新型Zigbee无线传感器网络的心电监护系统的研究与设计

李建设，张友能

（安徽工贸职业技术学院，安徽 淮南 230007）

新型Zigbee无线传感器网络的心电监护系统的研究与设计

李建设，张友能

（安徽工贸职业技术学院，安徽 淮南 230007）

现有的有线心电图监测和保护系统具有连接比较复杂、移动麻烦以及扩展不良等弊端。这种在Zigbee网络基础上的心电图监测系统，正是为了解决这些问题而提出的。想解决这些问题，在进行收集心电信号与研究电路图之后，进一步探讨了可以实现模数转换以及可实现调节网络节点的研究，从而设计了Zigbee整个网络的系统，最终实现监测软件的研究。实验显示，此系统相对来说更灵活并且可以更好的扩展，这样就可以更方便快捷的进行心电监测。

心电；Zigbee；A/D转换；无线网络

0 引言

对人体十分关键的一些生理值包含在心电信号中，为了提前知道并及时医治心脑血管方面的疾病，非常关键的一点就是要对此类生理值进行监督和测量，最近一段时间，由心脏类疾病引发的死亡率逐渐显现出增高的趋势，心脑血管类的疾病己经成为在全球范围内非常普通的，也经常危及人类身体健康的一种疾病［1］，因为这类疾病发病大多都很偶然，之前没有预兆，所以为了预防和治疗心脑血管病，一定要坚持对患者进行一段时间的治疗；另外，心血管病发病的偶然性和突发性要求我们一定要把握好治病的时间，如得了急性心梗的患者，最好是在发病60分钟以里为患者进行治疗，根据调查显示：超过80%的病人在心梗病发的60分钟内并没有得到有效的医治［2］，考虑到以上事实，就急需找到某些行之有效的途径，在患者入院后，医生能以最快的速度了解到患者的相关心电值，也就缩短了从病发到接受治疗患者可能错过的最佳治疗期，这样，心电监护就提供了一种非常适合的方便的解决途径。

当今社会，人们开始越来越多的关心身心健康方面的相关知识，而无线传播技术、传感科技等相关技术的进步，为健康的检测和远程就医提供了可能，其中健康的监测和保护最为常用的则是心血管监护一项，现代医学设备发展的一个分支就是设计心电的检测和保护系统［3］，建立具有很多功能的心电监测和保护系统，一方面可以对病人进行及时准确的心电监测和保护，另一方面也可以直接对病人的心电值进行研究和判断，大夫可随时通过这一系统观察病人的心电显示图，如看到不正常的心跳，系统就会马上发出提示信号，系统可将病人显现病症的心电图经由传输线发送到大夫那里，以便大夫及时做出最佳治疗办法，从而缩短耽误病人的治疗时间，并使病人早日康复出院。

0.1 心电监护系统

目前，心脏类的疾病时时刻刻都影响着我们的身体健康，甚至危及生命，由于心电监护类系统具有辅助医生进行相关病症的监护与诊断的功能，已经成为临床心血管类疾病诊疗的常用仪器之一，医院里常用的心电检测和保护仪器有三种：一种是实施临床监护的心电监测和保护系统；第二种是Holter系统，需要患者进行24小时佩戴，以记录动态的心电数据，但它不具有实时监测与数据传输的功能；第三种是能够进行实时动态监测的可远距离控制心电监测和保护系统［4］。

0.2 远程心电监护系统

因为心脑血管类的疾病发病一般都比较突然，很多病人在发病之前并没有明显的征兆，突然发病，往往很难及时被送到医院，而对于这些突发疾病的病人，如果不能得到及时救治，很可能因此失去生命，故而，一定要尽可能让病人在第一时间得到医治，因此，研究与设计远程心电的监测与保护系统已经成了学界普遍关注的课题，目前大多远距离控制心电监测与保护系统主要是通过那些运营商的GPRS/3G/WCDMA网络实现非静态的监测和保护，与其他远距离控制的心电监测和保护系统相比，在Zigbee的基础上建立的系统因为制作花费少、能量消耗少、有很好的抗干扰能力的这些优点，已经备受学界关注［5］。

