无线传感器网络在医疗中的应用

1摘要无线传感器网络(wirelessSensorNetworks，WSN)是由大量的密集部署在监控区域的智能传感器节点构成的一种网络应用系统。在改变世界的十大新兴技术中，智能无线传感器网络名列第一，并被认为是未来将掀起新产业浪潮的四大高新技术之一。无线传感器网络在军事领域、农业领域、环保监测领域、建筑领域、医疗监护领域、工业领域、智能家具领域、空间和海洋探索等领域中都得到了广泛的应用。本文介绍了一种基于无线传感器网络技术的嵌入式远程医疗监护系统。重点介绍了系统的结构，节点设计以及硬件实现方法。关键词：无线传感器网络节点802.15.4/zigbee协议远程监护2目录1引言..............................................................................................................................................32无线传感器网络的体系结构.......................................................................................................32.1典型的无线传感器网络整体结构....................................................................................32.2节点的组成.......................................................................................................................43基于无线传感器网络的远程医疗监护体系结构........................................................................43.1远程医疗监护系统构成...................................................................................................43.1.1远程医疗监护系统总体功能框图.......................................................................43.1.2中央信息处理控制中心.....................................................................................53.2家庭监护网络体系结构设计...........................................................................................53.2.1远程家庭监护系统对网络的要求........................................................................53.2.2远程家庭监护网络体系结构................................................................................64监护系统硬件设计........................................................................................................................74.1传感器节点设计关键技术...............................................................................................74.1.1无线数据通信单元...............................................................................................74.1.2生理信息与数据采集单元....................................................................................84.2无线网关...........................................................................................................................84.3监护基站设备设计.........................................................................................................8小结................................................................................................................................................10参考文献.........................................................................................................................................1131引言近年来随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展，作为现代信息获取的重要技术之一，传感器技术日益成熟，这些小型传感器一般称作sensornode（传感器节点）或者mote（灰尘）。