基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统，包括系统的整体设 计和无线传输的技术实现，特别涉及脉搏信号的测量方法及误差补偿。属于医疗监护、无线 传感器网络、ZigBee技术等技术领域。
【背景技术】
[0002] 医疗监护系统是一种对病人的生理参数进行连续、长时间、自动、实时监测，对数 据分析处理后实现多类别自动报警、自动记录的某些医学仪器的组合，而广泛的用于I⑶ 和手术室。它能帮助医护人员及时了解危重患者的病情变化，以便采取及时、必要的救治措 施。
[0003]ZigBee技术是一种无线通信技术，它具有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数 据速率等特点，主要适用于自动控制和远程控制领域并可以嵌入各种设备。相比其它无线 通信技术，如蓝牙、Wi-Fi，ZigBee最大的优势在于自组织性和巨大的网络容量。在医院、社 区等人员密集的场合，病人相对较多且处于不断移动中，这就给病人的日常监护带来了一 定的难度。正因为ZigBee技术独特的优势才能胜任这样的工作环境，并很好地完成无线监 测病人生理参数的任务。
[0004]目前大部分医疗监护系统都是固定的有线设备，成本高，布线繁杂，体积庞大，不 便于移动，很大程度上限制了病人和医护人员的活动空间，增加了他们的负担和风险，已经 越来越不能满足当今对病人实时、连续、长时间监护的要求。另外，众多附于病人身体的设 备探头，会造成病人的紧张情绪和心理负担，使得检测结果与真实情况存在一定偏差，影响 病情的准确诊断。
【发明内容】
[0005] 本发明针对有线式医疗监护系统出现的问题，设计一种基于ZigBee可穿戴传感 器的医疗监护系统，包括系统的整体设计和无线传输的技术实现，特别涉及脉搏信号的测 量方法及误差补偿。本发明的目的是将无线通信技术、智能传感器、可穿戴设备应用到医疗 监护领域，实现医疗设备的微型化和医疗监护的无线化。
[0006] 为达到上述目的，本发明的构思是：
[0007] 大部分医院的医疗监护系统都是基于传统的有线方式，存在成本高、体积大、布线 繁杂、舒适性低等缺陷。本发明基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统分成病区和监护 中心两层。在病区，可穿戴传感器利用各种医疗传感器采集病人的生理参数，经过数据处理 模块处理后通过ZigBee无线网络将数据发送给网络协调器；在监护中心，网络协调器通过 串口与上位机通信，将接收的数据传输至上位机，最终实现病人生理参数的采集、处理、传 输、存储和显示。
[0008] 根据上述构思，本发明采用下述技术方案：
[0009] -种基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统由电源模块、采集模块、数据处理 模块、无线通信模块和上位机组成。其特征在于，所述电源模块为系统提供5V和3. 3V的稳 定电源；所述采集模块包括体温、脉搏、血压、心电等医疗传感器；所述数据处理模块是与 体温、脉搏等生理参数相对应的信号调理电路，包括信号滤波放大和整形两个环节；所述无 线通信模块包括ZigBee终端节点和网络协调器，负责信号的进一步处理和数据的收发；所 述数据处理模块连接至无线通信模块中的ZigBee终端节点A/D采样口或中断口；所述无线 通信模块中的网络协调器通过RS-232串口连接至上位机。
[0010] 所述电源模块采用电压转换芯片MC7805和AMS1117 ;所述采集模块采用温度传感 器DS18B20、光电耦合器IR928-6C和PT928-6C等；所述数据处理电路中的信号调理电路由 整形电路、运算放大器LM324及RC滤波电路组成；所述无线通信模块采用CC2530,对数据 处理模块输出的信号作进一步处理，然后通过串口传输至上位机；所述上位机对信号进行 处理后，最后将病人生理信息进行存储和显示。
[0011] 基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统采用上述监护系统进行监护，其实现 病人生理参数无线监测的具体步骤如下：
[0012] (1)系统上电，以锂电池作为电源，同时通过电压转换芯片MC7805和AMS1117把电 压分别转换成5V和3. 3V。
[0013] (2)各种传感器采集病人生理参数，然后数据处理模块对采集的信号进行预处理， 包括信号滤波和放大以及整形环节。
[0014] (3)预处理后的信号经过无线通信模块的进一步处理后，通过无线通信模块中的 ZigBee终端节点进行发送，另一端的网络协调器负责接收。
[0015] (4)网络协调器通过RS-232串口与上位机通信，将接收的数据传至上位机。
[0016] (5)上位机对数据进行存储和显示，当采集的病人生理参数出现异常时，发出警 报。
[0017] 所述步骤（2)中信号滤波和放大以及整形环节的具体处理步骤如下：
[0018] ①采集的信号首先通过RC低通滤波电路，滤除内部的高频信号，截止频率为
【主权项】
1. 一种基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统电源模块（I)、采集模块（2)、数据处 理模块（3)、无线通信模块（4)和上位机（5)组成，其特征在于，所述电源模块（1)为系统提 供5V和3. 3V的稳定电源；所述采集模块（2)包括体温、脉搏、血压、心电信号等传感器；所 述数据处理模块（3)涉及与体温、脉搏等生理参数相对应的信号调理电路，包括信号滤波 放大和整形两个环节；所述无线通信模块（4)包括ZigBee终端节点和网络协调器，负责信 号的进一步处理和数据的收发；所述数据处理模块（3)连接至无线通信模块（4)中ZigBee 终端节点的A/D采样口或中断口；所述无线通信模块（4)中的网络协调器通过RS-232串口 连接至上位机（5)。
