穿戴式軀感網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘要：隨著現(xiàn)代社會(huì)老齡化人口比例增加，以及老年病、慢性病等疾病在醫(yī)療服務(wù)中占的比例上升，傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)服務(wù)由于監(jiān)護(hù)設(shè)備的穿戴復(fù)雜性、攜帶不方便性，已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)的需求。為了解決老年人的醫(yī)療保健問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)穿戴式軀感網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)對(duì)老年人的健康狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)通過(guò)生理數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)，然后通過(guò)通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰|感網(wǎng)中心點(diǎn)，實(shí)時(shí)顯示ECG、SPO2、心率、呼吸率、脈率、體溫等一些信息，并對(duì)可能出現(xiàn)的異常情況采取報(bào)警處理。最后，通過(guò)大量的實(shí)際測(cè)試證明了該設(shè)計(jì)方案有效可行，具備可穿戴性、可靠性、安全性以及易擴(kuò)展性。

　　引言

　　當(dāng)前，社會(huì)人口老齡化進(jìn)程的加快以及與年齡相關(guān)的各類(lèi)慢性疾病的迅速增加，使世界各國(guó)開(kāi)始重視老年人的醫(yī)療，開(kāi)始加強(qiáng)對(duì)威脅老年人健康的慢性病等疾病的監(jiān)測(cè)與預(yù)防控制，因此，對(duì)老年人健康狀態(tài)的監(jiān)護(hù)越來(lái)越受到關(guān)注。近年來(lái)，研究人員提出了一種新型的軀體傳感器網(wǎng)絡(luò)(body sensor network，BSN)，BSN是一種重要的公眾應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，并在遠(yuǎn)程醫(yī)療保健老年人群監(jiān)護(hù)和社區(qū)醫(yī)療等服務(wù)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用意義和需求。

　　軀感網(wǎng)系統(tǒng)^[1-3]將健康監(jiān)護(hù)儀從病床、醫(yī)院擴(kuò)展到社區(qū)、家庭，是實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，由于生理信號(hào)微弱、不穩(wěn)定、易受外界環(huán)境干擾，而且穿戴式軀感網(wǎng)系統(tǒng)是在監(jiān)護(hù)對(duì)象日?；顒?dòng)中采集生理參數(shù)數(shù)據(jù)，如何在環(huán)境復(fù)雜、移動(dòng)頻繁的情況下，克服人體移動(dòng)和外界環(huán)境對(duì)信號(hào)的干擾，更是軀感網(wǎng)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上的一個(gè)難題。

　　近些年來(lái)，軀感網(wǎng)平臺(tái)提出了很多，例如文獻(xiàn)^[4]提出利用體溫傳感器、ECG和呼吸傳感器、血氧傳感器、wIFLy GSX無(wú)線通信模塊、LCD觸摸屏模塊來(lái)構(gòu)建軀感網(wǎng)平臺(tái)，但該平臺(tái)采集的各種生理參數(shù)信息是通過(guò)LCD觸摸屏模塊顯示的，使得該系統(tǒng)不適合穿戴，其舒適性效果差。文獻(xiàn)^[5]中的軀感網(wǎng)平臺(tái)中的心電模塊硬件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、功耗高，以及血氧模塊攜帶不方便。

　　總之，目前軀感網(wǎng)平臺(tái)，還很難做到舒適性、低功耗與高實(shí)時(shí)性的統(tǒng)一。本文提出了可穿戴軀感網(wǎng)系統(tǒng)，使其具有較好的可穿戴性、高實(shí)時(shí)性、低功耗。

　　1 系統(tǒng)總體框架

　　本系統(tǒng)充分考慮了傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)設(shè)備攜帶的不方便性和移動(dòng)無(wú)線監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，使用戶(hù)能夠隨時(shí)隨地的監(jiān)測(cè)其生理參數(shù)。本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：低成本、低功耗、高實(shí)時(shí)性、易攜帶、易穿戴。系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)多種重要的人體生理參數(shù)數(shù)據(jù)，如心電信號(hào)(ECG)、心率(HR)、血氧飽和度(SPO2)、脈率(PR)、呼吸率和體溫等。

　　本文所設(shè)計(jì)的穿戴式軀感網(wǎng)系統(tǒng)主要包括生理數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊以及中心處理模塊三個(gè)部分。系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖1所示。

　　1.1 生理數(shù)據(jù)采集模塊

　　在本系統(tǒng)中，根據(jù)人的生命活動(dòng)特征，生理數(shù)據(jù)采集模塊^[6]主要包括三導(dǎo)聯(lián)心電模塊、數(shù)字血氧模塊、體溫模塊，通過(guò)這三個(gè)模塊來(lái)采集人體的生理參數(shù)信息。

　　1.1.1 三導(dǎo)聯(lián)心電模塊

　　本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的三導(dǎo)聯(lián)心電模塊，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的三導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)和呼吸幅度信號(hào)的采集，并通過(guò)呼吸幅度信號(hào)計(jì)算出呼吸率，以及從某一導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)計(jì)算出心率。另外還提供直流導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)功能。通過(guò)通信模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)杰|感網(wǎng)中心點(diǎn)。

　　心電模塊硬件電路設(shè)計(jì)中包括電源供給電路、串口接口電路、復(fù)位電路、ECG信號(hào)保護(hù)電路、右腿驅(qū)動(dòng)電路、采集芯片接口電路以及主控芯片外圍電路，心電模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。