周光清 张继瑜 郭劲松
【摘要】叙述了一种基于物联网（Zigbee）的多生理参数健康管理检测终端的研制。心电、心率、血压、血氧、体温等生理参数的检测由自行设计的独立模块完成，各生理参数检测模块内置物联网模块以传输数据，采用的物联网网络为Zigbee网络，蓝牙转Zigbee网关接收Zigbee网络的数据并通过蓝牙传输到具有蓝牙接口的运行Android系统的个人终端（手机或平板电脑），由个人终端显示，需要时上传到网络数据库。
【关键词】生理参数 Zigbee 蓝牙 Android
基金项目：广东省科技计划项目（编号：2011B010200009；2012B031800150；2012B010100026）
周光清 张继瑜：南方医科大学南方医院广东 广州510515
郭劲松：南方医科大学基础医学院广东广州510515
通讯作者：郭劲松
【Abstract】
This article introduces designing of multi-physiological data health management system based on the Internet of Things（Zigbee）. ECG， heartrate， blood pressure， spo2， body temperature are measured by individual modules in the system. Every module of physiological data measuring has a built-in module based on the Internet of Things for transferring data. Zigbee network is adopted and the data are transited by Bluetooth via the gateway of Zigbee to personal terminals （cell phone or laptops） with Android system and even uploaded to network databank when necessary.
【Key words】Physiological Data， Zigbee， Bluetooth， Android
【Author′s address】Southern Medical University Nanfang Hospital， Guangzhou 510515， Guangdong Province， China
doi：10.3969/j.issn.1671-332X.2014.09.003
1引言
健康管理首先需要获得人体的健康状况，其中，生理参数（心电、心率、血压、血氧、体温）的测量是必须的，也是非常重要的。由于这些生理参数指标是人体健康状况的直接反映，所以多参数监护在临床中也被广泛应用。检测的方法一般是通过集成式的多参数监护仪来实现。但这种一体化的多参数监护仪，体积较大，需连接多种传感导联线，移动不便，只能作为医院病房床头监护。在很多情况下，我们需要对移动中（正常活动中）的人体进行监护，如可自由活动的住院病人，以及家庭、社区中需要实时检测生理参数的人们，健康管理的触角需要延伸到社区和家庭［1-2］。这就需要一种便携化、可携带的生理参数检测仪器，能在离开床头监护仪的情况下继续检测，并将结果发送到中心接收站。
本研究针对这种情况，设计了一个基于物联网（Zigbee）技术的多参数检测系统，各生理参数的检测均由独立的模块完成，每一模块都内置物联网模块，可将检测结果发出，经过Zigbee转蓝牙网关后，可由随身携带的个人终端（手机或平板电脑）接收，如果需要还可通过个人终端远程传输到远端网络数据库保存。
2系统设计
2.1检测模块的设计
本研究研制的系统，需要在人体正常活动时检测各项生理参数，检测仪器必须尽可能实现体积小、重量轻的目标，集成式的仪器设计显然不适合，各检测模块独立是较好的选择，因此我们自行设计并制作了独立的心电、血压、血氧、体温检测模块［3］。在各模块的设计中，都采用了低功耗、体积小的MSP430系列单片机作为中心控制单元，具体型号为MSP430F1612。
