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基于无线体域网技术的老人健康监护系统的设计

基于无线体域网技术的老人健康监护系统的设计轩运动1,2 赵 湛1 方 震1 杜利东1 耿道渠1,2 史要红1,2(传感器国家重点实验室(中国科学院电子学研究所) 北京 100190)(中国科学院研究生院 北京 100049)(xuanyundong@gmail.com)A Wireless Body Sensor Network for the Elderly Health MonitoringXuan Yundong1,2,Zhao Zhan1,Fang Zhen1,Du Lidong1,Geng Daoqu1,2,and Shi Yaohong1,21(State Key Laboratory of Transducer Technology(Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences),Beijing100190)2(Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049)Abstract China has been ranked among the population aging countries earlier than we have expected.The aging problem will impact on the social economic development of China for a long time.Thegovernmental entities of China have paid more and more attention on the aging problem,especially thehealth and medical service for the aging.Health care system should be developed and perfected byadjusting the supply of medical care service to realize the health of the aging people.The developmentof micro-electro mechanical systems,integrated circuits,wireless communications have resulted in thecreation of miniature,ultra-low power,and wearable health monitoring system.The WBSN(wirelessbody sensor network)for senior citizens health monitoring integrates the technology of wirelesscommunication,sensors,signal process,data mining.The system continuously collects physiologicalinformation and process the information in a personal server such as a smartphone.And the personalserver uploads the data to a medical server center by 3Gnet or Internet.The doctors will give thesenior citizens results after they diagnosed from the physiological information.The health monitoringsystem is very cheap and suit for activities of daily living of senior citizens.Key words wireless sensor network;wireless body sensor network;aging;health monitoring摘 要 随着我国进入老龄化,老年人的健康监护越来越受到人们的关注,传统的健康监护模式已不能满足需求.