基于ZigBee技术的健康监测仪嵌入式设计

曾红武

摘 要：针对我国人口老龄化加剧，慢病发病人数快速上升，并逐渐成为影响国家经济和社会发展的大问题的现象，文中提出了一种基于ZigBee技术的嵌入式健康监测仪。利用心率、脉搏、温度等传感器感知人体生理信号，通过ZigBee无线网络将多种生理信号传送到终端设备，利用向量自回归模型对传输数据做优化处理，开发一种对多种生理体征进行同时、实时、随时的监测仪。经验证，该监测仪性能稳定，达到了设计要求。该设备的研发对慢病管理的家庭化起到了辅助作用。

关键词：ZigBee技术；传感器；向量自回归；监测仪；嵌入式

中图分类号：TP206；TN06 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）08-00-03

0 引 言

近年来，伴随着人口老龄化的加剧，慢病发病人数快速上升，并已逐渐成为影响国家经济和社会发展的大问题，因此加强慢病管理至关重要[1]。我国慢病管理模式主要为患者定时去医院监测各项生理指标并记录，医生根据检测指标做出相应的临床诊断和处理。这种被动式记录方式在现代生活中极大地增加了经济成本和时间成本，造成医疗资源的浪费。如果有一种设备能方便、快捷地采集患者连续时间段内的体征数据，既有利于患者自我监测，也有利于医生及时根据收集的体征数据进行临床观测和诊治。

ZigBee技术具有构建成本低、功耗低、稳定性高、可自组网等优点，是一种使用比较广泛的短距离无线通信技术，目前广泛运用于智能家居等领域[2]。本文研究开发了一种基于ZigBee技术的健康监测仪，研究利用ZigBee无线传感网络将温度、脉搏、心率传感器等采集的人体生理参数发送到信息控制终端并显示，同时创新性地提出采用向量自回归模型保证数据传输的稳定性，实现了前端多种数据同时采集，后端进行数据处理的比较理想的慢病智能多路健康监测仪[3]。

1 系统设计

信息采集系统由感知层、网络层、应用层组成，网络拓扑结构采用典型星型结构。

（1）感知层由传感器和节点组成，负责体征信息采集。

（2）网络层由节点和协调器组成，节点将采集到的体征信息通过ZigBee网络上传至协调器。

（3）应用层通过上位机程序将协调器接收到的信息做相应的处理。

健康监测仪由传感器模块、终端节点、协调器组成，其工作结构如图1所示。

当有节点传感器失效时，采用向量自回归模型，根据其前时数据和其他完好的传感器数据计算出该传感器的现时数据，以提高系统数据采集的完整性和准确性。

2 硬件设计

基于ZigBee技术的健康监测仪硬件主要包括节点模块和协调器模块。

2.1 节点模块设计

传感器模块具有采集脉搏、心率、体温等人体相应体征信息的功能。以采集体温信息为例说明其工作运行模式。节点模块包括ZigBee模块和体温传感器。ZigBee模块采用德州仪器公司生产的CC2530芯片作为核心。CC2530是单芯片上集成一个完整系统（SoC）的完美解决方案，广泛适用于2.4 GHz

IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE等[4]。由于其可自组网，

因此能以较低成本建立强大的网络节点。CC2530内置了性能优良的RF收发器，搭载了增强型8051中央处理单元，系统内可编程闪存，8 kB随机内存和许多其他具有强大功能的模块[5]。CC2530运行模式之间的转换时间较短，以确保其功耗较低，非常适合家用。体温传感器采用合肥华科电子科技有限公司生产的HKT-09A体温传感器，该传感器采用专业的电流驱动电路和Honeywell热敏电阻敏感元件，芯片将CMOS与传感器相结合，体积较小[6]。HKT-09A体温传感器具有温度测量响应时间快、精度高（精度可达0.01℃）等特点[7]。HKT-09A支持在线温度校准，可通过相应指令对测量温度进行调整。该传感器适合各类基于单片机开发的体温测量系统[8]。图2所示为HKT-09A与CC2530连接图。

从图2可以看出，HKT-09A传感器的GND为接地管脚，传感器RS 232与CC2530的P1-4连接，引脚上接一个10 kΩ的电阻实现上拉。传感器RXTX与控制器P1-5连接，电源与地之间并联一个电容。