心电检测模块采用三导联心电电极设计，四个导联线分别连接四个肢体电极，进入心电检测模块后，由单片机控制的导联转换电路选择检测的信号，经过初级放大、带通滤波、工频陷波、后级放大等电路处理后，由MSP430单片机的模数转换单元转换为12位的数字信号。同时心电信号经过心率检测电路转换为与R波同步的脉冲信号，连接到单片机，由单片机的计时器计算R波间隔时间，并转换为心率。然后心电和心率信号再由单片机转换为固定格式［4］的数据帧，通过单片机的串口发送至Zigbee模块进行传送。
血压检测采用基于示波法的无创检测方法，模块内置血压气泵和气阀，气路连接到外部袖带。单片机控制气泵给袖带充气，同时通过压力传感器检测袖带内的气压，经过放大后由MSP430单片机进行模数转换并计算处理，根据袖带内的气压变化过程计算出收缩压和舒张压。然后血压数据再由单片机转换为固定格式［4］的数据帧，通过单片机的串口发送至Zigbee模块进行传送。
血氧检测模块采用一般指套式血氧传感器，单片机驱动发光控制电路，使得血氧传感器内部的红光和红外光发光管轮流发光，透过指头后的剩余光强由光敏管检测，光强信号经过放大、滤波等处理后，由MSP430单片机进行模数转换并计算处理，得出血氧含量数据，再由单片机转换为固定格式［4］的数据帧，通过单片机的串口发送至Zigbee模块进行传送。
体温检测则采用常规热敏电阻式体温传感器，体温变化转换为电阻值的变化，经过电路转换为电压的变化，由单片机读入并转化为体温数据。同样，体温数据也由单片机转换为固定格式［4］的数据帧，通过单片机的串口发送至Zigbee模块进行传送。
2.2数据传输网络的设计
采用各生理参数分开检测的方式，一方面可以简化设计，方便使用，但另一方面也给数据传输的设计带来了挑战。由于各检测模块有可能同时传出数据，数据接收端必须能同时接收多个检测模块发来的数据。物联网技术是最近兴起的用于物物连接的技术，狭义上的物联网指连接物品到物品的网络，实现物品的智能化识别和管理；广义上的物联网则可以看作是信息空间与物理空间的融合，将一切事物数字化网络化［5］。而Zigbee是物联网的重要通讯技术之一，是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，其突出优点是应用简单，工作频段灵活，低功耗，低成本，高可靠性，具有自组网和自恢复能力等［6］，特别是可实现一对多的数据传输，特别适合传感网络的应用。
本研究中的设计采用基于CC2530芯片的Zigbee模块，内置Zigbee 2007/PRO协议栈，只留出串口，设计者无需了解Zigbee协议栈，只需要读写串口，即可实现数据的无线传输。模块主要特性有：①自动组网：上电后，模块自动组网，协调器自动给路由分配地址，无需人工干预，模块若掉电，网络可自动修复。
②数据透传：使用串口，可实现数据在任意两个模块之间的传输。
③安全性高：网络经过128 bit数据加密处理，用户可自行设定密钥，以防数据泄露、阻止非授权节点获取网络数据。
④灵活性强：出厂默认为路由器，用户可任意配置为协调器或路由器。
⑤使用方便：用户无需了解Zigbee协议，只需使用串口就可以实现无线传输。
该模块上电后，会自动组网，但所有模块中必须有一个唯一的模块设置为协调器，由它给其他模块分配地址，其他模块则设置成路由器。
每个生理参数的检测模块内，都内置一个Zigbee模块，由MSP430单片机实现指令的收发和数据的传输。由于MSP430单片机和Zigbee模块都采用3.3 V供电，两者的串口是电平兼容的，可以直接连接，大大简化了设计。单片机只需要按照Zigbee模块的数据格式要求与它进行串行通讯即可。同时，检测模块内部的Zigbee模块都设置为路由器模式，方便组网。
2.3蓝牙转Zigbee网关以及个人终端的设计
各生理参数检测模块获得的数据，需要有一个个人终端接收并显示，需要时上传。相对于在基于ARM的模块基础上自行设计的方案，采用开放系统的手机或平板电脑将是更合适的选择，一方面手机或平板电脑有完整的输入输出部分和电池供电系统，另一方面也有与外部通讯的接口，可以方便地交换数据，因此本系统采用运行Android系统的手机或平板电脑作为个人终端。但这一类终端只内置了蓝牙收发功能，而没有内置Zigbee模块，为了使个人终端能够接收Zigbee网络传来的数据，我们设计了一种蓝牙转Zigbee网关，可以方便的实现蓝牙和Zigbee两种传输协议的转换。
