基于WBAN的多参数健康监护系统研究与设计
李建辉 刘畅 王彩申 王强强
摘 要： 针对家庭健康监护设备可穿戴、易用性的基本特征需求，提出一种基于WBAN实现的生命体征多参数监测。系统由数据中心、监测节点、智能终端融合多种无线通信网络构成。监测节点通过ZigBee网络采集心电、血压、体温监测节点信号，同时在本地储存和实时显示；设计智能终端专用APP软件，通过蓝牙获取监测数据，并基于公网上传到数据服务中心和监护人。测试比对结果表明，该系统能获得与医疗级别监护设备相当的生命体征监测数据。系统通过多种无线通信方式融合和嵌入式技术应用，有效地减小了硬件体积，提高了可穿戴性能，有助于体征数据全面监控和管理，为家庭健康监护应用提供了一条有效途径。
关键词： 无线体域网； 穿戴式设备； ZigBee； 蓝牙网关； 健康监护
中图分类号： TN915?34； TN99 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）22?0149?03
Abstract： Aiming at the demands for wearability and usability essential features of the home health monitoring device， a vital signs multi?parameter health monitoring system based on WBAN is proposed. The system is composed of the data center， monitoring node， intelligent terminal fusing multiple wireless communication networks. The signals of ECG， blood pressure， body temperature monitoring nodes are acquired through ZigBee network， stored in local， and displayed in real time. The APP software dedicated to the intelligent terminal is designed， which can acquire the monitoring data through Bluetooth， and upload the data via public network to data service center and guardian. The test and comparison results show that the system can acquire the vital signs monitoring data considerable with the medical grade monitoring device. The system can reduce the hardware volume and improve the wearable performance， by means of multiple communication modes fusion and embedded technology application， is contribute to the comprehensive monitoring and management of the sign data， and can provide an effective approach for home health monitoring application.
Keywords： WBAN； wearable device； ZigBee； Bluetooth gateway； health monitoring
随着人口老龄化程度加快，家庭健康监护设备成为医疗监护研究的热点课题。随着物联网技术快速发展，无线体域网（Wireless Body Area Network，WBAN）技术应运而生。WBAN是以人体为中心的短距离无线通信网络[1]，已为人体健康监护、远程医疗、社区养老等领域提供了重要技术支撑。近年来WBAN相关技术研究工作及应用取得了一些成果，如：周聪聪等穿戴式无线心率监测系统[2]，王长清等无线体温监测系统[3]，颜国栋无线血压监测系统[4]， GE公司GEB30监护系统，迈瑞特公司BenView T5，Philips公司Home?base Telemonitoring System 等专用监护设备。文献[2?4]系统功能单一，专用监护设备价格昂贵，主要应用于医院和大型疗养机构，对于家庭健康监护并不适用。本文提出了一种采用可穿戴式无线生命体征监测技术和智能手机相结合的方式，可实时监测人体的心电、血压、体温信号，解决了部分体征参数检测需要专业设备、专业人员参与、价格昂贵等问题，为家庭健康监护提供了一种新途径。
1 系统架构
