基于ZigBee的孕產婦圍產期監(jiān)測系統(tǒng)

滕志軍，何 鑫，趙 雷，張 帆

(1.東北電力大學 信息工程學院，吉林 吉林 132012;2.吉化集團總醫(yī)院 介入科，吉林 吉林 132022)

全國對孕產婦圍產期的監(jiān)護力度很大，也很重視。保障孕婦安全的重要手段就是孕期檢查，發(fā)現(xiàn)高危因素，及時干與和監(jiān)護。目前醫(yī)療機構主要通過有線監(jiān)護儀對孕婦健康狀況進行檢查，監(jiān)護儀體積大，操作復雜，必須要求孕婦在醫(yī)院由專業(yè)人士操作。由于孕婦的行動不變就造成了監(jiān)測次數(shù)不足、監(jiān)測數(shù)據不準確，容易導致醫(yī)生誤診。而且有線的連接方式導致網絡的可擴展性差，不能滿足監(jiān)護設備網絡化的需求。針對以上問題，提出了以ZigBee網絡和3G網絡為傳輸媒介的小區(qū)式遠程監(jiān)測系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)孕婦的居家體檢，保障孕婦及胎兒安全。

1 系統(tǒng)總體設計

從網絡結構來看，ZigBee網絡分為星型網、樹狀網、網狀網三類[1]。設計中采用星型網絡，該網絡適用于短距離、環(huán)境干擾大的場合，并具有組網簡單、傳輸時延短等優(yōu)勢。

圖1所示為基于ZigBee和3G技術的孕產婦遠程監(jiān)測系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由ZigBee星型網絡、3G網絡和監(jiān)測中心構成。ZigBee網絡中傳感器節(jié)點對目標用戶進行數(shù)據采集并發(fā)送至網絡協(xié)調器，協(xié)調器通過節(jié)點ID識別用戶，然后將用戶身份信息加載到檢測數(shù)據中，構成新的數(shù)據凈荷，最終利用3G網絡將打包數(shù)據發(fā)送到監(jiān)測中心。監(jiān)測中心將接收數(shù)據存儲到數(shù)據庫，經計算處理后通過人機界面顯示，供醫(yī)生分析、做出診斷。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器節(jié)點硬件設計

傳感器節(jié)點的MCU選用TI公司的CC2530芯片。CC2530結合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051CPU，擁有定時器、看門狗、ADC模塊等片上外設，支持UART接口、SPI接口和DMA傳輸方式，并兼容ZigBee Pro/2007協(xié)議棧[2]。CC2530芯片功耗低、抗干擾能力強，從睡眠模式轉換到工作模式的時延小，特別適合那些對電池工作時間要求高的系統(tǒng)[3]。

傳感器節(jié)點針對孕產婦的生理數(shù)據進行采集、存儲與發(fā)送。為避免電磁波對孕婦產生輻射，放棄采用采集與發(fā)射同時進行的監(jiān)測手段。先將節(jié)點采集到的檢測數(shù)據和對應時間(利用附加電池的DS1302時鐘芯片)通過SPI接口存儲到SD卡中[4]。檢測結束后，將設備從孕婦身上摘離。當S1鍵被按下，節(jié)點開始尋找網絡并向協(xié)調器發(fā)送入網請求信號。如果協(xié)調器允許入網，傳感器節(jié)點會利用CSMA/CA(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突防止)機制找尋信道空閑時機[5]，并將SD卡中存儲的檢測數(shù)據與對應時間發(fā)送到網絡協(xié)調器，否則繼續(xù)發(fā)送入網請求信號，直至入網成功。通過有效地結合SD卡與時鐘芯片，解決了電磁波對孕婦和胎兒的危害，使得系統(tǒng)更具實用性。傳感器節(jié)點結構圖如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點結構圖

2.2 協(xié)調器節(jié)點硬件設計

圖3 協(xié)調器結構圖

設計采用小區(qū)模式的無線傳感器網絡，即協(xié)調器位于小區(qū)中心，終端節(jié)點分布在有需要的家庭。協(xié)調器作為無線傳感器網絡的中心主要完成網絡的建立與配置、綁定表的維護、端點識別、節(jié)點數(shù)據的接收與處理并通過3G模塊完成數(shù)據從ZigBee網絡到3G網絡的轉發(fā)等功能。協(xié)調器處理芯片同樣采用CC2530，3G無線模塊采用華為公司生產的EM560模塊。該模塊支持通用串行總線(USB)、移動通信(TD-SCDMA/HSPA)等技術，同時，它還具有豐富的接口包括 UART、USB2.0、GPIO、GPS和內嵌 SIM 卡等[6]。協(xié)調器系統(tǒng)結構如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 傳感器節(jié)點軟件設計

傳感器節(jié)點首先對采集傳感器、SD卡和時鐘芯片等硬件進行初始化，并通過設置寄存器來關閉無線發(fā)送與接收功能，避免電磁波對孕婦產生輻射影響。然后利用定時器中斷間隔性的對傳感器采集到的數(shù)據進行提取，并通過SPI接口將采集數(shù)據與對應時間存儲到SD卡。采集結束后，用戶按下S1鍵，則初始化ZigBee協(xié)議棧，開啟無線發(fā)送與接收，并發(fā)送加入網絡請求信號，等待協(xié)調器響應[7]。如果該節(jié)點加入網絡成功，則進入休眠狀態(tài)。當產生定時器中斷時，芯片立即從休眠狀態(tài)喚醒并利用ZigBee網絡將SD卡中存儲的檢測數(shù)據發(fā)送到網絡協(xié)調器，發(fā)送數(shù)據成功則進入休眠狀態(tài)，等待下一次中斷喚醒，發(fā)送失敗則重新發(fā)送。傳感器節(jié)點的工作流程如圖4所示。

