基于WPAN技術(shù)和JN512芯片的無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 序言

無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)是利用無線通信技術(shù)輔助醫(yī)療監(jiān)護(hù)的簡稱。近年來隨著生物醫(yī)學(xué)傳感器的小型化、信息處理和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的快速發(fā)展和普及，使得無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)成為熱點(diǎn)。

ZigBee是一種今年來興起的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，成本低、功耗低是其突出的優(yōu)勢。其網(wǎng)絡(luò)容量大，數(shù)據(jù)交換小，專注于低速率信號(hào)穿傳輸。完全符合基本生理信號(hào)的傳輸要求。

本文的主要首先介紹了基于WPAN的無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)，然后介紹了基于JN5121芯片的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，以及試驗(yàn)驗(yàn)證。最后對(duì)無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景及其存在課題做了展望。

2 基于WPAN無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)

WPAN是為在小范圍內(nèi)的設(shè)備間建立無線連接而開發(fā)的無線傳輸技術(shù)，IEEE標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)已為此制定了IEEE802.15.x標(biāo)準(zhǔn).本文涉及的傳輸技術(shù)符合專門針對(duì)低速WPAN制定的IEEE802.15.4(Zigbee)標(biāo)準(zhǔn)。

本文提出的構(gòu)架基于WPAN，即區(qū)別于無線遠(yuǎn)程醫(yī)療。本文關(guān)注重點(diǎn)在于生理信號(hào)采集到生理信號(hào)中轉(zhuǎn)部分的無線方式。無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)方式主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和接受節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。接受節(jié)點(diǎn)可接人監(jiān)控中心，或者由以太網(wǎng)、無線廣域網(wǎng)等方式接入監(jiān)控中心，以此構(gòu)成了完整的醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)。在此構(gòu)架下，醫(yī)用傳感器節(jié)點(diǎn)可以按照具體情況配置，構(gòu)成局域或者家庭的無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)，這種構(gòu)架具有很大靈活性和擴(kuò)展性。在這個(gè)構(gòu)架中，我們無線通信方式以Zigbee協(xié)議為基礎(chǔ)，采用JN5121模塊作為無線收發(fā)節(jié)點(diǎn)。圖l中描述了無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 基于JN5121芯片的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 JN5121模塊介紹

JN5121是Jennic公司推出的一款與IEEE802.15.4兼容的低功耗、低成本的無線微控制器。該模塊內(nèi)置32位的RISC處理器，配置有2.4GHz頻段的EEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器，64kB的ROM.96kB RAM，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了多種多樣的解決方案，同事高度集成化的設(shè)計(jì)簡化了總的系統(tǒng)成本，JN5121內(nèi)置的ROM存儲(chǔ)器中集成了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信與網(wǎng)狀網(wǎng)通信的完整協(xié)議棧；而其內(nèi)置的RAM存儲(chǔ)器，可以支持網(wǎng)絡(luò)路由和控制器功能而不需要外部擴(kuò)展任何的存儲(chǔ)空間，內(nèi)置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器，減小了系統(tǒng)的功耗和處理器負(fù)載。它還支持晶振休眠和系統(tǒng)節(jié)能工程。同時(shí)提供了對(duì)于大量的模擬和數(shù)字外設(shè)的互操作支持可以方便的連接到用戶的外部應(yīng)用系統(tǒng)。

3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線生理傳感器有兩部分組成：生理信號(hào)采集部分和無線傳輸部分。生理信號(hào)采集我們可以采用我們所需要的各種生理電極對(duì)人體的心電、血養(yǎng)飽和濃度、脈搏等等進(jìn)行冊(cè)測量。無線模塊我們采用集微處理器和RF芯片一體的S0C芯片JN5121，芯片可以控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理和任務(wù)管理。采用該芯片相對(duì)于以往Zigbee射頻芯片而言，不用外加MCU，有效的節(jié)省了芯片外圍電路，采用片上芯片方案可以近一步節(jié)省幾點(diǎn)體積，便于受監(jiān)護(hù)者攜帶。圖2是生理無線傳感器方案。

圖2 生理無線傳感器方案

4 基本程序設(shè)計(jì)站的設(shè)計(jì)

JN5121芯片的設(shè)計(jì)是基于Zigbee協(xié)議的，所以首先我們了解一下Zigbee的基本知識(shí)。Zigbee協(xié)議的物理層以及MAC層都是按照802.15.4的標(biāo)準(zhǔn)制定的，而其網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)都是Zigbee聯(lián)盟制定。基于Zigbee協(xié)議的實(shí)際應(yīng)用開發(fā)，我們只需要調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)或者在應(yīng)用層開發(fā)程序代碼。本文簡單介紹幾個(gè)需要應(yīng)用到的重要函數(shù)。

在Jennic Zigbee協(xié)議中一個(gè)基本的操作系統(tǒng)(BOS)。它是一個(gè)簡單的時(shí)問調(diào)度器。它允許兩個(gè)任務(wù)進(jìn)程間通過一個(gè)簡單的信息調(diào)度機(jī)制進(jìn)行通信。同事BOS控制Zigbee協(xié)議棧任務(wù)和用戶任務(wù)的執(zhí)行。其中協(xié)議棧任務(wù)包括：網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用子層APS(ApplicaTIon Sub—Layer)和Zigbee設(shè)備對(duì)象ZDO(Zigbee Debice 0bjects)的所有進(jìn)程。通過事件的輪詢應(yīng)用實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的調(diào)度。整個(gè)流程如圖3所示。

圖3 實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的調(diào)度流程

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

我們采用北京博控公司代理的JN5121-M00模塊，信號(hào)取用采樣頻率為150Hz的脈搏信號(hào)。無線傳輸采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，試驗(yàn)證明通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)和直接用PC采樣得到的結(jié)果并沒有顯著差異。

6 結(jié)束語

本文初步介紹了JN5121模塊結(jié)構(gòu)和主要功能，說明了JN5121的基本程序設(shè)計(jì)流程。提出了JN5121在基于WPAN的無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)中應(yīng)用的基本構(gòu)想。

無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)方式可以減少受監(jiān)護(hù)者與儀器之間的連線，得到更好的生理數(shù)據(jù)，同時(shí)，可以讓受監(jiān)護(hù)者獲得更大的活動(dòng)空間。無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)方式的諸多優(yōu)點(diǎn)是無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力.隨著硬件條件的不斷發(fā)展，無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)必將擁有廣闊的發(fā)展空間。