多参数健康监护系统总体框图如图1所示，系统由监测节点、智能终端、数据服务中心组成。监测节点采集和汇聚来自ZigBee网络各独立工作穿戴式节点采集的心电信号、血压信号、体温信号；智能终端融合ZigBee，蓝牙、WLAN等通信协议，通过蓝牙获取监测数据，在自主设计的APP上进行存储、显示；数据服务中心、监护人通过公网获取智能终端的监测信息，并储存至个人健康档案中。
2 穿戴式無线体域网传感器节点设计
穿戴式心电节点、血压节点和体温节点构建了WBAN的最底层。各传感器节点由微处理器、无线通信模块、传感器相关调理电路、A/D转换和电源管理电路组成。微处理器采用CC2530F256微处理器，内置ZigBee协议栈、8路输入和可配置分辨率的12位ADC。针对各穿戴式传感器节点采集的生理信号差异，为其分别设计了硬件上有差异的传感器调理电路，保证了各节点独立、周期性地采集生命体征参数，进行数据处理及传输。
2.1 心电信号监测节点设计
心电信号（ECG）具有微弱性、低频特性、内阻大、干扰大等特征[5]。穿戴式心电信号采集模块采用高增益放大电路、高阻抗匹配电路、较高共模抑制比、高品质因数、陷波电路、带通滤波电路等特性的电路，来完成原始信号的放大和滤波。
ECG信号采集选用三导联Ag/AgCl电极。电极采集到的信号，经AD623进行一级放大（5倍），经带通滤波器（0.05～130 Hz）滤除由人体正常产生的低频噪声信号和线路引起的高频噪声，LM324二级放大（10倍）后，通过二阶高通滤波器（0.05 Hz）进一步滤除低频噪声，陷波器（50 Hz）消除工频干扰，经低通滤波（130 Hz）和LM324进行三级放大（15倍）后，送至CC2530的A/D转换器，完成对心电信号的采集。
2.2 血压信号监测节点设计
血压监测方法采用国际上通用的测振法与幅度系数法来进行测定，节点的设计采用袖带式监测。在血压监测波形中，收缩压（Ps） 产生时，幅值为As；舒张压（Pd）产生时，幅值为Ad；波幅最大值Am。当袖带压>Ps时，动脉被压闭；当袖带压<ps，波幅增大；当袖带压=pm时，波幅达到最大值am；当袖带压<pd，波幅维持在较小的水平。经验公式如下：
根据反复的测试情况，本系统最终设置[AsAm]=0.5，[AdAm]=0.76。血压监测节点原理框图如图2所示，压力传感器采用MPX5050，内部有温度补偿、偏置电压，输出电压正比于压力值和偏置电压，接A/D转换后输出。
2.3 体温监测节点设计
体温监测采用耳带式进行监测，耳膜（鼓膜）温度最接近人体真实体温，传感器选用非接触数字红外温度传感器MLX90614，其检测精度为±0.2 ℃，完全满足体温测量要求。经由SMBus总线与CC2530连接，通过SMBus其兼容协议接口模式输出。
3 WBAN数据传输关键单元设计
为了解决WBAN可靠性传输[6]等问题，本文设计了ZigBee/蓝牙异构网络网关，如图3所示。网关实现数据汇聚、传输协议转换。穿戴式无线体域网传感器节点数据经ZigBee网络进行汇聚，ZigBee网络工作频段为2.4 GHz。系统采用具有蓝牙通信接口智能手机作为智能终端，蓝牙工作频段为2 400～2 483.5 MHz，可和ZigBee，WLAN设备共存。选用ZigBee网络负责WBAN底层数据传输，模块选用CC2530，蓝牙通信协议作为本地数据上传至智能终端的通信协议，模块选用CC2540。协议转换器控制器选用具有2个USRT的MSP430。
4 系统软件设计
系统软件主要实现穿戴式无线体域网监测节点数据采集、ZigBee/蓝牙传输协议转换等功能。
4.1 ZigBee/蓝牙传输协议转换设计
ZigBee/蓝牙网关管理层主要实现数据分组封装和拆封。ZigBee汇聚节点向智能终端蓝牙发送生命体征信息其过程如下：
Step1：ZigBee汇聚节点将生命体征信息通过串口发送给网关主控器；
Step2：主控制器去掉ZigBee分组信息、头文件，数据部分转交给蓝牙控制器；
Step3：添加蓝牙头分组及物理层分组后，将数据以蓝牙协议格式发送至智能终端的蓝牙适配器。
4.2 血压监测节点数据采集软件设计
Step1：CC2530 GPIO启动气泵充气，充至袖带压强=200 mmHg；
Step2：10 mmHg/s的速度阶梯放气；
Step3：MPX5050检出一路信号经CC2530 ADC0转换后，监视直流分量；
Step4：另一路信号使CC2530的ADC1工作；
Step5： 查找Am= Ammax；
Step6：Ps=0.5Ammax，Pd=0.76Ammax。
5 系统测试
选取5位年龄19～65岁、3男2女测试，体温、血压、心电采用比对测量方式。仪器为欧姆龙电子血压计HEM?7300，范围为0～299 mmHg，精度为±4 mmHg；耳入式体标温定仪，范围为34.0～42.2 ℃，精度为±0.025 ℃；结果如表1所示；心电信号与医院十三导联的心电图比对见图4。
6 结 语
本文设计了一种以ZigBee穿戴式节点构建WBAN多参数健康监护系统可实时监测并获得了较高精度心电、血压、体温信号；有效融合了多协议无线数据传输技术、实现了生命體征数据有效的管理和监护，同时减少了系统体积；智能终端选用智能手机，无线通信网络采用公共网络，系统总体成本较低；对实现家庭健康监护的穿戴性及普适性有积极作用。
参考文献
[1] 孙彦赞，姜玉凤，吴雅婷，等.基于改进式随机不完全着色算法的无线体域网干扰协调[J].电子与信息学报，2015，37（9）：2204?2210.
