無線傳感器網絡(wireless Sensor Networks，WSN)是由大量的密集部署在監控區域的智能傳感器節點構成的一種網絡應用系統。在改變世界的十大新興技術中，智能無線傳感器網絡名列第一，并被認為是未來將掀起新產業浪潮的四大高新技術之一。無線傳感器網絡在軍事領域、農業領域、環保監測領域、建筑領域、醫療監護領域、工業領域、智能家具領域、空間和海洋探索等領域中都得到了廣泛的應用。本文介紹了一種基于無線傳感器網絡技術的嵌入式遠程醫療監護系統。重點介紹了系統的結構，節點設計以及硬件實現方法。

近年來隨著通信技術、嵌入式計算技術和傳感器技術的發展，作為現代信息獲取的重要技術之一，傳感器技術日益成熟，這些小型傳感器一般稱作sensor node（傳感器節點）或者mote（灰塵）。無線傳感器網絡(wireless Sensor Networks，WSN) 就是由大量的密集部署在監控區域的智能傳感器節點構成的一種網絡應用系統。傳感器網絡具有越來越大的影響力：它將物理世界和信息技術連接起來；具有改造社會的潛力，在改變世界的十大新興技術中，智能無線傳感器網絡名列第一，并被認為是未來將掀起新產業浪潮的四大高新技術之一。由此，傳感器網絡已經引起國內外科技界和工業界的高度重視。無線傳感器網絡在軍事領域、農業領域、環保監測領域、建筑領域、醫療監護領域、工業領域、智能家具領域、空間和海洋探索等領域中都得到了廣泛的應用。

目前的醫療監護儀器可以分為兩類，一類是指在醫院內由職業醫生或專業技術人員使用的專門儀器，對病人進行生理指標的監護;另一類是在普通人員的家庭內或者戶外，在醫生的指導下，由病人本人或者家屬使用遠程醫療監護系統對病人進行監護，所得到的生理指標將及時傳送給相關醫生。目前，醫院所使用的監護方法，大多使用固定的醫療監護儀，連接設備將傳感器探頭連接在病人與監護設備之間進行信號的傳遞。復雜的設備，眾多的連線，會造成病人心理上的壓力和緊張情緒，可能會影響病人身體狀況，使得診斷所得到的數據與真實情況有一定差距，給病人和醫護人員都帶來不便，可能會影響對病情的正確診斷。隨著社會老齡化的加劇，解決長期慢性病的監護成為重要的社會問題。一些突發性疾病和家庭保健，如心血管疾病、老人的日常護理、孕婦、胎兒、嬰兒、幼兒的保健也需要長期的家庭監護。由于我國醫療資源緊缺，研究基于公用網絡的家庭醫療監護，建立小區醫療網絡，利用遠程醫療監護系統可以提高醫療服務水平，減輕病人負擔。以往的解決方案是采用有線方式或簡單的無線數據發射接收方式。被監護者身上安裝的傳感設備難以自由靈活地移動和接入，系統沒有擴展性，成本高。Zigbee 技術的出現為傳感器信號的無線傳輸提供了新的解決方案。Zigbee節點有幾十米的覆蓋范圍，且可以增加路由節點，擴展覆蓋范圍，因此適用于家庭住宅。同時由于生理監護信號的數據傳輸流量不大，傳輸速率為250kbps的Zigbee能夠滿足生理數據傳輸要求。Zigbee傳感節點可自由靈活地加入和離開網絡，相對具有低功耗和低成本的特點。本文主要闡述無線傳感器網絡醫療監護系統的體系結構以及監護節點設計的一般原則。

2   無線傳感器網絡的體系結構

2.1典型的無線傳感器網絡整體結構

如圖1所示，在監測區域內布置大量傳感器節點，節點間采用自組織方式進行組網以及利用無線通信技術進行數據轉發，每個節點都具有數據采集與數據融合轉發雙重功能。節點對本身采集到的信息和其它節點轉發給它的信息進行初步的數據處理和信息融合之后以相鄰節點接力傳送的方式傳送到基站，然后通過基站以互聯網、衛星等方式傳送給最終用戶。