3.2 協(xié)調器節(jié)點軟件設計

網絡協(xié)調器完成網絡的建立與配置、數(shù)據的匯總與向上傳輸?shù)裙δ?。協(xié)調器通過天線將電磁波轉換為電信號來獲得數(shù)據，數(shù)據類型可分為兩種。一種是傳感器節(jié)點加入網絡的請求信號，根據協(xié)調器的應答來決定該節(jié)點是否授權入網。另一種是傳感器節(jié)點發(fā)送的檢測數(shù)據，協(xié)調器通過接收的數(shù)據包中的節(jié)點ID來識別用戶，然后將用戶身份信息加載到檢測數(shù)據中，構成新的數(shù)據凈荷，最后通過3G網絡將打包數(shù)據發(fā)送到監(jiān)測中心完成數(shù)據傳輸。協(xié)調器的工作流程如圖5所示。

3.3 監(jiān)測中心軟件設計

圖4 傳感器節(jié)點流程圖

圖5 協(xié)調器節(jié)點流程圖

監(jiān)測中心將3G網絡傳輸?shù)男畔⒔邮詹凑沼脩羯矸萱溄拥綌?shù)據庫中存儲，由系統(tǒng)進行數(shù)據處理、分析，并通過基于C#語言編寫的界面將數(shù)據顯示，供監(jiān)護人員分析、做出診斷。為方便監(jiān)護人員對數(shù)據進行觀察、比對，利用MATLAB軟件提供的函數(shù)接口與C#語言編寫的界面進行連接。監(jiān)護人員只需按下操作界面中的“數(shù)據比對”命令按鈕，就可以調用MATLAB中的繪圖函數(shù)將檢測數(shù)據與對應時間以及數(shù)據均值以圖形方式在監(jiān)測界面中顯示，更有利于分析。

4 系統(tǒng)測試

圖6 當前數(shù)據顯示界面

實驗采用4個傳感器節(jié)點、兩個3G模塊和一個協(xié)調器在居民小區(qū)中進行測試。每個傳感器節(jié)點掛有DS18B20溫度傳感器，每間隔30秒對測試對象進行體溫數(shù)據的提取并將采集數(shù)據和對應時間存儲于SD卡。檢測結束后，通過按下S1鍵，節(jié)點開始將SD卡中數(shù)據通過ZigBee網絡、3G網絡傳送至監(jiān)測中心。監(jiān)測中心將數(shù)據存儲在數(shù)據庫，并將分析結果通過界面顯示。圖6顯示了測試對象1的體溫數(shù)據情況。

圖6中前兩組測得的溫度值比較低，是由于傳感器測量體溫時，數(shù)值會從室溫逐漸升高并近乎穩(wěn)定于體溫，并非傳輸過程中誤碼所致。監(jiān)測人員通過觀察數(shù)據來了解監(jiān)測對象的健康狀況，并且可以利用數(shù)據比功能，將歷史數(shù)據與當前數(shù)據作對比，分析出體溫變化趨勢，提前采取相應措施來確保用戶健康。

5 結 論

設計充分利用ZigBee技術的低功耗、自組網的優(yōu)點，并以網絡協(xié)調器作為網關，完成ZigBee網絡與3G網絡的互聯(lián)來實現(xiàn)對孕產婦的遠程監(jiān)測，對保障孕婦的安全生產有著重大的意義。實驗證明，整個系統(tǒng)穩(wěn)定性高、抗干擾能力強、并且解決了電磁波對孕婦的輻射影響，更具有實用性。下一階段將考慮通過3G模塊將整個監(jiān)測系統(tǒng)與Internet連接，授權用戶只要通過PC或者智能手機登錄瀏覽器便能夠了解孕婦健康狀況。

[1]袁騰，李秋紅，楊國斌，程磊.基ZigBee和3G技術的WSNs環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(6):128－129.

[2]龐海娟，趙建平.基于ZigBee技術的礦井人員管理系統(tǒng)設計[J].通信技術，2010，43(8):187－189.

[3]樊靜，王建明.基于CC2530的博物館狀況無線監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].電子測量技術，2011，34(6):106－107.

[4]周躍，沈捷，花魁.基于SD卡的數(shù)據存儲系統(tǒng)設計[J].化工自動化及儀表，2012，39(1):95－96.

[5]滕志軍，屈銀龍，王中寶，等.基于ZigBee的高壓帶電體溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].電工電能新技術，2011，30(3):80－83.

[6]段登，邱意敏，周力.基于ZigBee技術+3G網絡的多電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應用，2012，21(3):186－187.

[7]王玲芝，李春茂，袁立行.基于ZigBee技術的高壓設備溫升監(jiān)測系統(tǒng)[J].測控技術，2010，29(12):1－3.