无线传感器网络(wirelessSensorNetworks，WSN)就是由大量的密集部署在监控区域的智能传感器节点构成的一种网络应用系统。传感器网络具有越来越大的影响力：它将物理世界和信息技术连接起来；具有改造社会的潜力，在改变世界的十大新兴技术中，智能无线传感器网络名列第一，并被认为是未来将掀起新产业浪潮的四大高新技术之一。由此，传感器网络已经引起国内外科技界和工业界的高度重视。无线传感器网络在军事领域、农业领域、环保监测领域、建筑领域、医疗监护领域、工业领域、智能家具领域、空间和海洋探索等领域中都得到了广泛的应用。目前的医疗监护仪器可以分为两类，一类是指在医院内由职业医生或专业技术人员使用的专门仪器，对病人进行生理指标的监护;另一类是在普通人员的家庭内或者户外，在医生的指导下，由病人本人或者家属使用远程医疗监护系统对病人进行监护，所得到的生理指标将及时传送给相关医生。目前，医院所使用的监护方法，大多使用固定的医疗监护仪，连接设备将传感器探头连接在病人与监护设备之间进行信号的传递。复杂的设备，众多的连线，会造成病人心理上的压力和紧张情绪，可能会影响病人身体状况，使得诊断所得到的数据与真实情况有一定差距，给病人和医护人员都带来不便，可能会影响对病情的正确诊断。随着社会老龄化的加剧，解决长期慢性病的监护成为重要的社会问题。一些突发性疾病和家庭保健，如心血管疾病、老人的日常护理、孕妇、胎儿、婴儿、幼儿的保健也需要长期的家庭监护。由于我国医疗资源紧缺，研究基于公用网络的家庭医疗监护，建立小区医疗网络，利用远程医疗监护系统可以提高医疗服务水平，减轻病人负担。以往的解决方案是采用有线方式或简单的无线数据发射接收方式。被监护者身上安装的传感设备难以自由灵活地移动和接入，系统没有扩展性，成本高。Zigbee技术的出现为传感器信号的无线传输提供了新的解决方案。Zigbee节点有几十米的覆盖范围，且可以增加路由节点，扩展覆盖范围，因此适用于家庭住宅。同时由于生理监护信号的数据传输流量不大，传输速率为250kbps的Zigbee能够满足生理数据传输要求。Zigbee传感节点可自由灵活地加入和离开网络，相对具有低功耗和低成本的特点。本文主要阐述无线传感器网络医疗监护系统的体系结构以及监护节点设计的一般原则。2无线传感器网络的体系结构2.1典型的无线传感器网络整体结构如图1所示，在监测区域内布置大量传感器节点，节点间采用自组织方式进行组网以及利用无线通信技术进行数据转发，每个节点都具有数据采集与数据融合转发双重功能。节点对本身采集到的信息和其它节点转发给它的信息进行初步的数据处理和信息融合之后以相邻节点接力传送的方式传送到基站，然后通过基站以互联网、卫星等方式传送给最终用户。42.2节点的组成在不同应用中，节点的组成略有不同，但都包括以下基本单元:传感器单元(传感器及相关信号调理和数模转换等)、处理单元(CPU、存储器、嵌入式操作系统)、通信单元及电源(包括相关电源管理)。此外还可以有其它功能单元:定位系统、移动系统、执行机构、电源自供电装置及复杂信号处理(包括声音、图像、数据处理及信息融合)，可以根据不同的应用做出取舍，如图2所示。图2节点的组成3基于无线传感器网络的远程医疗监护体系结构3.1远程医疗监护系统构成3.1.1远程医疗监护系统总体功能框图远程医疗监护系统的体系结构如图3所示。系统由监护基站设备和Zigbee传感器节点构成一个微型监护网络，传感器节点上使用中央控制器对所需要监测的生命指标传感器进行控制来采集数据，通过Zigbee无线通信方式将数据发送至监护基站设备，并由该基站装置将数据传输至所连接的PC或者其他网络设备上，通过Internet网络可以将数据传输至远程医疗监护中心，由专业医疗人员对数据进行统计观察，提供必要的咨询服务，实现远程医疗。在救护车中的急救人员还可通过GPRS实现将急救病人情况的实时传送，以利于医院抢救室及时地做好准备工作。医疗传感器节点可以根据不同的需要而设置，因此该系统具有极大的灵活性和扩展性。同时，将该系统接入Internet网络，可以形成更大的社区医疗监护网络、医院网络乃至整个城市和全国的医疗监护网络。5HITACHI其他医院WLANZigBeeSensorGPRS医疗设备医生病人医院信息中心家庭监护图3远程医疗监护系统的体系结构图本系统还具有良好的扩展性。例如:医护人员在急救途中或是在其他医院可以分别利用WLAN/UMTS网关和互联网与系统进行信息交互。3.1.2中央信息处理控制中心如图4所示，中央信息处理控制中心由监控模块、配置模块、数据库三个部分组成。通过公共网络与汇节点连接在一起，该模块及时地接收汇节点发送来的各种信息，并对接收到的信息进行分析处理，根据不同的信息类型完成相应的操作，实现对分布式汇节点上报信息的及时接收、分析、处理以及向具有不同编号ID的汇节点发送控制信令，实现对传感器节点的间接、全方位的监控和数据采集。3.2家庭监护网络体系结构设计3.2.1远程家庭监护系统对网络的要求公共网络控制台主机数据库显示终端图4信息中心模块图6家庭监护网络需要考虑能耗、覆盖面、传输速率和互联网进行通信等因素。系统采用基于Zigbee技术的无线网络实现在室内对生理信号的采集，通过互联网将生理数据传输到远程监护服务器。人体携带可移动生理信号传感器终端，在网络的可覆盖范围内活动，通过网络内的路由节点接入互联网。Zigbee网络具有自组织、动态路由、网络节点少等特点。同时Zigbee网络考虑了节点的能量节约，减少节点处理器的计算负担等问题。医院或社区的医生可以随时通过互联网查看患者的生理信息，可以对生理传感器的采集方式进行控制。同时也可以获得无线网络中其他监护设备的信息。3.2.2远程家庭监护网络体系结构远程家庭监护网络体系结构如图5所示。Zigbee无线系统主要由Zigb