近年来，无线传感网络（WSN）在日常生活中发挥着越来越重要的作用。一开始只应用于军事领域，现在许多其它领域，如环境检测、智能家具、医疗健康等，都用到了无线传感网络。随着微电子技术、集成电路技术、传感器技术和信号处理技术的融合，科学家创造了体积小、成本低，但功能强大，适用于无线传感网络的传感器。

医院由于患者多，监护仪经常会不够用，基于无线传感网络的生命体征监护仪将有效解决该问题，为医生治疗提供有效支持。

在国内，研究和设计上述设备的公司还比较少，大部分设备都是从国外进口，价格昂贵且难以满足患者需求量。因此，亟需设计一种基于无线网络的生命体征监护仪。

系统设计

• 系统框架 基于无线传感网络的生命体征监护仪系统框架如图1所示。它主要由传感节点和基本节点组成。传感节点包含心率传感器、体温传感器和无线收发模块。传感节点戴在病人身上，其上的微控制器接收患者心率和体温信号，再传到无线网络上。在基本节点上，微控制器接收患者身上传感节点的生命体征信号，将其传输至PC进行数据处理和存储，并以图形界面显示患者生命体征数据，便于医护人员对生命体征信号进行分析。

图1 系统框架图

传感节点是基于集成有检测心电信号和体温信号的传感器设计的。该传感器的特点是设计方便、体积小、便于患者穿戴，且患者活动不受限制。为节约电量，传感节点被设计成两种工作状态，分别是活动状态和休眠状态。通常休眠状态多于活动状态，达到节能目的。基本节点是基于微控制器设计，要点是保证接收数据的准确性。每个传感节点都有一个唯一的地址编码，基本节点根据此编码来筛选有效信号。利用这种方式可以阻止基本节点接收传感节点信号时被病区中的其它无线信号所干扰。

• 微控器框图 中央控制器采用微芯公司的微控制器PIC16F886。该微控器主要有以下特点：CPU采用精简指令集结构；采用Harvard双总线结构；运行速度快，功耗低，体积小。主要由8KB的闪存ROM、368B的RAM、24个带有方向可控制的输入输出口、两个8位定时器、一个16位定时器（由外部时钟控制，可工作于休眠模式）、CCP模块（捕捉/比较/ PWM）、一个10位A/D转换器和两个比较器等。

• 温度传感器 DS18B20是一种具有三个引脚的温度传感器，可在-55-+125℃环境下工作。在-10-+85℃之间，精度可以达到±0.5℃。该传感器可设置警告温度，当温度超出警告温度范围时，会发出报警信号。它可通过数据线供电，供电范围为3.0-5.5V。分辨率可被设置为 9-12位，位数越高，精确度越高。它可在750ms内将模拟温度转换为12位数字信号。

DS18B20以12位二进制码的形式存储测得的温度。该传感器将接收到的信息通过单总线的形式传送出去。提供读/写/转换操作的信号源可从单总线获取，无需增加单独的引脚来提供信号源。每个传感器都有一个唯一的64位序列号存储在内部存储器中，该序列号是在IC制造过程中通过激光刻上去的，因此许多DS18B20传感器可以作为总线连接在一起而不会产生干扰。这一特性使得多个传感器安装在不同的区域变得更容易且成本更低。连接到总线的传感器数量不受限制。

• 基于光电信号的心率计数电路 心率计数电路框图如图2所示，IR LED通过红外光来照亮患者小腹。随着心脏跳动，血管中血液的流量将发生变化。由于小腹放在光的传递路径中，血管中血液饱和程度的变化将引起光的强度发生变化，因此和心率的节拍相对应，光电晶体管的电流也跟着改变，这就导致光电晶体管输出脉冲信号。该信号经放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为微控器的外部中断信号。

  
  

图2 心率计数电路框图

• XBee通信模块 XBee射频通信模块的设计符合IEEE 802.15.4标准，可满足低成本、低功耗的无线传感网络需求。XBee射频通信模块通过异步通信串口与微控制器相连。该模块通过串口能够与任何同UART相兼容的逻辑电平通信。通过DI引脚，XBee射频模块与微控制器通信并传输数据；通过DO引脚来接收数据。CTS和RTS引脚用于控制模块的输入和输出。具有UART接口的设备能直接与射频模块相连，如图3所示。

  
  

图3 系统数据传输框图

XBee模块特点如下：室内传输距离可达30米；室外传输距离可达90米；传输功率：100mW（20dBm）；RF传输速率：250000bps；传输电流：45mA（@3.3V）；工作频率：2.4GHz；支持网络：点对点，点对多点，对等网络。

结果与讨论

本文设计了一个基于无线传感网络的监测心率和体温的系统。该系统在某病区试用，病人佩戴传感节点（见图4），在PC机上显示生命体征数据。测试结果表明，该系统能够使医生在同一时间检测到多个病人的生命体征状态。如病人的生命体征超过设定阀值，系统能快速发现并报警，以便医生及时处理。

图4 收集病人生命体征的传感节点

结论

本文设计了一种基于无线传感网络的生命体征监测系统。该系统能够监测病人的体温和心率，并通过无线网络将数据传输至医生的计算机。另外，该系统的实施简单有效，患者只需将设备穿在身上，不会影响活动。通过使用该系统，可有效减少医院医疗设备的财政支出，同时还可以提高医护人员的工作效率，从而提高医院效益。目前，该监护仪还只能测量体温和心率，今后将增加血氧、血压、呼吸率等生命体征参数的监测，帮助医护人员快速了解病人体征信息，及时提供治疗方案。

（来源：节选自《中国数字医学》杂志2016年第11期，作者：陆靓亮 陈敏亚 张怡 徐蕾，单位：南京医科大学附属无锡人民医院）