而传统的面向家庭用的监护系统比较少,而且功能比较单一、操作性比较复杂、实时性差、价格比较昂贵.近年来伴随着MEMS技术、集成电路技术、无线通信技术的不断进步,无线体域网系统(wireless body sensor network)得到长足发展.基于无线体域网技术的应用系统也越来越受到人们的重视.设计了一种基于无线体域网技术的老年人健康监护系统.介绍了基于无线体域网技术的老年人健康监护系统的系统总体架构,重点介绍了无线体域网节点的设计以及无线体域网的系统构成.无线体域网节点包括无线心电与脉搏节点、无线血氧与体温节点.并介绍了各个生理参数的检测方法与检测电路.最后给出了生理参数的检测结果以及智能终端上的处理显示结果.关键词 无线传感器网络;体域网;老龄化;健康监护中图法分类号 TP212 收稿日期:2011-07-06 基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划基金项目(2009AA045300);国家自然科学基金项目(60971071) 一个国家65岁以上的人口占总人口的比例超过7%,就进入了联合国定义的老龄化社会.目前我国的65岁以上的人口已经超过1亿.到2040年,我国老龄人口将急增到4亿左右,占我国总人口的25%,而且这个比例还将不断攀升.另外随着我国社会经济的快速发展,生活方式的变化,以及人口流动的加速,子女数的减少,人口预期寿命的延长,老人家庭空巢率正不断的加大[1-2].近10年来,我国空巢家庭一直呈上升之势,2000年全国第5次人口普查数据表明,“空巢家庭”户占到老年家庭的22.83%,而2004年上升到25.8%.在一些大城市,空巢家庭问题更为突出.随着独生子女的父母步入老年,空巢家庭将成为我国老年人家庭的主要形式,预期到了2030年空巢老年人家庭的比例将达到90%,届时我国老年人家庭将空巢化.老年人的健康问题越来越受到关注.美国佐治亚理工学院针对孤寡老人家庭开展了“AwareHome”项目.此项目通过很多传感器,获取老人在家里的生活状况,亲人家属或者监护人可以通过互联网实时了解老人的活动状况.本系统还可以对老人进行一些生活的提示,也可以对老人的生活规律进行存储分析,方便监护人或者医护人员了解老人近段时间的生活状况.美国霍尼韦尔公司实验室研究开发了I.L.S.A(independentlifestyle assistant)系统.本系统采用无线传感器网络的方法,来检测并辅助老人的日常生活.当出现紧急情况时,系统会及时地通知家属或者监护人.并且它是一个多功能的系统,包括感知模型、情景评估、定时响应、实时响应、机器学习等[3].通过对老年患者的疾病构成进行调研发现:高血压、心脑血管疾病、肺部疾病、糖尿病等是老年人常见的疾病[4-5].这些疾病要求对心电、血压等生理参数实时的监测,发现意外情况时及时采取措施,才能避免病情突发.目前老人能够享受的健康监护资源,往往集中在医院等专业机构.面向家庭用的监护系统比较少,而且功能比较单一、操作性比较复杂、实时性差、价格比较昂贵.本文介绍了一种智能型基于物联网技术的健康监护平台,它通过穿戴在被监测对象身上的无线传感器节点来感知生理参数,由无线体域网进行数据的收集.收集的数据上传到智能终端上,由智能终端进行数据处理、显示、分析等操作.如有跌倒等意外情况发生,可以及时通知监护人或者亲人.由个人智能终端分析得到的有用数据将通过互联网、广播电视网、手机通信网等现有网络发送到医院、社区服务中心等专业医疗结构.由医疗人员诊断后回传到被测对象的智能终端上.整个系统几乎不影响被监测对象的日常活动,因此能在一个舒适的监测环境下可实现长时间的实时监测.本文首先介绍了基于无线体域网的老年人健康监护系统的总体架构.重点研究了无线体域网节点的设计以及无线体域网的搭建.无线体域网节点包括无线心电脉搏采集节点、无线血氧体温节点.并介绍了各个生理参数的检测方法与检测电路.文章最后给出了生理参数的检测结果以及智能终端的处理与显示结果.图1 系统总体架构1 系统总体设计基于无线体域网技术的老人健康监护系统融合了传感器技术、无线通信技术、嵌入式技术等.它可以实现在不影响老人日常活动情况下,利用可穿戴式的无线传感器节点收集老人的平时的生理信息,记录下老人一天生理信号的变化轨迹.并且对这些信息进行数据分析,判断意外情况的发生以及告知老人身体状况,并把分析结果发送给远端的医疗服务中心或者监护人.