Zigbee无线网络在线心电监测系统

在我国，随着计算机网络和通信技术的不断发展，基于固定电话网、卫星电话以及Internet等远程心电监护系统相继出现，在目前的情况下，无线通信网络在传输方面已经具有很高的可靠性，使得基于无线网络的心电监护也成为可能，在这些心电监护系统中，有些设备具有远程通信功能，但由于采用较为昂贵的元器件，成本较高，有些则是采用即时模式把采集到的心电数据直接传输出去，无法进行长时间的跟踪检查，在监护的实时性、准确性、低功耗和患者的活动范围等方面都存在着不足，不能很好的满足心血管疾病患者的监护需求。

1 系统总体设计

本文根据医院心电监护与病人定位的应用背景，综合考虑ZigBee模块支持的网络拓扑结构的优缺点，采用了把以太网和ZigBee网相结合的网络结构作为本系统的方案，如图1所示。

图1 无线网络结构

该网络结构是在Zigbee模块部分的星形拓朴结构上扩展了有线网络部分。对于移动节点而言，通过以太网相连的协调器和所有数据接收节点逻辑上可以看作传统ZigBee数传模块星形拓朴结构中的协调器节点。虽然ZigBee数传模块网络具有自组网的特性，即不需要网络基础结构的支持，通过节点间无线链路的相互转接形成网状结构，就可以扩大网络的覆盖范围。但是最大传输速率250Kbps对于单路实时心电数据传输来说还是足够的，如果同时还要转发其他节点的数据就会占用了带宽，出现瓶颈效应，严重限制了网络中移动节点的数量。

    因此必须限制网络中节点数据的中继转发，只能选择星形拓扑，即所有的移动节点只能与协调器之间进行数据的传送。采用星形拓扑网络结构后，移动节点就不需要为其他节点提供数据的中继转发，这能有效延长电池的续航时间。

    但是单一协调器的覆盖范围和带宽容量都是有限的，因此本课题考虑把多个数据接收节点及协调器通过以太网组合起来逻辑上作为一个协调器来使用，这样可以使网络的覆盖范围小、带宽不足和移动节点的功耗高等问题得到很好解决。

如图2所示，整个系统主要由三部分构成，分别是协调器节点、移动节点和数据接收节点。

图2 zigbee组成的无线网络系统

    协调器节点通过以太网完成数据接收节点和移动节点的地址分配，分配具有唯一性的16位短地址。移动节点完成心电信号的Zigbee数据采集、处理以及传输，该节点对节点体积、便携性以及电池寿命都有很苛刻的设计要求，同时该节点是作为数据接收节点的子节点加入到ZigBee网络当中；数据接收节点一方面是配合移动节点做定位，定位原理是移动节点发出的定位请求数据帧，计算出接收信号强度值（RSSI）后，把RSSI值以及数据接收节点的坐标一同发给移动节点，由移动节点中CC2431内部的硬件定位引擎计算出自身的坐标值，因此要求数据接收节点的坐标是已知的，该节点是采用+5VDC直流稳压电源供电。

另一方面，数据接收节点还要完成心电数据的接收和经串口转网口模块把心电数据和定位信息传输给PC机，在PC机中实现心电波心的显示与病人的实时定位。

2 无线节点的电路设计

无线节点包括协调器节点、移动节点和数据接收节点。

图3 协调器节点的框图

如图3所示，协调器节点主要由CC2430芯片构成，完成数据接收节点和移动节点的地址分配，通过该地址实现节点与节点之间的互相通信。

图4 数据接收节点的框图

如图4，数据接收节点主要由CC2430芯片构成，完成ZigBee无线数据包的接收。

图5 移动节点的框图

如图5，本系统中由于移动节点不仅要完成心电信号的Zigbee数据采集，还需要提供定位病人的功能，因此移动节点选择了CC2431这款带硬件定位引擎的ZigBee芯片。

3 测试结果

本文是通过一个FLUKE公司PS420心电波形发生器产生1.5mV的心电波，由于采用CC2431的片内1.5V的基准电压，AD转换的范围是±1.5V，所以心电放大电路板需将1.5mV的心电波放大1000倍。

接收节点接收到一帧数据后通过串口把心电数据传给上位机应用程序，然后由上位机程序实时动态显示。传输时延约500ms，传输距离约30米。测试结果如图6。

图6 传输测试结果

4 结论

Zigbee模块的低功耗和可靠性非常适用于移动手持式监测设备。本文利用Zigbee数传模块实现了心电信号的Zigbee数据采集和定位，其超低的功耗可以延长设备的监测时间，避免频繁的更换电池，大大减少监护人员的工作量。此类设备非常适用于医院以及老人社区等需要不间断采集监测对象信息的场所。