1 Zigbee介绍

Zigbee是一种操作比较规范严格的，只适用于不是很长距离的无线信息传播技术，它与速率较慢的非有线网络相匹配，结合IEEE802.15.4的系数，在成千上万的特别小的传播感应器之间互相传递信息，那些传播感应器仅仅消耗一点点能量，信息就会以一传一的方式在两个节点之间进行传递，这样就能达到在世界2.4GHz无需付费的范围内进行高速、低能耗的信息传播目的［6］，并且Zigbee系统可以检查和测量能量，同时还结合了防止碰撞的技术，从而有效解决了数据传输过程中数据矛盾的问题，有关于网络安全的问题，128位的严密算法被用在这一系统，以对相关信息做好保护工作，这样就能确保信息在传递过程中不被篡改和盗用，截止目前，其它国家在家用互联、管控网络和移动电话设备等一些地方或多或少接受了Zigbee技术，然而目前在Zigbee技术基础上搭建的网络只能在非有线个人区域网拓扑的结构使用［7］，协议要求的节点量大大超过各接收点可以包含的传播感应器的节点量，为实现传播感应器网络高密度覆盖的目标，我们一定要做繁琐的组网，这样一方面会提高网络的繁琐性，另一方面也将提高全部网络的能量消耗和制作投资，同时也会降低传播感应器节点的使用寿命，基于Zigbee创立的非有线传播感应器网络会在很大程度上解决这些问题，在Zigbee技术基础上创立的非有线传播感应器网络具有能量消耗少、制作投资少、设计精简、体积不大、易于拓展、方便安全等优点，这一技术用AdHoc的方法把一系列Zigbee节点组合成非有线网络，它一般采取协调运作的方法，可及时准确地感应、收集以及处理网络包含区域内感应对象的信息，在传播感应器网络中的一些或所有节点并不是固定不动的，传播感应器网络的中主要结构同时也会因为节点位置的变化而进行移动［8］，所有传播感应器的汇节点都可以完成非静态的搜索、追踪定位以及重新连接的任务，综上所述，这种非传统无线传播感应器网络技术一定会在很多领域都得到使用，图1即是Zigbee无线传播感应器网络结构体系。

图1 Zigbee无线传播感应器网络结构体系

2 系统结构

本文探讨的在Zigbee基础上建立的非有线网络心电监护系统，是想达到给心电进行没有遥测与非一个人的监督和测量，这个设计采用的CC2430非有线模型块是适用于Zigbee科技参数的，同时在设计过程中也参考了拓扑结构的MESH呈网态的拓扑形式［9］，这一网络跟其他网络不同，它以一个传一个的方法把信息在两点之间进行传播，它可以实现智能创建与保护信息的作用，并不需要人为的操作，MESH形式里面的协作控制器与路由器一定要是FFD，移动设备则可有FFD与RFD两种，所以研究创建系统的时候，主站会被放在医院的某个监管保护室里，即上文提到的FFD，同时会为各病房配备独立的FFD，即路由器，最后就是给各患者提供各自的RFD，即移动设备，由此，大夫就可以在监护室里，通过由移动设备发出中间通过FFD，最终传到主站的心电信息来实时了解病人的信息。

图2给出了系统设计时分层级的结构，适用2.4G Hz IEEE 802.15.4的收取发射频率器（ChiPcon公司首推）与高端的微型控制器被组合应用在这一非有线心电监测和保护系统中，主要通过里面的微型控制器在固定时间收取和发射远距离的信息传递，这样就可以实时对患者进行检测和保护，而创建非有线网络、检测和保护主机传递信息的工作则由网络协作调节器来负责，调控心电信息的收集和转移置换则由终端节点来完成，最后，通过主站的心电监测程序来反映出病人心率这类信息。