2. 根据权利要求1所述的基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统，其特征在于，所 述电源模块（1)采用电压转换芯片MC7805和AMS1117 ;所述采集模块（2)采用温度传感器 DS18B20、光电耦合器IR928-6C和PT928-6C等；所述数据处理电路（3)中的信号调理电路 由整形电路、运算放大器LM324及RC滤波电路组成；所述无线通信模块（4)采用CC2530,对 数据处理模块输出的信号作进一步处理，然后通过串口传输至上位机；所述上位机（5)对 信号进行处理后，将病人生理信息进行存储和显示。
3. -种基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统采用权利要求1所述的技术方法对 病人生理参数进行监测，其实现无线医疗监护的具体步骤如下： (1) 系统上电，以锂电池作为电源，同时通过电压转换芯片MC7805和AMS1117把电压分 别转换成5V和3. 3V ; (2) 各种传感器采集病人生理参数，然后数据处理模块对采集的信号进行预处理，包括 信号滤波和放大以及整形环节； (3) 预处理后的信号经过无线通信模块的进一步处理后，通过无线通信模块中的 ZigBee终端节点进行发送，另一端的网络协调器负责接收； (4) 网络协调器通过RS-232串口与上位机通信； (5) 上位机对数据进行存储和显示，当采集的生理参数出现异常时，发出警报。
4. 根据权利要求3所述的基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统的无线医疗监护， 其特征在于步骤（2)中信号滤波和放大以及整形环节的具体处理步骤如下： ① 采集的信号首先通过RC低通滤波电路，滤除内部的高频信号，截止频率为
② 接着通过电容背靠背串联形成的光电耦合电路，防止外部噪声干扰； ③ 利用运算放大器LM324、电阻和电容组成的电路对信号进行放大和进一步的滤波； ④ 利用比较电路将处理后的正弦波信号转换为尖脉冲信号； ⑤ 利用微分电路将尖脉冲信号转换为无线通信模块能够识别的方波信号。
5. 根据权利要求3所述的基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统的无线医疗监护， 其特征在于步骤（3)中ZigBee终端节点和网络协调器之间通信的具体步骤如下： ① 网络协调器初始化，并创建一个新网络； ② ZigBee终端节点初始化，并搜寻网络； ③ 发现网络后，ZigBee终端节点发送入网请求，等待响应； ④ 网络协调器收到ZigBee终端节点的入网请求后，发送入网许可响应； ⑤ ZigBee终端节点发送绑定请求，等待响应； ⑥ 网络协调器响应绑定请求，两者就可以进行正常通信。
6.针对权利要求1中所述采集模块（2)对采集的脉搏信号存在测量误差的问题，无线 通信模块中的ZigBee终端节点采集到脉搏信号后，根据提取的脉搏特征，运用算法计算脉 搏速率并进行误差补偿；为了避免短时间测量产生的误差和长时间测量的刷新等待，系统 采用多次测量取平均的方法对误差进行补偿： 定义相邻两脉搏间的时间间隔为T，通过测量多个脉搏间的时间间隔求取平均值;Γ，然 后换算成一分钟脉搏跳动速率，简称脉率PR (Pulse Rate)，单位为BPM (Beat Per Minute)， 可按下面的公式得到脉率： Pi? = 60/相邻脉搏时间间隔平均值Γ 具体计算过程是，定义定时器定时时间为t，循环次数为count，记第i个脉搏与上一个 脉搏信号的时间间隔为Ti,设定定时时间t = 50ms，则 Ti= t 氺count
计数器作定时功能时，是通过对机器周期的计数来实现的，相当于CPU时钟作1/12的 预分频，CPU时钟是12MHz，则计数频率为IMHz，计数器中每一个码，对应于Ius。当定时50ms 时，对应的计数值戈
计数器工作时，需要设定初值，由硬件自动计数，计数值 一到就溢出，接着通过中断请求CPU处理，初值的装载有如下关系： 初值=计数器容量-计数值 设定计数器为工作方式1，那么计数器容量为216= 65536,则计数器中计数寄存器的高 8位地址THO和低8位地址TLO的初值分别通过下面公式得到： (THO) = (65536-500000)/256 (TLO) = (65536-50000) % 256 通过上述表达式联立方程组可以求取病人的脉率值PR，当 ① IfPR〈60BPM，判断为病人脉率过缓，上位机显示并报警； ② If60BPM〈PR〈100BPM，判断为病人脉率正常，上位机直接显示； ③ IfPR>100BPM，判断为病人脉率过速，上位机显示并报警。
【专利摘要】本发明公开一种基于ZigBee可穿戴传感器的医疗监护系统、测量方法及误差补偿和无线传输的技术实现，从而实现医疗设备的微型化和医疗监护的无线化。该医疗监护系统由电源模块、采集模块、数据处理模块、无线通信模块和上位机组成。本发明涉及到医疗监护、无线传感器网络、ZigBee技术等技术领域。本发明针对有线方式存在的布线繁杂、设备移动不便等问题，以ZigBee技术代替有线方式；同时，针对有线方式给病人带来的紧张情绪和心理负担，将可穿戴传感器引入监护系统，系统高度集成保证了传感器的微型化，方便病人穿戴，缓解他们的负面情绪，进而提高监护系统的测量精度。另外本系统还具有低功耗、扩展性强等特点。
【IPC分类】A61B5-0402, A61B5-0205, A61B5-01
【公开号】CN104523254
【申请号】CN201510033265
【发明人】陈静, 唐军胜
【申请人】安徽理工大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月22日