基于ZigBee的心电监护及病人定位系统的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.7MB 63 页 15积分

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摘要

无线医疗监护系统克服了传统有线医疗监护系统的不足，使得病人可在任何

时间和地点获得生理和病理等参数的监护。人体的心电信号在一定程度上真实地

反映了心脏各部位的生理状况，是医疗监护参数中的重要指标。而 ZigBee 是一种

新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介于无线标记技术(RFID)

和蓝牙(Bluetooth)之间的无线接入技术。基于以上的优点，ZigBee 技术在心电

信号传输及无线医疗监护等医学领域具有很好的发展前景。

本文结合医院监护的应用特点，提出了基于 ZigBee 无线网络的心电监护及

定位系统方案。该方案确定了适用于无线心电传输的网络拓扑结构及各个不同功

能设备。本系统主要由两大部分构成，分别为心电采集及发射模块和无线接收模

块。

心电采集模块采用了 TI 公司的仪表放大器 INA118 芯片作为核心，主要完成

心电信号的采集、滤波及放大功能。

无线传输模块采用了 TI 公司的 CC2430/CC2431 SOC 芯片作为核心，设计了

协调器节点、数据接收节点和移动节点等无线模块，主要完成心电信号的 AD 转换、

数据的无线传输及定位等功能。

最后，采用 Visual Basic 可视化的编程语言设计开发了上位机测试程序，

达到实时显示心电波形和病人位置的目的。护士工作站的医护人员通过本系统可

随时查看病人的实时心电波形和当前位置，在突发情况下，医生通过定位功能可

快速地对病人实施抢救。

关键字：无线心电监护 ZigBee ZigBee 定位

ABSTRACT

Wireless health monitoring system overcomes the shortage of traditional cable

health monitoring system, making patients be supervised the physiological and

pathological parameters at any time or place. ECG is a true reflection of the

physiological status of the heart to some extent, and it is also the key indicators in the

medical monitoring electrical parameters. ZigBee is an emerging short-range,

low-speed, low-power wireless networking technology, which is a wireless access

technology between RFID and Bluetooth. For the advantages mentioned above, it has

good prospects to use ZigBee in the ECG transmission and wireless medical

monitoring in the near future.

In this paper, ECG monitoring and positioning system solution using ZigBee

wireless network is proposed. The solution presents the network topology and the

various devices which can be suitable to use in the wireless ECG transmission. The

system is mainly composed of three major sections, such as the ECG acquisition

module, wireless transmitter module and wireless receiver module.

ECG acquisition module uses TI's INA118 instrumentation amplifier chip as the

core, to accomplish the function of ECG collection, filtering and amplification.

Wireless transmission module uses TI's CC2430/CC2431 SOC chip as the core,

including three wireless modules, such as coordinator node, data reception node and

mobile nodes, mainly to accomplish the function of the ADC, wireless transmission of

the ECG data and location message.

Finally, PC testing programs in Visual Basic are designed, including real-time

monitoring of ECG waveform and patients location. So medical staff can supervise the

real-time ECG waveform and the current position of patients with mobile node, and

doctor can quickly implement emergency measures for patients in unexpected

situations.

Keywords: Wireless ECG, ZigBee, ZigBee positioning

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.................................................................................................................. 1

§1.1 课题来源与背景...............................................................................................1

§1.2 国内外研究状况...............................................................................................2

§1.3 课题研究的目的及意义...................................................................................3

§1.4 本课题研究的内容...........................................................................................3

第二章 ZigBee 技术....................................................................................................... 5

§2.1 ZigBee 概述.......................................................................................................5

§2.2 IEEE802.15.4 标准............................................................................................5

§2.2.1 IEEE 802.15.4 主要特点.........................................................................6

§2.2.2 ZigBee 网络拓朴结构.............................................................................8

§2.2.3 ZigBee 技术的应用...............................................................................10

§2.3 Zigbee 协议框架 ..............................................................................................11

§2.3.1 物理层（PHY）规范...........................................................................11

§2.3.2 媒体介质访问层（MAC）规范 ..........................................................11

§2.3.3 网络层（NWK）规范 ......................................................................... 11

§2.3.4 应用层(APL)规范 ................................................................................ 12

§2.4 本章小结.........................................................................................................12

第三章系统架构和开发环境...................................................................................... 14

§3.1 系统架构.........................................................................................................14

