摘要：體域網(wǎng)(BSN，body sensor networks)是以人為中心，由分布在人體表、貼身衣物上，或身體內(nèi)部檢測人體生命體征的多個傳感器節(jié)點以及個人智能終端組成的無線通信網(wǎng)絡(luò)。介紹了一種基于ZigBee和藍(lán)牙無線通信協(xié)議的個人健康監(jiān)護(hù)體域網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過3G智能手機(jī)終端控制穿戴在人體上的傳感器節(jié)點，實時采集人體血氧、心音、心電和血壓等生命體征參數(shù)，并以無線通信方式依次傳送至智能終端顯示，進(jìn)一步實現(xiàn)與社區(qū)醫(yī)院或中心醫(yī)院的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)終端應(yīng)用程序運(yùn)行在Android操作系統(tǒng)下，界面設(shè)計友好，適用于所有Android操作系統(tǒng)的3G智能手機(jī)用戶。

　　隨著日益增加的工作生活壓力，高血脂、高血壓和糖尿病等疾病的發(fā)病率呈逐年上升并呈現(xiàn)年輕化趨勢，這些疾病已經(jīng)越來越嚴(yán)重地威脅著人們的身體健康甚至生命。如何及時發(fā)現(xiàn)病情并采取有效措施，防止發(fā)生意外，降低生命財產(chǎn)損失的風(fēng)險，成為人們普遍關(guān)心的問題。

　　目前，我國健康監(jiān)測醫(yī)療資源主要集中在醫(yī)院，這些監(jiān)測設(shè)備往往體積大/價格昂貴且操作復(fù)雜，不適合家居式日常健康監(jiān)測。隨著嵌人式技術(shù)、傳感器技術(shù)、移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，一種由多個無線醫(yī)療傳感器組成的個人體域網(wǎng)絡(luò)BSN為面向家庭的個人健康監(jiān)護(hù)提供了有效的解決途徑。

　　筆者提出了一種基于體域網(wǎng)的個人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的總體架構(gòu)，其中包括基于ZigBee的無線體域網(wǎng)節(jié)點的設(shè)計以及無線體域網(wǎng)的搭建。該系統(tǒng)的無線體域網(wǎng)節(jié)點包括無線心電采集節(jié)點、無線血氧脈搏節(jié)點、無線血壓采集節(jié)點和無線心音采集節(jié)點。最后給出了生理參數(shù)的檢測結(jié)果以及智能終端的處理與顯示結(jié)果。

　　1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

　　基于體域網(wǎng)的個人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、能夠?qū)崿F(xiàn)用戶的健康狀況實時數(shù)據(jù)動態(tài)采集和傳輸，讓用戶方便快捷地享受醫(yī)療資源。本系統(tǒng)由體域網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)中心兩部分組成，其中體域網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　圖1體域網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

　　2體域網(wǎng)傳感器節(jié)點設(shè)計

　　體域網(wǎng)系統(tǒng)由基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和移動3G智能手機(jī)終端構(gòu)成。無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠?qū)崟r周期性地采集生命體征數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。為滿足通用3G智能手機(jī)應(yīng)用，設(shè)計了Zig-Bee/藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)生命體征數(shù)據(jù)的匯聚，將生命體征數(shù)據(jù)傳輸?shù)?G智能收集終端。體域網(wǎng)傳感器節(jié)點分布示意圖如圖2所示。

　　圖2體域網(wǎng)傳感器節(jié)點分布示意圖

　　2.1 ZigBee無線傳輸模塊設(shè)計

　　ZigBee無線傳輸協(xié)議因其可靠性高、功耗低、時延短而被廣泛用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，此處無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)通信采用基于ZigBee協(xié)議的無線通信方式。

　　系統(tǒng)傳感器終端節(jié)點主要由體征參數(shù)采集模塊和ZigBee模塊組成。其中ZigBee模塊采用TI公司低功耗CC2530芯片和相應(yīng)外圍接口電路設(shè)計，體征參數(shù)如心電、血壓、血氧、心音分別由各自獨立的控制采集系統(tǒng)設(shè)計。ZigBee模塊數(shù)據(jù)無線傳輸框圖如圖3所示。

　　圖3 ZigBee模塊無線傳輸結(jié)構(gòu)圖

　　由于市面通用3G手機(jī)無ZigBee硬件模塊，而藍(lán)牙模塊是通用手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。為實現(xiàn)手機(jī)與傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)還需要設(shè)計zigBee協(xié)議和藍(lán)牙協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

　　2. 2 ZigBee/藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的設(shè)計實現(xiàn)