2.2 协调器模块设计

协调器负责多个节点信息的采集、汇总、上传、组网。协调器由CC2530控制器模块、时钟模块、WiFi模块、存储器模块、显示模块等组成。WiFi模块负责服务器与协调器之间的数据通信。协调器内部结构如图3所示。

CC2530负责控制协調器模块，是整个模块的核心部分。服务器与协调器之间的信息传递借助WiFi模块实现。在本文设计中，WiFi模块采用亿佰特科技公司生产的E103-W01模块。E103-W01模块的工作频段为2.4～2.483 5 GHz，发射功率为100 mW，在没有遮挡的情况下，其有效传输距离可达800 m，采用贴片小体积封装工艺，是一款具有超高性价比的串口转WiFi模块。模块中陶瓷天线与IPX并存，使得共振频率较高，终端接收效果较好[9]。模块可使用串口及其他接口进行数据收发，降低了无线应用的门槛[10]。E103-W01是一款工业级芯片，可在高温、高湿、强电磁环境中长期使用，完全满足本文设计的需求[11]。

3 软件设计

系统软件设计包括节点程序和协调器程序，其中协调器程序利用向量自回归模型可有效保证数据收发的完整性。

3.1 节点程序设计

节点程序负责温度、脉搏、心率等传感器的初始化，接收传感器采集到的信息并发送数据。节点将这些信息通过ZigBee无线网络上传至协调器。CC2530通过通道进行A/D转换，将采集到的信息转换为数字信号。节点程序设计框图如

图4所示。

传感器及CC2530加电并复位，ZigBee协议栈调用函数osal_init_system（）执行初始化OSAL工作。向温度模块、血压模块、心电模块发送执行命令，传感器开始采集人体信号，并返回采集结果。无线模块将采集到的信息发送到协调器。

3.2 协调器程序设计

协调器程序主要负责组网、节点信息收集，并接收上位机的指令进行相应的处理。协调器程序设计框架如图5所示。

协调器加电复位后，系统调用osal_init_system（）函数初始化OSAL。节点与协调器自组网成功，协调器接收节点上传的传感器信息，然后验证节点信息的完整性。如果完整则处理上位机命令，发送信息；如果不完整，则调用向量自回归模型校正信息后再发送。但數据采集失败次数超过三次，便会发出警报提示是否被采集人出现异常情况。

3.3 向量自回归模型程序设计

当ZigBee网络中部分传感器失效时，系统将自动采用向量自回归模型校正信息。向量自回归模型的原理是根据之前采集的数据和其他完好的传感器采集的数据融合计算出当前失效传感器的正确值[12]。通过向量自回归模型可以提高数据传输的稳定性和正确性。算法如下所示[13]：

（1）假设L为传感器采集的总数据个数，Q为传感器个

数，P为有效传感器个数。

（2）假设完好的传感器数据为Av1，Av2，…，Avn。

（3）依据向量自回归算法构造向量矩阵 Mn=[1；Av1；…；Avn]。

（4）假设，对W矩阵进行LU分解，W=LU，得到，从而得到，根据参数值L，Q，P，U，B得到误差向量。

（5）依据以上结果可知，失效传感器的数据为Av=BUv+ε。

4 验证及分析

以一个协调器、一个温度节点进行验证及分析，主要验证温度的误差。本文使用北京金泰科仪生产的人体专用红外温度快速检测仪CW110进行测试对比，CW110测试的标准温度为36.7℃[14]。从200次测试结果来看，测量值与标准值的差在0.1～0.2℃之间，数据具有较高的稳定性，完全符合人体温度测试要求。50次测试结果与标准值比较图如图6所示。

5 结 语

本文利用ZigBee技术开发了一种可同时采集、传输多种生理体征信息的健康监测仪。设备结构简单，成本低，无线传输布线使用便捷，同时可方便地接入Web系统，完全可满足人们对慢病的随访及相关信息的采集、管理、分析和利用，改善患者及家庭成员普遍缺乏慢病自我管理知识的现象，促进家庭与社区 “共同参与”，既符合我国国情，又具有成本低、效益好，能同时覆盖大量慢病患者等优点，对于慢病防治具有重要意义。

参考文献

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