§3.1.1 引言.......................................................................................................14

§3.1.2 CC2430/31 芯片概述............................................................................ 14

§3.1.3 CC2430/31 主要特性............................................................................ 16

§3.1.4 CC2430/31 的最小电路系统................................................................ 16

§3.1.5 CC2431 定位原理介绍 ......................................................................... 17

§3.1.6 系统的总体设计...................................................................................18

§3.2 ZigBee 在无线 ECG 的可行性评估 ...............................................................20

§3.2.1 传输速率...............................................................................................20

§3.2.2 时延.......................................................................................................20

§3.3 开发环境.........................................................................................................20

§3.3.1 Z-Stack 协议栈简介..............................................................................20

§3.3.2 Z-Stack 软件架构..................................................................................21

§3.3.3 Z-Stack API 函数 .................................................................................. 22

§3.4 本章总结.........................................................................................................23

第四章系统的硬件设计.............................................................................................. 24

§4.1 心电采集放大电路设计.................................................................................24

§4.1.1 引言.......................................................................................................24

§4.1.2 心电放大电路的设计要求...................................................................25

§4.1.3 前置放大器设计...................................................................................26

§4.1.4 低通滤波电路.......................................................................................29

§4.1.5 高通滤波电路.......................................................................................30

§4.1.6 主放大电路...........................................................................................31

§4.1.7 50Hz 陷波电路设计..............................................................................31

§4.1.8 电源电路设计.......................................................................................32

§4.1.9 心电采集板实物图...............................................................................34

§4.2 无线节点的电路设计.....................................................................................34

§4.2.1 引言.......................................................................................................34

§4.2.2 协调器节点...........................................................................................35

§4.2.3 数据接收节点.......................................................................................35

§4.2.4 移动节点...............................................................................................36

§4.2.5 PCB 天线 ............................................................................................... 37

§4.3 本章小结.........................................................................................................38

第五章程序设计及测试.............................................................................................. 39

§5.1 低功耗设计.....................................................................................................39

§5.2 消息帧格式设计.............................................................................................40

§5.3 消息流程设计.................................................................................................41

§5.4 心电采集程序设计.........................................................................................42

§5.5 无线定位程序设计.........................................................................................45

§5.6 PC 机程序设计 ................................................................................................46

§5.7 测试结果.........................................................................................................48

§5.7.1 心电传输实验.......................................................................................48

§5.7.2 病人定位实验.......................................................................................48

§5.8 本章小结.........................................................................................................49

第六章总结与展望...................................................................................................... 50

参考文献........................................................................................................................ 52

附录 A ............................................................................................................................ 55

附录 B ............................................................................................................................ 58

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果............................................ 60

致谢................................................................................................................................ 61