[2] 周聪聪，涂春龙，高云，等.腕带式低功耗无线心率监测装置的研制[J].浙江大学学报，2015，49（4）：798?804.
[3] 王长清，杨琳琳.基于ZigBee技术的体温监测系统的设计[J].河南师范大学学报，2014，42（1）：42?45.
[4] 颜国栋，戴敏.基于无线传感网络的连续血压远程监护系统[J].天津理工大学学报，2013，29（1）：37?40.
[5] 李兆元，方勇，于宗泽.基于静态阈值的无线体域网压缩感知心电降噪重构[J].电子测量技术，2016，39（11）：140?145.
[6] 李彦，周艺，刘雨声，等.无线体域网中基于时隙滑动窗口的概率路由协议[J].计算机科学，2016，43（11）：259?263. </ps，波幅增大；当袖带压=pm时，波幅达到最大值am；当袖带压
摘 要： 针对家庭健康监护设备可穿戴、易用性的基本特征需求，提出一种基于WBAN实现的生命体征多参数监测。系统由数据中心、监测节点、智能终端融合多种无线通信网络构成。监测节点通过ZigBee网络采集心电、血压、体温监测节点信号，同时在本地储存和实时显示；设计智能终端专用APP软件，通过蓝牙获取监测数据，并基于公网上传到数据服务中心和监护人。测试比对结果表明，该系统能获得与医疗级别监护设备相当的生命体征监测数据。系统通过多种无线通信方式融合和嵌入式技术应用，有效地减小了硬件体积，提高了可穿戴性能，有助于体征数据全面监控和管理，为家庭健康监护应用提供了一条有效途径。
关键词： 无线体域网； 穿戴式设备； ZigBee； 蓝牙网关； 健康监护
中图分类号： TN915?34； TN99 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）22?0149?03
Abstract： Aiming at the demands for wearability and usability essential features of the home health monitoring device， a vital signs multi?parameter health monitoring system based on WBAN is proposed. The system is composed of the data center， monitoring node， intelligent terminal fusing multiple wireless communication networks. The signals of ECG， blood pressure， body temperature monitoring nodes are acquired through ZigBee network， stored in local， and displayed in real time. The APP software dedicated to the intelligent terminal is designed， which can acquire the monitoring data through Bluetooth， and upload the data via public network to data service center and guardian. The test and comparison results show that the system can acquire the vital signs monitoring data considerable with the medical grade monitoring device. The system can reduce the hardware volume and improve the wearable performance， by means of multiple communication modes fusion and embedded technology application， is contribute to the comprehensive monitoring and management of the sign data， and can provide an effective approach for home health monitoring application.