该网关由两部分组成，一部分是一个Zigbee模块，该模块与各生理参数检测模块内置的Zigbee模块相同，只是被设置成协调器模式，上电后，该模块将负责Zigbee网络的组网；另一部分则是一个蓝牙模块。该蓝牙模块采用CSR主流蓝牙芯片，符合蓝牙V2.0协议标准，内置天线，波特率默认出厂9 600，用户可设置，核心模块尺寸大小为：27 mm×13 mm×2 mm，电源电压3?3 V，可通过串口接受控制指令和收发数据，接口电平3.3 V，可以直接连接Zigbee模块的串口。该蓝牙模块有两种工作模式：主机模式和从机模式，在本系统中，蓝牙模块设置为从机，以便和工作于主机模式的作为个人终端的手机和平板电脑中的蓝牙模块配对工作，配对以后可以作为全双工串口使用。
以上设计的蓝牙转Zigbee网关，其Zigbee模块能接收各检测模块的数据，转换为串行数据传给蓝牙模块发送，由个人终端接收；而个人终端发出的指令通过该网关的蓝牙模块接收，转换为串行数据，发给Zigbee模块，由各检测模块接收，从而实现各检测模块和个人终端间的双向通讯。
个人终端上的程序则使用JAVA语言编写，基于Android 4.1系统，在编译成安装文件后，拷贝到个人终端上，即可安装使用。经测试，安装程序在平板电脑和手机上都可正常运行。实现的功能包括通过蓝牙接口向各生理参数检测模块发送控制指令，通过蓝牙模块接收检测数据并显示、心电波形描图，调用个人终端的联网功能（2G、3G、WIFI）将检测数据发送到网络服务器。除了检测各项生理参数，程序还允许手动输入一些数据，如体重等，这些数据也会被上传到网络数据库保存，作为健康状态评估的依据之一。
2.4系统整体结构
综上所述，本系统的结构图如图1所示，各生理参数检测模块内置Zigbee通讯模块，可与蓝牙转Zigbee网关中的Zigbee模块形成Zigbee网络；而蓝牙转Zigbee网关中的蓝牙模块可与个人终端的蓝牙模块相连接。个人终端可通过蓝牙，经蓝牙转Zigbee网关中转，向各检测模块发送控制指令；各检测模块的检测数据也可经蓝牙转Zigbee网关中转，发送到个人终端接收，需要时可发送到网络数据库。
3结果与讨论
本研究设计的系统，以运行Android系统的手机或平板电脑为个人终端，实现了通过个人终端程序，经蓝牙转Zigbee网关中转，控制心电、心率、血压、血氧、体温等5项生理参数检测模块的运行、停止，并接收检测模块的结果数据，在个人终端上显示结果，需要时，个人终端可通过调用个人终端的联网功能（2G、3G、WIFI）将检测数据发送到网络服务器。图2为在手机上检测心电和血氧的实时结果图。
测试中，整个系统运行稳定，响应迅速。无线网络（包括Zigbee和蓝牙）可轻松实现无遮挡情况下5米以上的传输距离，实现了设计目标。
本研究所实现的系统，还只是一个实验性质的系统，着重于功能的实现，各检测模块和蓝牙转Zigbee网关还只是电路板及其连接。在将来的工作中，一方面应尽可能减少各检测模块的体积、重量，并为其设计电池供电系统，如血氧检测可设计为指套式，整个仪器都置于指套内，血压则设计为腕式的（市面上已有这两类仪器）。有条件的模块（如心电、体温等低功耗检测项目）可以设计为可穿戴式；另一方面可以增加检测项目，如呼吸、人体姿态等生理参数的检测。Zigbee网络理论上可以容纳上万个节点，但实际应用中，由于各种限制，一般认为不能超过100各节点，但100个对于人体参数检测完全够用，这也是我们选择Zigbee网络的原因。
当各生理参数的检测都能实现可穿戴式，或微型化后，我们就能够非常方便地通过可穿戴式传感器，或者通过微型化的检测仪器，获得人体各项生理参数，通过物联网汇集到个人终端，最终上传到网络数据库。如能实现这样的系统，对提高医疗服务质量、推进疾病预防、促进健康管理事业的发展，将是一个很大的推动。
［1］江红. 全域医疗服务体系的构建与实施研究［J］.现代医院，2011，11（6）：1-4.
［2］徐嘉亿，李玉敏，赵晓玲，等. 社区居家养老医疗服务需求分析［J］.现代医院，2011，11（2）：151-152.
［3］邓亲恺，郭劲松，李永勤，等. 现代医学仪器设计原理 ［M］. 北京：科学出版社，2004.
［4］郭劲松，梁妃学，邓亲恺. 家庭、社区远程医疗诊断系统数据传输协议的设计［J］. 中国医疗器械杂志，2011，35（5）：361-363.
［5］孙其博，刘杰，黎羴，等. 物联网：概念架构与关键技术研究综述［J］. 北京邮电大学学报，2010，33（3）：1-9.
［6］章伟聪，俞新武，李忠成. 基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点［J］. 计算机系统应用，2011，20（7）：184-187.