图2 心电监测保护系统分层体系图

3 系统设计

3.1 系统硬件与软件设计

主站是这个心电监测和保护系统中最重要的部分，它大体上负责集中监测所有移动仪器上的心电信息、及时准确的分析、贮存、重播、打印相关信息以及监控所有设备上系数的工作，为了更好的发挥主站的作用并实现有效的通信，在硬件系统方面，选择了由韩国三星研发的53C2410A处理器，这一处理器的内部核心是ARM920T，这一处理器是一个性能强大的微型控制器，它配备了适用于各种设备的接口，从而大大减少了所有设备的能量消耗，该主站的中心是53C2410A，同时可以拓展16MB内存的SD RAM以及32MB内存的Nand Flash芯片，同时以FO接口接入指示灯、键盘和液晶显示屏这些硬件设施；配备了可以跟电脑传递信息的USB 2.0接入口；通过CC2430无线模块完成同路由器之间的信息传递（具体参照图3）。

uC/os-II实时操作形式被移动放置于53C2410A里，这样就能更好地对患者进行实时监测和保护，从而保证了系统研发的时效性和安全性，参见图4内容。

图3 监护系统主站的硬件体系

3.2 定位算法

最小值二乘来进行测量距离并且定位的计算方法被用在本文的计算中，通过这种算法把传入主站的数据中不小于3的一般信标数值的大体位置估算出来，从而确定其位置，等其位置确定了就可把它看做是一个信息标记的节点，详细的操作过程即是：我们假设心电监测保护系统里一个二维范围里存在n个超波感应器的节点，把信息标示节点用坐标点A1（x1，y1）...An（xn，yn），一般的节点坐标用（x，y）标注，一般节点与信息标示节点之间线段用r1...rn表示，这样我们就得到了这样三个线性方程式EX=a（1）

图4 监护系统主站的软件结构

线性方程组建立后，代入（4）式，就可以确定出普通节点的大体位置。

路由器的作用大体就是把心电信息由设备终端传输到主站，因此它就成了这个监护系统的中枢节点，在路由器的选择上，用了比较经济实惠的PIC18LF8722微型控制器与非有线模块CC2430的组合，在软件方面，因为监测保护系统中的距离测算方法是用最小值二乘的算法，这样所有的节点就仅维系它们需求的路由，而传递信息过程中没有到达指定节点路由则由没有需要的节点来负责，这样就保证了所有可动的节点之间建立起智能动态的逐层跳动的路由，路由的流程参见图5。

3.3 无线节点电路设计

无线节点主要由负责协调、移动与收取数据的三种节点组成。

从上面的图6看出，协作调节器节点的主体是CC2430无线模块，就是通过它来实现信息收入节点与移动节点的位置划分，进而由这些位置来完成信息在各个节点间的交互传播。

在上面图7中，信息收入节点的主体也是

图5 路由算法流程图

图6 协调器节点框图

图7 数据接收节点框图

CC2430无线模块，其工作就是负责Zigbee非有线信息包的收入。

图8 移动节点框图

如图8，由于本系统需要提供定位病人的功能，因此移动节点选择了CC2431这款带硬件定位引擎的Zigbee芯片。

3.4 终端设备

因为终端设备会与患者的身体直接接触，所以我们要求设备尽可能的产生最少的辐射、消耗最少的能量并且不轻易被外界干扰，终端设备平台的主体由CC2420和TI公司生产的MsP430处理器构成符合能量耗损非常低的需要，它在实时监控状态下的电流只有8mA，同时还用传播感应器把终端设备同患者联系在一起，扩大、滤波和转换从患者处采集的心电讯息，然后将会在固定的时间把这些处理过的信息传输到路由器，经路由器最后发送至主站；在未发送心电讯号的模式下，CC2430的能量消耗非常少，从而减少终端设备的能量耗损并且减少对患者身体的影响，终端硬件的体系参见图9。

4 实验结果

在Zigbee基础上建立的非有线传播感应器网的心电监测保护体系具有能量消耗少、抗干扰能力强和安全性高的特点，它可把整个体系的能量消耗及设备对患者身体的辐射影响实现最小化，这样就能确保系统以最佳的状态来完成处理信息和收集数据等任务，实验在三个病房的区域里建立了这样的心电监测保护系统：三个病房各自配备一个终端设备，同时在整个范围内设置一个路由器，主站设施则被放在监测保护室里，按照上述规划的结构系统，信息的收集由100Hz的八位刀D的转移置换器来完成，同时它也分别从移动终端与主站系统里采集相关心电波信息，参见图10与图11，将这两个图的信息进行比较，我们发现心电波信息在通过监测保护系统之后并没有明显的变化，只能看到某些区域因系统在传递信息过程中没有按时发出信号而引起的不明显的震动。