Keywords： WBAN； wearable device； ZigBee； Bluetooth gateway； health monitoring
随着人口老龄化程度加快，家庭健康监护设备成为医疗监护研究的热点课题。随着物联网技术快速发展，无线体域网（Wireless Body Area Network，WBAN）技术应运而生。WBAN是以人体为中心的短距离无线通信网络[1]，已为人体健康监护、远程医疗、社区养老等领域提供了重要技术支撑。近年来WBAN相关技术研究工作及应用取得了一些成果，如：周聪聪等穿戴式无线心率监测系统[2]，王长清等无线体温监测系统[3]，颜国栋无线血压监测系统[4]， GE公司GEB30监护系统，迈瑞特公司BenView T5，Philips公司Home?base Telemonitoring System 等专用监护设备。文献[2?4]系统功能单一，专用监护设备价格昂贵，主要应用于医院和大型疗养机构，对于家庭健康监护并不适用。本文提出了一种采用可穿戴式无线生命体征监测技术和智能手机相结合的方式，可实时监测人体的心电、血压、体温信号，解决了部分体征参数检测需要专业设备、专业人员参与、价格昂贵等问题，为家庭健康监护提供了一种新途径。
1 系统架构
多参数健康监护系统总体框图如图1所示，系统由监测节点、智能终端、数据服务中心组成。监测节点采集和汇聚来自ZigBee网络各独立工作穿戴式节点采集的心电信号、血压信号、体温信号；智能终端融合ZigBee，蓝牙、WLAN等通信协议，通过蓝牙获取监测数据，在自主设计的APP上进行存储、显示；数据服务中心、监护人通过公网获取智能终端的监测信息，并储存至个人健康档案中。
2 穿戴式無线体域网传感器节点设计
穿戴式心电节点、血压节点和体温节点构建了WBAN的最底层。各传感器节点由微处理器、无线通信模块、传感器相关调理电路、A/D转换和电源管理电路组成。微处理器采用CC2530F256微处理器，内置ZigBee协议栈、8路输入和可配置分辨率的12位ADC。针对各穿戴式传感器节点采集的生理信号差异，为其分别设计了硬件上有差异的传感器调理电路，保证了各节点独立、周期性地采集生命体征参数，进行数据处理及传输。
2.1 心电信号监测节点设计
心电信号（ECG）具有微弱性、低频特性、内阻大、干扰大等特征[5]。穿戴式心电信号采集模块采用高增益放大电路、高阻抗匹配电路、较高共模抑制比、高品质因数、陷波电路、带通滤波电路等特性的电路，来完成原始信号的放大和滤波。
ECG信号采集选用三导联Ag/AgCl电极。电极采集到的信号，经AD623进行一级放大（5倍），经带通滤波器（0.05～130 Hz）滤除由人体正常产生的低频噪声信号和线路引起的高频噪声，LM324二级放大（10倍）后，通过二阶高通滤波器（0.05 Hz）进一步滤除低频噪声，陷波器（50 Hz）消除工频干扰，经低通滤波（130 Hz）和LM324进行三级放大（15倍）后，送至CC2530的A/D转换器，完成对心电信号的采集。
2.2 血压信号监测节点设计
血压监测方法采用国际上通用的测振法与幅度系数法来进行测定，节点的设计采用袖带式监测。在血压监测波形中，收缩压（Ps） 产生时，幅值为As；舒张压（Pd）产生时，幅值为Ad；波幅最大值Am。当袖带压>Ps时，动脉被压闭；当袖带压<ps，波幅增大；当袖带压=pm时，波幅达到最大值am；当袖带压<pd，波幅维持在较小的水平。经验公式如下：
根据反复的测试情况，本系统最终设置[AsAm]=0.5，[AdAm]=0.76。血压监测节点原理框图如图2所示，压力传感器采用MPX5050，内部有温度补偿、偏置电压，输出电压正比于压力值和偏置电压，接A/D转换后输出。
2.3 体温监测节点设计
