在我國，隨著計算機網絡和通信技術的不斷發(fā)展，基于固定電話網、衛(wèi)星電話以及Internet等遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)相繼出現，在目前的情況下，無線通信網絡在傳輸方面已經具有很高的可靠性，使得基于無線網絡的心電監(jiān)護也成為可能，在這些心電監(jiān)護系統(tǒng)中，有些設備具有遠程通信功能，但由于采用較為昂貴的元器件，成本較高，有些則是采用即時模式把采集到的心電數據直接傳輸出去，無法進行長時間的跟蹤檢查，在監(jiān)護的實時性、準確性、低功耗和患者的活動范圍等方面都存在著不足，不能很好的滿足心血管疾病患者的監(jiān)護需求。
1 系統(tǒng)總體設計
本文根據醫(yī)院心電監(jiān)護與病人定位的應用背景，綜合考慮ZigBee模塊支持的網絡拓撲結構的優(yōu)缺點，采用了把以太網和ZigBee網相結合的網絡結構作為本系統(tǒng)的方案，如圖1所示。
圖1 無線網絡結構
該網絡結構是在Zigbee模塊部分的星形拓樸結構上擴展了有線網絡部分。對于移動節(jié)點而言，通過以太網相連的協(xié)調器和所有數據接收節(jié)點邏輯上可以看作傳統(tǒng)ZigBee數傳模塊星形拓樸結構中的協(xié)調器節(jié)點。雖然ZigBee數傳模塊網絡具有自組網的特性，即不需要網絡基礎結構的支持，通過節(jié)點間無線鏈路的相互轉接形成網狀結構，就可以擴大網絡的覆蓋范圍。但是最大傳輸速率250Kbps對于單路實時心電數據傳輸來說還是足夠的，如果同時還要轉發(fā)其他節(jié)點的數據就會占用了帶寬，出現瓶頸效應，嚴重限制了網絡中移動節(jié)點的數量。
因此必須限制網絡中節(jié)點數據的中繼轉發(fā)，只能選擇星形拓撲，即所有的移動節(jié)點只能與協(xié)調器之間進行數據的傳送。采用星形拓撲網絡結構后，移動節(jié)點就不需要為其他節(jié)點提供數據的中繼轉發(fā)，這能有效延長電池的續(xù)航時間。
但是單一協(xié)調器的覆蓋范圍和帶寬容量都是有限的，因此本課題考慮把多個數據接收節(jié)點及協(xié)調器通過以太網組合起來邏輯上作為一個協(xié)調器來使用，這樣可以使網絡的覆蓋范圍小、帶寬不足和移動節(jié)點的功耗高等問題得到很好解決。
如圖2所示，整個系統(tǒng)主要由三部分構成，分別是協(xié)調器節(jié)點、移動節(jié)點和數據接收節(jié)點。
圖2 zigbee組成的無線網絡系統(tǒng)
協(xié)調器節(jié)點通過以太網完成數據接收節(jié)點和移動節(jié)點的地址分配，分配具有唯一性的16位短地址。移動節(jié)點完成心電信號的Zigbee數據采集、處理以及傳輸，該節(jié)點對節(jié)點體積、便攜性以及電池壽命都有很苛刻的設計要求，同時該節(jié)點是作為數據接收節(jié)點的子節(jié)點加入到ZigBee網絡當中；數據接收節(jié)點一方面是配合移動節(jié)點做定位，定位原理是移動節(jié)點發(fā)出的定位請求數據幀，計算出接收信號強度值（RSSI）后，把RSSI值以及數據接收節(jié)點的坐標一同發(fā)給移動節(jié)點，由移動節(jié)點中CC2431內部的硬件定位引擎計算出自身的坐標值，因此要求數據接收節(jié)點的坐標是已知的，該節(jié)點是采用+5VDC直流穩(wěn)壓電源供電。
另一方面，數據接收節(jié)點還要完成心電數據的接收和經串口轉網口模塊把心電數據和定位信息傳輸給PC機，在PC機中實現心電波心的顯示與病人的實時定位。
2 無線節(jié)點的電路設計
無線節(jié)點包括協(xié)調器節(jié)點、移動節(jié)點和數據接收節(jié)點。
圖3 協(xié)調器節(jié)點的框圖
如圖3所示，協(xié)調器節(jié)點主要由CC2430芯片構成，完成數據接收節(jié)點和移動節(jié)點的地址分配，通過該地址實現節(jié)點與節(jié)點之間的互相通信。
圖4 數據接收節(jié)點的框圖
如圖4，數據接收節(jié)點主要由CC2430芯片構成，完成ZigBee無線數據包的接收。
圖5 移動節(jié)點的框圖
如圖5，本系統(tǒng)中由于移動節(jié)點不僅要完成心電信號的Zigbee數據采集，還需要提供定位病人的功能，因此移動節(jié)點選擇了CC2431這款帶硬件定位引擎的ZigBee芯片。
3 測試結果
本文是通過一個FLUKE公司PS420心電波形發(fā)生器產生1.5mV的心電波，由于采用CC2431的片內1.5V的基準電壓，AD轉換的范圍是±1.5V，所以心電放大電路板需將1.5mV的心電波放大1000倍。
接收節(jié)點接收到一幀數據后通過串口把心電數據傳給上位機應用程序，然后由上位機程序實時動態(tài)顯示。傳輸時延約500ms，傳輸距離約30米。測試結果如圖6。
圖6 傳輸測試結果
4 結論
Zigbee模塊的低功耗和可靠性非常適用于移動手持式監(jiān)測設備。本文利用Zigbee數傳模塊實現了心電信號的Zigbee數據采集和定位，其超低的功耗可以延長設備的監(jiān)測時間，避免頻繁的更換電池，大大減少監(jiān)護人員的工作量。此類設備非常適用于醫(yī)院以及老人社區(qū)等需要不間斷采集監(jiān)測對象信息的場所。