第一章绪论

§1.1 课题来源与背景

随着现代人们生活节奏的加快和工作压力的增大，心血管疾病在人群中的发

病率趋于上升。据统计，全球疾病死亡人数中，有三分之一死于心血管疾病。心

脏病无疑是危害人类健康的一大杀手。所以，世界各国都十分重视在心血管疾病

的诊断与治疗领域的资金投入和科学研究，以实现尽可能大地提高心脏病患者的

生活质量和降低心血管疾病的死亡率。若能做到对心脏的活动状况实时、全面的

监测，医生就能及时对病人进行救治，以预防心脏病人突发死亡情况的发生。

常规心电图是病人在医院静卧状态下，由心电图机记录下来的心电信息。医

院心电图机通常具有12个心电导联，可从多个角度观察到心脏不同部位的活动情

况。但医院对病人的心脏检测仅历时几十秒，心电图仅记录6～100个心动周期，

只能获取很少的心脏活动信息。正常人24小时的心搏数达10万次以上，因此在几

十秒的检测时间内有效捕捉到心律失常的概率是非常低。对于阵发性心律失常，

即使病人感觉到不适，往往常规心电图检查是很难捕获到的。

ZigBee是一种网络容量大、节点体积小、架构简单、低速率、低功耗的无线

通信技术，它广泛应用于对传输速率要求不高的短距离无线通信系统[1,30]。它采用

IEEE802.15.4/ZigBee 标准协议，在数千个传感器构成的无线网络之间实现相互

通信。采用ZigBee无线技术的传感器的功耗低，电池使用寿命长，而且其支持接

力的无线传输方式，即两个不能互相通信的节点可借助于第三方节点来实现通信，

因此系统具有很高的效率。与已有的其它无线通信技术相比，如Wi-Fi技术、RFID、

Bluetooth等，ZigBee的网络成本最低，系统功耗也最小，而且ZigBee技术还能用

于设备或人员的定位，定位精度在1.5m～3m之间。

传统的心电监护采用有线的方式，病人需要静卧在病床上进行，这对于那些

能下地活动而又需要进行长时间心电监护的病人来说是很不方便的。虽然医院也

采用了Holter做移动心电记录仪，但其缺点是不具备实时性，无法实时监护病人

的心脏活动状态。而把ZigBee技术引入无线心电监护领域，可让患者摆脱导联线

的羁绊，既能够对患者进行实时心电监护，又能给出患者的当前位置信息，这就

允许患者在一定范围内自由活动，以利于病情的稳定，也为医生实施抢救提供很

重要位置信息。

基于 ZigBee 的心电监护及病人定位系统的研究

§1.2 国内外研究状况

1957年，美国物理学家Holter发明了一种用磁带记录仪对自由移动的病人实

现长时间连续心电图记录的方法，开创了移动式ECG记录和诊断的新领域，在很大

程度上弥补了常规心电图记录仪的不足，而后来人们将这种长时间连续记录的心

电图称为动态心电图（Dynamic electrocardiogram），简称 DCG[2]。长时间动态

心电图记录能有效发现心率失常，对诊断早期心血管疾病和心率失常的治疗具有

重要的临床价值。1961年，美国首先把动态心电图技术应用到临床，随后在发达

国家之间也很快流行开来。我国于1978年改革开放后开始引进动态心电图技术，

临床应用逐步深入，慢慢地从大医院逐渐走向中小乡镇医院，在心血管疾病诊断

领域中的广泛使用，具有效率高、无创而又准确的心血管疾病的检测方法。

1960年，美国的医院相继开设了冠心病监护病房（CCU）和重症监护病房（ICU），

通过长时间的心电监测及血流检测对病人进行监护治疗[3]。但是，面对数量庞大的

家庭心血管疾病的患者，ICU和CCU还是无法满足这一群体的需求。

20世纪70年代，美国成功研究出使用电话传输线的心电图监测系统[4]。该系统

是以微型计算机为核心的心电数据管理系统，使用电话线实时传输心电数据并通

过计算机软件实现远程心电监护。患者可通过心电记录仪随时随地向医院心电监

护中心传输心电波形，医生只需要查看患者的心电波形就可以给出诊断结果，这

也给数量庞大的家庭心血管疾病患者的心电监测和治疗提供便利。在此后的20多

年中，电话心电图监测系统得到了飞速发展，与该系统配合使用的移动节点也得

到很大的发展。

20世纪90年代中期，在2G数字移动网刚开始投入运营时欧美等国家就开始了

基于2G网络的远程医疗研究。在美国就有多所大学进行了基于移动通信技术的远

程医疗系统的研究，其中开展最早的并且已有一定成果的大学有美国马里兰州立

大学的Mobile Telemedicine Testbed项目。该项目开始于1996年，主要是研究利

用移动通信技术在急救车上向急救中心传输病人的重要心理信息，如心电、血压

和血氧饱和度等参数。为了满足系统对通信带宽的要求，该系统使用了一个2～8

台GSM手机构成的手机阵列作为通信平台，并且已经在临床上测试使用，也取得了

比较理想的效果。

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，例如李婷等研制的LCD心电显示系

统[5]；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，如李亨元等研制的远程心电监护系统[6]、王鸿

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摘要：

摘要无线医疗监护系统克服了传统有线医疗监护系统的不足，使得病人可在任何时间和地点获得生理和病理等参数的监护。人体的心电信号在一定程度上真实地反映了心脏各部位的生理状况，是医疗监护参数中的重要指标。而ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介于无线标记技术(RFID)和蓝牙(Bluetooth)之间的无线接入技术。基于以上的优点，ZigBee技术在心电信号传输及无线医疗监护等医学领域具有很好的发展前景。本文结合医院监护的应用特点，提出了基于ZigBee无线网络的心电监护及定位系统方案。该方案确定了适用于无线心电传输的网络拓扑结构及各个不同功能设备。本系统主要由两大部分...

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