　　設(shè)計ZiSBee/藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)是為了實現(xiàn)ZigBee通信協(xié)議和藍(lán)牙協(xié)議之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點與智能手機(jī)藍(lán)牙設(shè)備之間數(shù)據(jù)透明傳輸。

　　2.2.1 ZigBee/藍(lán)牙肖制硬件設(shè)計

　　ZigBee/藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)在本系統(tǒng)中起橋梁作用，主要由ZigBee模塊、串口藍(lán)牙模塊及協(xié)議轉(zhuǎn)換處理單元構(gòu)成。ZigBee網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　圖4 ZigBee/藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

　　考慮到ZigBee/藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)需要使用電池供電，而且在無線通信過程中需要提供較大電流，為降低系統(tǒng)系統(tǒng)功耗，選擇低功耗STM32F103ZET6微控制器作為網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換處理的主控單元，使用TI公司低功耗無線通信芯片CC2530完成HgBee模塊設(shè)計，串口藍(lán)牙模塊選用了英國CSR公司BlueCOre04芯片完成設(shè)計，該網(wǎng)關(guān)能實現(xiàn)ZigBee模塊與串口藍(lán)牙模塊之間的協(xié)議和數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)換。

　　2.2.2 ZigBee/藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換

　　在本系統(tǒng)中，ZigBee/藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換模型如圖5所示，當(dāng)智能手機(jī)發(fā)送控制生理信號采集節(jié)點命令給ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點，數(shù)據(jù)解析流程圖如圖6所示。ZigBee/藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)會按順序進(jìn)行以下處理：從智能手機(jī)藍(lán)牙適配器接收到的命令數(shù)據(jù)去掉物理層頭的藍(lán)牙分組，去掉L2CAP頭的藍(lán)牙分組，添加網(wǎng)絡(luò)層頭的ZigBee分組，添加MAC頭的ZigBee分組，添加物理層頭的ZigBee分組，命令數(shù)據(jù)以ZigBee協(xié)議格式發(fā)送到igBee網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點。ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點有生理數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)藍(lán)牙適配器，過程相似。

　　圖5 ZigBee/藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換模型

　　STM32網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換處理單元主要處理兩個問題：分組處理和地址處理。分組處理上文巳經(jīng)實現(xiàn)，地址處理則是產(chǎn)生智能手機(jī)藍(lán)牙適配器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點建立連接的唯一標(biāo)識，從而實現(xiàn)兩個設(shè)備的連接。智能手機(jī)藍(lán)牙適配器與ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點間的傳輸過程中，藍(lán)牙適配器向網(wǎng)關(guān)發(fā)送一個連接請求，連接請求數(shù)據(jù)包中包含所要連接的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點地址信息。一旦對方的ZigBee設(shè)備接收到連接請求命令之后，它就做出決定是否接收連接請求命令。如果ZigBee設(shè)備接受連接請求命令，則藍(lán)牙設(shè)備和ZigBee設(shè)備之間就建立起連接。

　　智能手機(jī)藍(lán)牙適配器與ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點建立連接后，開始進(jìn)打數(shù)據(jù)的收發(fā)。生理數(shù)據(jù)協(xié)議解析流程如圖6所示。當(dāng)智能手機(jī)藍(lán)牙適配器向ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點發(fā)送控制信息時，根據(jù)智能手機(jī)程序設(shè)計部分設(shè)計的控制信息幀格式，設(shè)置控制標(biāo)志位為“01”，單個控制節(jié)點目的短地址由4 B的ID值確定，藍(lán)牙協(xié)議封裝完成后，由STM32網(wǎng)關(guān)協(xié)議處理單元通過串口將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給ZigBee設(shè)備，并進(jìn)行ZigBee協(xié)議封裝，最后發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點。Zig-Bee終端結(jié)點采集到的生理數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)中的路由結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)芒內(nèi)的協(xié)調(diào)器節(jié)點后，經(jīng)STM32網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換處理單元解析后，根據(jù)自己設(shè)計的數(shù)據(jù)幀格式，通過觀察數(shù)據(jù)幀的最高位是否為“1”來判斷生理數(shù)據(jù)的發(fā)送方向，若是為“1” ，則將生理數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給藍(lán)牙設(shè)備，進(jìn)行藍(lán)牙協(xié)議封裝，發(fā)送給智能手機(jī)藍(lán)牙適配器。

　　圖6生理數(shù)據(jù)協(xié)議解析流程

　　3 監(jiān)護(hù)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計在Android4. 0操作系統(tǒng)平臺下開發(fā)完成，主要有控制界面設(shè)計和功能應(yīng)用程序設(shè)計。軟件主要實現(xiàn)各個傳感器模塊的生理數(shù)據(jù)傳輸、存儲、接收、人機(jī)互換數(shù)據(jù)上傳等功能。