方便监护人时刻监测了解老人的身体状况.医疗服务中心结合这些数据以及数据库的以往数据对老人的身体状况进行分析诊断,并把诊断结果通过现有网络反馈给老人或者是老人家属.它能对被监测对象实时数据动态采集和传输,使用户足不出户便能享受医疗资源.本系统可划分653计算机研究与发展 2011,48(增刊)为3层,分别为可穿戴式无线体域网、手持式智能终端、医疗服务中心.其系统总体结构如图1所示.1.1 可穿戴式的无线体域网无线体域网是整个系统的最底层,也是关键层.它是整个老人健康监护系统的信息来源.它有一系列的智能生理参数传感器节点构成,负责采集生理参数和情景信息,并把采集到的生理参数信息无线上传到手持式智能终端上.整个网络基于Zigbee[6]协议,它是典型的星状网络.手持式智能终端为整个体域网的路由节点,它负责收集数据并上传,是体域网节点与外部数据中心的连接点.目前可以测量的参数包括心电、血氧、脉搏、体温等参数.1.2 手持式智能终端手持式智能终端充当个人服务器的功能,它可以是PDA、3G智能手机、笔记本电脑等.它嵌入了我们的Zigbee模块,能够收集各个生理参数节点上的数据,并对数据进行处理以便以后分析查询,同时也对数据进行挖掘处理,然后把结果上传到远端的数据中心.手持式智能终端提供人机接口见面,也可以把生理参数数据实时地呈现给被测对象.1.3 医疗服务中心手持式智能终端上的数据可以通过手机通信网、广播电视网、互联网等已有网络传输到远端的医疗服务中心.在这里有专业的医疗人员,基于被监测对象的电子档案以及历史数据对现有医疗数据进行诊断分析,如发现突发情况立即通知急救医疗机构采取救助措施.并把相关情况通知给老人的亲属或者监护人.同时把这些数据记录存储到数据库,供以后分析诊断.同时医院也可以基于这些数据提供很多针对性的医疗服务.2 无线体域网设计体域网是附着在人体身上的一种网络,由一套小巧可移动、具有通信功能的传感器和一个身体主站(或称协调器)组成.每一传感器既可佩戴在身上,也可植入体内.协调器是网络的管理器,也是BAN和外部网络之间的网关,使数据能够得以安全地传送和交换.体域网是一种可长期监视和记录人体健康信号的基本技术.本系统是一个典型的无线体域网系统.它在物理上有2个底层节点构成:无线腕式血氧体温节点和无线心电脉搏衣节点.这些节点都具有独立数据运算、存储、运算,电源管理,无线通信等功能.它们能持续收集原始数据信息,简单处理、存储后无线发送到主节点上,如图2所示:图2 体域网硬件结构图腕式节点上带有2个传感器模块,体表温度传感器模块和血氧Spo2传感器模块.体表温度传感器模块通过SPI接口与中央处理单元CPU进行数据通信.血氧Spo2传感器模块通过UART接口与中央处理器单元CPU进行数据通信.虽然这个节点上有2个传感器,但是却能得到3个生理参数:体温、血氧、脉搏.脉搏信号可以通过软件算法从血氧容积图上计算出来.节点的电源管理模块可以实现对节点供电电源锂电池的充放电功能.并且收集到的数据可以通过SPI接口存储在SD卡上,用于离线的数据分析.腕式血氧体温节点的实物如图3所示:图3 血氧体温节点实物图心电脉搏衣节点使用心电传感器监测心脏的活动状态,本心电的测量电极采用导电硅胶制成,可以实现与皮肤的紧密接触,测量出高信噪比的心电信号.心电传感器模块与中央处理单元通过UART口进行数据传输.实时脉搏数据可以通过软件算法从心电数据中得到.节点的电源也是由锂电池供电的.电源管理模块也可以实现对锂电池的充放电功能.心电的监测数据也可以通过SPI口存储到SD卡里面,用于数据的离线分析.心电脉搏衣节点实物如图4所示:753轩运动等:基于无线体域网技术的老人健康监护系统的设计图4 心电脉搏衣节点实物图3 关键模块设计3.1 心电模块设计心电信号是心脏的生物电过程与心脏组织的生物化学过程.心电信号具有信号微弱,仅为毫伏级别,抗干扰能力极差,而且电极与皮肤之间容易接触不良或者脱落,带来的不稳定干扰[7].所有这些要求测量电极与皮肤紧密接触,这样才能提取高质量的心电信号.所以在对心电信号测量时要采用能与皮肤紧密接触并且导电性能好的材料.我们采用2种电极,一种是镀银的薄片电极,一种是带有导电硅胶的电极.由于心电信号比较微弱,所以对其前段放大器采用仪表放大器.值得说明的是在电路设计时要充分考虑到工频干扰的问题[8].