2.2 節點的組成

在不同應用中，節點的組成略有不同，但都包括以下基本單元:傳感器單元(傳感器及相關信號調理和數模轉換等)、處理單元(CPU、存儲器、嵌入式操作系統)、通信單元及電源(包括相關電源管理)。此外還可以有其它功能單元:定位系統、移動系統、執行機構、電源自供電裝置及復雜信號處理(包括聲音、圖像、數據處理及信息融合)，可以根據不同的應用做出取舍，如圖2所示。

圖2 節點的組成

3基于無線傳感器網絡的遠程醫療監護體系結構

3.1 遠程醫療監護系統構成

3.1.1 遠程醫療監護系統總體功能框圖

遠程醫療監護系統的體系結構如圖3所示。系統由監護基站設備和Zigbee傳感器節點構成一個微型監護網絡，傳感器節點上使用中央控制器對所需要監測的生命指標傳感器進行控制來采集數據，通過Zigbee無線通信方式將數據發送至監護基站設備，并由該基站裝置將數據傳輸至所連接的PC或者其他網絡設備上，通過Internet網絡可以將數據傳輸至遠程醫療監護中心，由專業醫療人員對數據進行統計觀察，提供必要的咨詢服務，實現遠程醫療。在救護車中的急救人員還可通過GPRS實現將急救病人情況的實時傳送，以利于醫院搶救室及時地做好準備工作。醫療傳感器節點可以根據不同的需要而設置，因此該系統具有極大的靈活性和擴展性。同時，將該系統接入Internet網絡，可以形成更大的社區醫療監護網絡、醫院網絡乃至整個城市和全國的醫療監護網絡。

圖3遠程醫療監護系統的體系結構圖

本系統還具有良好的擴展性。例如:醫護人員在急救途中或是在其他醫院可以分別利用WLAN/UMTS網關和互聯網與系統進行信息交互。

3.1.2  中央信息處理控制中心

     如圖4所示，中央信息處理控制中心由監控模塊、配置模塊、數據庫三個部分組成。通過公共網絡與匯節點連接在一起，該模塊及時地接收匯節點發送來的各種信息，并對接收到的信息進行分析處理，根據不同的信息類型完成相應的操作，實現對分布式匯節點上報信息的及時接收、分析、處理以及向具有不同編號ID的匯節點發送控制信令，實現對傳感器節點的間接、全方位的監控和數據采集。

3.2 家庭監護網絡體系結構設計

3.2.1遠程家庭監護系統對網絡的要求

家庭監護網絡需要考慮能耗、覆蓋面、傳輸速率和互聯網進行通信等因素。系統采用基于Zigbee技術的無線網絡實現在室內對生理信號的采集，通過互聯網將生理數據傳輸到遠程監護服務器。人體攜帶可移動生理信號傳感器終端，在網絡的可覆蓋范圍內活動，通過網絡內的路由節點接入互聯網。Zigbee網絡具有自組織、動態路由、網絡節點少等特點。同時Zigbee網絡考慮了節點的能量節約，減少節點處理器的計算負擔等問題。醫院或社區的醫生可以隨時通過互聯網查看患者的生理信息，可以對生理傳感器的采集方式進行控制。同時也可以獲得無線網絡中其他監護設備的信息。

3.2.2遠程家庭監護網絡體系結構

遠程家庭監護網絡體系結構如圖5所示。Zigbee無線系統主要由Zigbee無線傳感器節點(溫度傳感器節點)、若干個具有路由功能的無線節點和zigbee中心網絡協調器(連接家庭無線網橋)組成。無線網橋連接zigbee無線網絡與以太網，是家庭無線網絡的核心部分，負責無線傳感器網絡節點和設備節點的管理。 