　　3. 1 交互界面設(shè)計

　　交互界面用來和用戶友好地進(jìn)行信息交互，根據(jù)實現(xiàn)的功能分析，最終確定有以下主要界面：主功能界面、連接遠(yuǎn)程中心界面、血氧監(jiān)控、血壓監(jiān)控、心電監(jiān)控、心音監(jiān)控界面、藍(lán)牙連接界面、藍(lán)牙設(shè)備列表界面、體征數(shù)據(jù)査詢界面及數(shù)據(jù)存儲界面。在交互界面設(shè)計中，各個交互界麵布局采用XML(擴(kuò)展標(biāo)記語言)語言設(shè)計完成，交互界面的動態(tài)顯示代碼采用Java語言設(shè)計完成。這種交互界面靜態(tài)設(shè)計與動態(tài)顯示完全分離的設(shè)計方式，可增加交互界面的靈活性。

　　3.2 功能應(yīng)用程序設(shè)計

　　功能應(yīng)用程序設(shè)計主要完成生命體征數(shù)據(jù)的接收與處理。Android手機(jī)通過藍(lán)牙與ZigBee/藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)完成通信，實時顯示采集的生命體征數(shù)據(jù)和波形，并完成數(shù)據(jù)的存儲和上傳。

　　3.2.1生命體征數(shù)據(jù)接收

　　首先手機(jī)藍(lán)牙與ZigBee/藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)建立連接，連接成功后，智能手機(jī)發(fā)送控制傳感器節(jié)點命令實現(xiàn)各個傳感器節(jié)點采集生理數(shù)據(jù)。ZigBee/藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)獲取的生命體征數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送給智能手機(jī)顯示。

　　在Android中，兩個Activity之間需要通過Handler機(jī)制實現(xiàn)信息的交互。利用Input Stream， read( byte[])方法接收各個傳感器節(jié)點采集到的生命體征數(shù)據(jù)，通過OutputStream. write(bytes[])方法發(fā)送寫控制命令給傳感器節(jié)點。

　　在系統(tǒng)設(shè)計過程中，為了區(qū)分控制傳感器節(jié)點命令和生命體征數(shù)據(jù)采集命令的信息內(nèi)容，定義了不同的幀格式。

　　表1主要區(qū)分不同的傳感器節(jié)點的控制命令信息，顯示系統(tǒng)控制的是哪個傳感器節(jié)點信息。表2主要區(qū)分不同的傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，顯示系統(tǒng)測量的是哪個生命體征信息。

　　表1控制節(jié)點信息幀格式

　　表2生命體征數(shù)據(jù)幀格式

　　3.2.2生命體征數(shù)據(jù)處理

　　生命體征數(shù)據(jù)處理主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和遠(yuǎn)程傳輸，智能手機(jī)接收到的生命體征數(shù)據(jù)以文件的形式存儲在手機(jī)的SD卡的文件夾內(nèi)并通過3G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，這樣醫(yī)護(hù)人員可以通過遠(yuǎn)程傳輸過來的數(shù)據(jù)，對用戶的身體狀況做一個評估。

　　4實驗結(jié)果顯示與分析

　　通過接收從ZigBee/藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)上發(fā)送來的多個生理數(shù)據(jù)，智能手機(jī)不斷監(jiān)聽本地藍(lán)牙端口，并通過BluetoothSocket接收迎程藍(lán)牙模塊上發(fā)送來的數(shù)據(jù)，在智能手機(jī)上顯示血氧值、脈搏、收縮壓和舒張壓，以及單導(dǎo)聯(lián)模式下心電圖的效果，并采用支持雙緩沖、多線程技術(shù)的SurfaceView在屏幕上繪出相應(yīng)的心電波形。

　　測量出的血氧、心率、舒張壓/收縮壓參數(shù)如表3所示。

　　表3血氧、心率等生理參數(shù)

　　5結(jié)束語

　　提出的利用藍(lán)牙無線傳感網(wǎng)、安卓手機(jī)實施對病人的血氧飽和度、心電心音和血壓等多生理參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。該系統(tǒng)具有快速構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、流動診斷和無創(chuàng)等優(yōu)點。當(dāng)病人某一生理機(jī)能參數(shù)超出正常數(shù)時，監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以報警，從而提醒醫(yī)護(hù)人員與病人家屬進(jìn)行搶救或醫(yī)治，保證病人生命安全。

　　作者：馬恒 陳軍波 田軍 陳心浩