其测量电路原理如图5所示:图5 心电信号测量电路图3.2 血氧模块设计血氧即血氧饱和度(SPO2)是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比,即血液中血氧的浓度,它是呼吸循环的重要生理参数.测量方法是采用指套式光电传感器,测量时,只需将传感器套在人手指上,利用手指作为盛装血红蛋白的透明容器,使用波长660nm的红光和940nm的近红外光作为射入光源,测定通过组织床的光传导强度,来计算血红蛋白浓度及血氧饱和度[8-10].其测量电路原理如图6所示:图6 心电信号测量电路图3.3 体表温度模块设计体表温度的测量是通过测量与皮肤紧密接触的金属箔电阻来实现的.本测量采用比例的测量方法,这种方法可以有效去除低频噪声的干扰.我们采用了AD7783集成芯片,它是一个24位的AD采集芯片,有2个200μA的集成电流源,片上可编程的放大器,片上数字滤波器.AD7783芯片适合测量低频率信号,如应变片、压力传感器、温度传感器等[11].测量电路如图7所示:图7 体温测量电路图8 手持式终端显示界面4 手持式智能终端设计手持式智能终端是无线体域网系统与外界进行数据交互的窗口.它负责按照一定的协议收集由无线体域网节点采集的生理参数数据,数据处理后实时显示给被监测用户.而且还可以通过现有网络传到远端的服务中心或者是被监测对象亲人的手机上.我们采用的手持式智能终端是特别定制的PDA,它的内部嵌入了无线通信模块.无线体域网是一个典型的星状网络,而嵌入了无线通信模块的手持式智能终端相当于星状网络的主节点也就是路由节点.它通过一定的协议收集底层传感器节点的数据并上传给手持式智能终端PDA.由PDA来完成数据的处理、实时显示、再上传等.本PDA是基于WINCE 5.0嵌入式853计算机研究与发展 2011,48(增刊)操作系统[12].在软件界面设计时,充分考虑到老年人的使用习惯,最终显示效果如图8所示.5 结束语本文采用物联网技术,成功实现了对人体心电、血氧、脉搏、体温等生理参数的实时测量.测量出的心电信号参数介绍如下.1)采样频率512Hz;2)输入阻抗大于1GΩ;3)CMRR大于80dB.测出的血氧、脉搏、体表温度参数如表1所示:表1 其他生理参数测量结果参数测量范围测量精度备注血氧0%~99%±2%测量精度是在70%~100%时脉搏30~235次?min±2%无体表温度28℃~45℃±0.2℃无综上所述,基于无线体域网的老年人健康监护系统有以下特点:1)使用无线体域网对多个生理参数进行实时数据采集,改变了传统的单参数、有线式的测量方法.提高了测量系统的便携性、灵活性、实时性.2)生理参数节点采用可穿戴性设计,移动性强.可在不影响监测对象日常活动的情况下,对生理参数进行数据采集.这样测量可靠性强,有用信息多,参考价值大.3)无线体域网系统操作简单,成本低,可与远端的医疗中心进行数据交换.提高医院的医疗资源利用率和老年人的就医成本.4)由无线体域网收集到的数据可以发送到老人家属的手机上,便于对老人的远程监护.遇到突发情况时,可以在第一时间感知并采取有效措施,减少不必要的伤害.随着我国加速进入老龄化社会,空巢老人的数量和比例急速增加,社会养老负担不断加重.另一方面我国社会医疗资源严重不足,导致医疗费用不断升高,有关医疗模式改革的需求越来越高.医疗模式必将从传统的以疾病的治疗为主,转向以疾病预防为主,从以医院医生为主,转向以家庭病人为主的.基于无线体域网的健康监护系统符合我国老龄化社会发展趋势的需求,必将产生巨大的社会效益和经济效益.参考文献[1]周白瑜,于普林.老年人跌倒和心血管疾病.中华老年医学杂志,2006,25(3):224-227[2]覃朝晖,于普林.老年人跌倒研究的现状及进展.中华老年医学杂志,2005,24:711-714[3]The Aware Home:A living laboratory for ubiquitouscomputing research.[2010-10-10].http:??www.cc.gatech.edu?fce?house[4]Honeywell Ilsa Team.[2009-08-15].http:??www.htc.honeywell.com?projects?ilsa[5]陈峥,宋岳涛.老年综合症管理指南.北京:中国协和医科大学出版社,2010:1-5[6]ZigBee 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