圖5遠程家庭監護網絡體系結構

溫度傳感器節點可以通過節點向網關發送數據。由于被監護者在家庭內自由活動，所以其攜帶的傳感器節點的路由可能是動態變化的。所設計的 Zigbee無線節點的室內通信距離為30～60m，節點可根據房間的分布進行布置，以能夠最大程度地覆蓋活動區域。溫度生理數據經過家庭網關傳輸到遠程監護服務器。遠程監護服務器負責溫度生理數據的實時采集、顯示和保存。其他的監護信息如監護圖像、安全設備狀態等也可以傳輸到服務器。醫院監護中心和醫生可以登錄監護服務器查看被監護者的生理信息．也可以遠程控制家庭Zigbee無線網絡中的傳感器和設備，從而在被監護病人出現異常時，能及時檢測到并采取搶救措施。被監護者的親屬等也可以登錄監護服務器隨時了解被監護者的健康狀況。

4監護系統硬件設計

4.1 傳感器節點設計關鍵技術

醫療無線傳感器節點主要功能為采集人體生理指標數據，或者對某些醫療設備的狀況或者治療過程情況進行動態監測，并通過射頻通信的方式，將數據傳輸至監護基站設備。醫療傳感器節點框圖和處理器單元如圖6所示。

醫療傳感器節點主要包括4 部分：生理信息與數據采集單元、無線數據通信單元、處理器單元、電源。處理單元主要分為五個部分：CPU、存儲器、AD 轉換、測試帶和數碼顯示屏。根據低功耗和處理能力的需要，可以采用TI 公司的MSP430 系列單片機；存儲器部分主要用于存儲傳感器所采集的臨時數據，在處理器將數據傳輸之后，傳感器節點內不做數據的大量存儲；用ADC12 和DAC12 對測試帶傳過的模擬信號進行轉換。工作原理：首先由控制單元發出開始監測某項生理參數的指令，然后通過無線數據通信單元把指令發給生理信息與數據采集單元對人體生理信號（體溫、血壓、脈搏、血氧等，本文主要是體溫信號）進行采集后通過無線數據通信單元將數據傳給控制和顯示單元中的信息處理模塊控制和顯示單元，一方面對接收到的數據進行處理和顯示，另一方面將結果數據存人數據庫供檢索和回放。節點的核心是無線數據通信單元和生理信息與數據采集單元。以下簡要介紹這兩個單元：

4.1.1 無線數據通信單元

在醫院應用的醫療監護設備對電磁輻射的要求都很高，對于設備來講，輻射的電磁波既不能夠干擾其他設備正常工作，同時也應具有一定的抗干擾能力，不受其他設備輻射出的電磁波干擾。因此，在醫院或者使用無限通信的家庭醫療設備在設計中必須對此方面進行考慮。

系統中所使用的射頻通信采用的通信標準為802.15.4/Zigbee標準，該標準專門針對近距離高速數據傳輸，具有較高的數據糾錯和抗干擾能力。并且，系統對無線信號的工作強度進行了控制，使得在正常狀態下，信號強度能夠滿足通信的需要而且不會有過多的浪費，一方面節省了系統的能量，另一方面也降低了無線通信過程對于其他設備的干擾。

系統所設計的射頻通信裝置使用以CC2420芯片為核心的射頻通信模塊。該芯片是美國Chipcon公司生產的，是一款低功耗無線收發芯片，尤其適合工作于低功耗、低電壓的無線通信設備中。該芯片工作在2.4GHz的免費ISM頻段，射頻收發符合IEEE802.15.4/Zigbee標準，能夠滿足本系統射頻通信的需要。無線傳感器節點的結構框圖如圖7所示。

4.1.2生理信息與數據采集單元

系統中的醫療傳感器模塊主要實現了測量體溫的功能，體溫測量可以集成北京邁創公司所生產的YSI 體溫探頭。在此系統的設計中，無線節點為傳感器擴展留出了豐富的接口，如果需要其它類型的生理指標數據，如血壓、血氧、心電等數據，則只需要將相應的傳感器接入預留的接口，就可以形成新的無線傳感器節點，開發相應的嵌入式控制及處理軟件，就可以將節點直接加入到該無線傳感器網絡中。

4.2 無線網關

    網關負責無線傳感器網絡的控制和管理，實現信息的融合處理，并將信息傳輸到互聯網。網關的數據傳輸和運算量較大，可以采用外部電力作為電源供應，因市面上有很多成熟的網關成品，因此這里選用具有較強的信息處理能力和網絡功能的ARM9系列作為控制器的網關。