图9 终端设备硬件体系

图10 终端设备获取的心电信息

图11 主站设备收取的心电波信息

实验检测这一系统的原型机的结果证明，这一设计可以很好地抵抗外界干扰，同时具有75m的最远输送距离和250KB/S的高输送率，已经满足了实验前的要求设定，未来可能会被更多的应用。

5 结语

与以往的监测保护体系的模式不同，在Zigbee基础上建立的模式的设计概念是对患者进行非固定的监测和保护，同时它的微型处理器的价格也比较合理，其采用的CC 2430无线模块也具有能量损耗少、纠正错误能力强等特点；另外，系统内部心电信息的传递是采取最小值二乘的方法来确定位置的；最后，在完成了设计原型机的临床检测之后，我们得出此设计不但安全可靠而且可以很好地抵抗外界的干扰，据了解，该系统现在已经处在临床的试验这一阶段并且一直保持良好的工作状态，事实再次说明Zigbee非有线传播感应器网络系统石可以被用在远距离心电监测保护系统中的。

［1］ 王珊珊，殷建平，蔡志平，等.基于RSSI的无线传感器网络节点自身定位算法［J］.计算机研究与发展，2008，45（1）：385-388.

［2］ 孙凤池，宋萌，刘光.一种无线传感器信号衰减自适应测距模型［J］.智能系统学报，2012（3）：213-215.

［3］ 田福英.便携式心电监护系统中心电信号的实时分析方法设计［J］.中国医学物理学，2012（2）：3143-3145.

［4］ 王国，袁恒新，伊永菊，等.危重监护与输液控制诊疗体化系统-基于CAN总线的监护输液基站［J］.中国医学物理学，2014（1）：4681-4686.

［5］ 田福英，沈铁明，刘博宇.基于蓝牙传输的手机心电监护系统设计与实现［J］.中国医学物理学，2013（4）：4303-4305.

［6］ 杜月林，石欣然，王克寒.基于zigbee技术的室内定位系统算法研究及实现［J］.计算机技术与发展，2014（2）：1-8.

［7］ 董珍珍，杨云.浅析zigbee技术及其应用［J］.科技视界，2012（24）：209-211.

［8］ 曲振宁.基于zigbee的无线传感器网络节点设计及其在远程健康监护中的应用［D］.长春：吉林大学，2006.

［9］ 金纯，罗祖秋，罗凤.等.Zigbee技术基础及案例分析［M］.北京：国防工业出版社，2008.

责任编辑：吴旭云

Research and Design of ECG M onitoring System of NeW ZigBeeW ireless Sensor NetWork

LIJianshe，ZHANG Youneng
（Anhui Vocational and Technical College of Industry and Trade，Huainan 230007，China）

The existing cable ECGmonitoring and Protection system has the disadvantages that the connection is comPlex，shift is not easy and exPansion is bad，etc.The ECGmonitoring system based on network is Put forward in order to solve these Problems.After the collection of ECG signals and study on the circuit diagram，this PaPer further exPlores the analog digital conversion and the regulation of network nodes，designs the system of Zigbee network to ultimately realize research ofmonitoring software.ExPeriments show that the system is relativelymore flexible and can be better extended，and ECGmonitoring can bemore convenient.

ECG；Zigbee；A/D conversion；wireless network

TP29

A

1009-3907（2015）06-0024-06

2015-04-14

安徽教育厅自然科学研究项目（KJ2013Z014）；安徽教育厅自然科学研究项目（KJ2013B037）

李建设（1974-），男，安徽砀山人，讲师，主要从事电路与系统方面研究；张友能（1973-），男，安徽铜陵人，副教授，硕士，主要从事微机测控技术和物联网技术方面研究。