体温监测采用耳带式进行监测，耳膜（鼓膜）温度最接近人体真实体温，传感器选用非接触数字红外温度传感器MLX90614，其检测精度为±0.2 ℃，完全满足体温测量要求。经由SMBus总线与CC2530连接，通过SMBus其兼容协议接口模式输出。
3 WBAN数据传输关键单元设计
为了解决WBAN可靠性传输[6]等问题，本文设计了ZigBee/蓝牙异构网络网关，如图3所示。网关实现数据汇聚、传输协议转换。穿戴式无线体域网传感器节点数据经ZigBee网络进行汇聚，ZigBee网络工作频段为2.4 GHz。系统采用具有蓝牙通信接口智能手机作为智能终端，蓝牙工作频段为2 400～2 483.5 MHz，可和ZigBee，WLAN设备共存。选用ZigBee网络负责WBAN底层数据传输，模块选用CC2530，蓝牙通信协议作为本地数据上传至智能终端的通信协议，模块选用CC2540。协议转换器控制器选用具有2个USRT的MSP430。
4 系统软件设计
系统软件主要实现穿戴式无线体域网监测节点数据采集、ZigBee/蓝牙传输协议转换等功能。
4.1 ZigBee/蓝牙传输协议转换设计
ZigBee/蓝牙网关管理层主要实现数据分组封装和拆封。ZigBee汇聚节点向智能终端蓝牙发送生命体征信息其过程如下：
Step1：ZigBee汇聚节点将生命体征信息通过串口发送给网关主控器；
Step2：主控制器去掉ZigBee分组信息、头文件，数据部分转交给蓝牙控制器；
Step3：添加蓝牙头分组及物理层分组后，将数据以蓝牙协议格式发送至智能终端的蓝牙适配器。
4.2 血压监测节点数据采集软件设计
Step1：CC2530 GPIO启动气泵充气，充至袖带压强=200 mmHg；
Step2：10 mmHg/s的速度阶梯放气；
Step3：MPX5050检出一路信号经CC2530 ADC0转换后，监视直流分量；
Step4：另一路信号使CC2530的ADC1工作；
Step5： 查找Am= Ammax；
Step6：Ps=0.5Ammax，Pd=0.76Ammax。
5 系统测试
选取5位年龄19～65岁、3男2女测试，体温、血压、心电采用比对测量方式。仪器为欧姆龙电子血压计HEM?7300，范围为0～299 mmHg，精度为±4 mmHg；耳入式体标温定仪，范围为34.0～42.2 ℃，精度为±0.025 ℃；结果如表1所示；心电信号与医院十三导联的心电图比对见图4。
6 结 语
本文设计了一种以ZigBee穿戴式节点构建WBAN多参数健康监护系统可实时监测并获得了较高精度心电、血压、体温信号；有效融合了多协议无线数据传输技术、实现了生命體征数据有效的管理和监护，同时减少了系统体积；智能终端选用智能手机，无线通信网络采用公共网络，系统总体成本较低；对实现家庭健康监护的穿戴性及普适性有积极作用。
参考文献
[1] 孙彦赞，姜玉凤，吴雅婷，等.基于改进式随机不完全着色算法的无线体域网干扰协调[J].电子与信息学报，2015，37（9）：2204?2210.
[2] 周聪聪，涂春龙，高云，等.腕带式低功耗无线心率监测装置的研制[J].浙江大学学报，2015，49（4）：798?804.
[3] 王长清，杨琳琳.基于ZigBee技术的体温监测系统的设计[J].河南师范大学学报，2014，42（1）：42?45.
[4] 颜国栋，戴敏.基于无线传感网络的连续血压远程监护系统[J].天津理工大学学报，2013，29（1）：37?40.
[5] 李兆元，方勇，于宗泽.基于静态阈值的无线体域网压缩感知心电降噪重构[J].电子测量技术，2016，39（11）：140?145.
[6] 李彦，周艺，刘雨声，等.无线体域网中基于时隙滑动窗口的概率路由协议[J].计算机科学，2016，43（11）：259?263. </ps，波幅增大；当袖带压=pm时，波幅达到最大值am；当袖带压