                           圖8   無線網關硬件結構圖

4.3  監護基站設備設計

圖9所示是本文設計的醫療監護基站設備的結構框圖。本系統主要實現的功能是采集并顯示測試得到的數據信息，同時將數據信息進行適當存儲和網絡轉發，系統中將監護基站設備設計成一種手持設備，同時監護基站設備可以和系統中的多個傳感器節點進行通信以完成數據的采集和顯示等功能。在使用過程中，監護基站設備通過無線信道向傳感器節點發送控制命令來啟動傳感器節點，傳感器節點接收到命令后進行相應的數據采集動作，采集人體生理指標數據，采集結束后通過無線通信的方式將數據返回到監護基站，由監護基站進行進一步的顯示、存儲等操作。必要時，監護基站設備可以通過網絡將數據傳輸到遠程服務器端。　

醫療監護基站設備主要包括:處理器、存儲器、人機交互模塊、通信模塊接口等幾個部分。醫療監護設備的主處理器可以采用TI公司的MSP430系列的低功耗處理器，該系列處理器具有超低功耗、處理速度高、接口豐富等特點，非常適合用于需要超低功耗以及高速的嵌入式設備。人機交互接口包括用戶輸入指令的鍵盤以及顯示數據結果和操作過程的LCD顯示屏兩個部分。

為了增強系統的適用性和兼容性，監護基站設備上設計了多種通信模塊接口，其中包括RS-232接口、modem接口模塊、GSM短消息接口模塊和射頻接口模塊。其中射頻接口模塊用于和系統內無線傳感器節點進行近距離通信，其他通信接口用于和主機服務器進行通信。例如，在家中沒有Internet網絡接入的情況下，用戶可以使用modem模塊接入電話線進行撥號，將數據傳輸至服務器端。在戶外沒有其他連接方式的情況下，用戶可以使用GSM短消息的方式，將數據傳輸至服務器端。當處于醫院或者社區醫療中心的服務器端接收到監護基站設備所發送來的數據信息的時候，則可以對數據進行存儲以及必要的分析，醫生則可以根據這些數據進行相應的判斷和處理。對于在家中使用的醫療監護設備，用戶還可以根據需要，通過RS-232接口，將設備連接在家中的PC機上，這樣，就可以將監護基站設備的數據傳輸至計算機中，進行更靈活的管理，家庭成員可以根據數據自己判斷被監護人員的身體狀況，同時也可以將數據傳輸到主服務器上，由專業醫療人員析管理。

監護基站設備在正常工作狀態下使用電池進行供電，因此在設計過程中尤其注意了低功耗的管理與控制。在不工作的時刻，系統會進入低功耗以及休眠狀態來節省系統能量。

小結

本文介紹了無線傳感器網絡在醫療遠程監護中的簡單應用。利用高頻率的無線多通道數據傳輸方式，傳遞醫療傳感器與監護控制儀器之間的信息，減少監護設備與醫療傳感器之間的連線，使得被監護人能夠擁有較多的自由活動空間，在獲得較準確的測量指標的同時，免除病人在家庭與醫院之間奔波的勞苦。同時，如果在醫院病房內建立無線監測網絡，很多項測試也可以在病床上完成，能夠極大地方便病人就診，并加強醫院的現代化信息管理和工作效率。另外，本系統還具有高度的靈活性和擴展性，通過Internet 可以使遠離醫院等醫護機構的病員也隨時能夠得到必要的醫療監護，并且在必要的時候得到遠程醫生的咨詢指導。當無線遠程醫療系統發展成為一個成熟的醫療產品時，傳統的醫療模式將被打破， 一種全新的基于互聯網的醫療監護體系將會形成——它以醫院為核心， 面向社區、家庭與個人， 通過互聯網聯系組成一個有機整體， 保證人們無論在醫院內、院外甚至偏遠地區均能得到及時、有效、專業的醫療診斷和治療， 從而大大提高醫療水平， 使人們的生活質量越來越好。