接。MSP430F449的SPI 接口工作在主機模式，是數據傳輸的控制方;MSP430F449設為從機模式。MSP430F449通過(guò)4 線(xiàn)SPI接口對MC13192 的內部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，從而完成對MC13192 的控制以及數據通信。 電力線(xiàn)調制解調器 力合微電子具有電力線(xiàn)通信與控制基于多載波快速跳頻的專(zhuān)利技術(shù)，專(zhuān)門(mén)針對國內電網(wǎng)環(huán)境而設計，具有較好的抗干擾性能，實(shí)現電力線(xiàn)可靠數據傳輸與控制。其專(zhuān)用芯片LME2200使用靈活、方便，為各種電力線(xiàn)通信與控制應用提供了一款優(yōu)化的芯片方案。因此本文采用了LME2200芯片，調制解調器的硬件框圖如圖3所示。
該電路由信號發(fā)送電路、信號接收電路和過(guò)零檢測電路等組成，基本電路如圖4所示。
從圖4可以看出，發(fā)送電路由一個(gè)低通濾波器和一個(gè)功放構成。低通濾波器的作用是濾除高頻信號成分并平滑DAC輸出信號的波形，功率放大器 (PA)的輸出通過(guò)一個(gè)耦合變壓器連接到電力線(xiàn)上，濾波器的帶寬由使用的載波頻率所決定。對功率放大器的要求是經(jīng)過(guò)變壓器后在2～100歐姆的阻抗下獲得 1-2Vrms的信號電平。另外，LME2200C支持半雙工工作模式。當發(fā)送時(shí)(TX_BUSY低電平)用于打開(kāi)功放，而在接收時(shí)(TX_BUSY為高電平)關(guān)閉功放以提高接收阻抗。而在接收通路中，經(jīng)耦合變壓器獲得的信號送片內放大器放大，然后經(jīng)片外帶通濾波器后送芯片RXIN輸入端，由片內接收機完成數據包的接收。過(guò)零檢測電路輸出一個(gè)方波信號,它的上升沿在工頻信號的過(guò)零處，此信號被用作LME2200C的SYNC同步輸入，并作為收發(fā)同步的基準。 軟件設計 �、� ZigBee傳感節點(diǎn)的軟件設計 ZigBee傳感節點(diǎn)主要負責采集被監護人的生理數據，并將這些數據傳送給協(xié)調器，同時(shí)，接收來(lái)自協(xié)調器的相關(guān)指令，并根據這些指令進(jìn)行相關(guān)操作(包括自動(dòng)發(fā)送生理參數命令以及提示按時(shí)服藥等命令)。當沒(méi)有執行相關(guān)指令時(shí)，轉入休眠模式，節點(diǎn)功耗降到最低。ZigBee傳感節點(diǎn)的軟件流程如圖5所示。 �、赑AN協(xié)調節點(diǎn)的軟件設計 PAN協(xié)調節點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中唯一的協(xié)調器，按功能可分為兩個(gè)部分，網(wǎng)絡(luò )維護功能和數據傳輸功能。網(wǎng)絡(luò )維護方面主要是負責組建ZigBee網(wǎng)絡(luò )、分配網(wǎng)絡(luò )地址及維護綁定表。 數據傳輸方面主要轉發(fā)監護中心對ZigBee傳感節點(diǎn)的命令，以及定時(shí)要求地ZigBee傳感節點(diǎn)將生理數據發(fā)送數據給它，并轉發(fā)到監護中心。PAN協(xié)調節點(diǎn)基本流程，如圖6所示。 �、郾O護中心軟件設計 由于本系統還處于實(shí)驗階段，所示只是把監護中心軟件作為性能測試的演示系統。只是采用VC++6.0對該系統用戶(hù)界面和數據庫部分進(jìn)行編程，它采用循環(huán)輪詢(xún)的方式顯示各個(gè)監護終端設備發(fā)來(lái)的生理參數，主界面如圖7所示。 結語(yǔ) 社區監護系統在小規模實(shí)驗中的調試結果表明:該系統能夠準確地實(shí)現家庭醫療監護功能，通信質(zhì)量可靠穩定，抗干擾能力強，功耗小，成本低，個(gè)人監護終端設備體積小巧。在實(shí)驗室內，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調設備和個(gè)人監護終端設備之間的距離可達70m，并且滿(mǎn)足數據傳輸的實(shí)時(shí)性、高效性的要求。本文社區監護系統的實(shí)現，為社區監護系統的研究和發(fā)展提供了實(shí)驗平臺，也為其發(fā)展奠定了一定的基礎。 參考文獻： [1] 李尚林, 吳效明, 韓俊南. 醫療監護系統中的ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò )研究[J].微計算機信息, 2009 [2] 湯效軍. 電力線(xiàn)載波通信技術(shù)的發(fā)展及特點(diǎn)[J].電力系統通信.2003(1):22～24 [3] 郭勁松, 焦培峰. 一種通過(guò)電力線(xiàn)載波通訊傳輸生理數據的方法[J].醫療衛生裝備, 2003(10):96～98 [4] 代永陸, 唐曉英. 基于嵌入式系統的便攜式多參數健康監護儀設計[J].電子技術(shù)應用, 2006(9):55～58 [5] 孟祥敏, 侯德文. 基于 ZigBee技術(shù)的智能家居系統的研究[J]. 網(wǎng)絡(luò )與通信, 2009.2 作者：和思銘 程繼航 裘昌利 朱孟忠 空軍航空大學(xué) 時(shí)間：2009-12-11 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 |
