杨火祥，张怀德，刘鑫豪，胡 钰， 姚佳杏，王嘉姚， 刘兴云

(湖北师范大学物理与电子科学学院，湖北 黄石 435002)

一种基于ZigBee技术的病人监测智能护士站云系统

杨火祥，张怀德，刘鑫豪，胡 钰， 姚佳杏，王嘉姚， 刘兴云

(湖北师范大学物理与电子科学学院，湖北 黄石 435002)

研究了一种基于ZigBee技术为核心的对病人体征信息监测的云系统。主要分为前端采集设备、ZigBee自动组网、信息上传到服务器设备三大部分。前端采集设备主要完成对病人心率、血压和体温的采集工作，并且将采集的信息经过ZigBee自动组网部分最后通过信息上传到服务器设备上传到数据库。实时对病人的信息在数据库刷新，将异常及时反馈给医生及家属，以免病人因血压、心率、体温不正常而得不到及时的处理发生意外事故。对于医护人员来说，能给他们提供很大的方便，他们可以实时对病人进行监护，实时了解病人的情况。而病人、家属也可以随时了解这些信息，给他们带来了便利。

ZigBee；智能监测；血压；心率；体温

0 引言

随着社会的发展，心率、血压、体温等生理指标越来越受到人们的重视，国内外医院通常会对病人的这些生理指标进行采集。据研究表明，80%的医院需要在清晨对住院病人的生理指标进行采集，这不仅耽误了病人的休息时间，护士记录也可能出错。目前，部分医院在血压、心率、体温[1]测量方面已经做到了智能化测试，但测试仪器笨重，测量结果通过观察测试仪器获得，严重影响了病人的行动以及测试结果获取的方便度。本系统能够很好的解决仪器笨重以及测试结果难以及时被医生、家属获取的情况。本系统采用体积较小的手戴式的前端采集设备用来采集病人的生理信息并实时的在数据库更新，医生及家属能随时了解到病人的情况，能很好的应对病人的各种情况。

1 系统原理及整体结构

本系统是基于ZigBee技术为核心，使用前端采集设备采集用户生理指标，通过ZigBee自动组网部分将信息发送到后台服务器，用户可以通过电脑或者手机查看相关信息的云系统。系统主要分为前端采集设备、ZigBee自动组网、信息上传到服务器设备三大部分。其中前端采集设备以SH79F6488单片机作为核心处理器，主要完成对生理信息的采集以及显示。ZigBee自动组网部分是本系统数据上传到数据库的核心，主要功能是将前端采集设备得到的数据无线传送到护士站中的信息上传到服务器设备，采用ZigBee自动组网技术能方便病人随时随地的测量自己的生理指标[2]。信息上传到服务器设备主要是将得到的数据上传到数据库中，随时保证数据库的更新，数据库能方便医生、家属通过网页或者APP随时获取，系统流程图如图1。

图1 系统流程图

2 系统组成

2.1 前端采集设备

前端采集设备采用SH79F6488单片机作为核心处理器，SH79F6488里面自带可编程仪表放大器(PGA)、20位A/D转换器、带通滤波器，能高效的对信号进行处理。前端采集设备主要包括：压力传感器、温度传感器、SH79F6488单片机、求助按钮、LCD、袖套、充气泵、放气阀、ZigBee终端等。

其中温度传感器通过1-Wire协议与单片机进行通信，将采集到的温度信息送给单片机，压力传感器采集的信息直接与单片机内部的PGA相连，经过PGA后送给带通滤波器、固定增益放大器、A/D转换器处理得到血压和心率值，采集到的数据在屏幕上面显示。

图2 压力信号处理电路图

2.1.1 脉搏压力传感器 测量心率和血压，主要是对脉搏压力的测量，XGZP压力传感器，它是一款适用于生物医学、气象等领域的压力传感器，由一个弹性膜及集成在膜上的四个电阻组成[3]。四个压敏电阻形成了惠斯通电桥结构，当有压力作用在弹性膜上时电桥会产生一个与所加压力成线性比例关系的电压输出信号，输出的信号连接到SH79F6488单片机经仪表放大器放大(PGA)后送到由OP2和OP3组成的带通滤波器、固定增益放大器，提取脉搏信号。由内建OP2和OP3组成的带通滤波器滤掉直流成分，以及滤掉人体与袖带摩擦的高频噪声和50Hz工频噪声、电路噪声、PUMP与气阀噪声等，使软件能准确地提取脉搏振动波。脉搏值与心率值几乎相同，所以对应的心率值就测出来了[4]。图2为压力信号处理电路。

压力传感器的输出信号经仪表放大器放大(PGA)后也送到A/D转换器得到血压值，信号到达A/D转换器后，A/D转换器每4ms转换一次，通过程序采用阈值法、比较法等算法，计算出1秒时间段内压力的最大值和最小值以及最大值最小值的差值，记录下测试时间内所有的差值，通过对所有差值进行滤波等优化后，找到最大的差值，经程序确认无误后确定最大的差值为最大脉搏波Amax，根据测血压原理，最大差值向前查询到差值约为Amax*Kd处，此处对应的压力传感器的压力转换成血压值就是舒张压，最大差值向后查询到脉搏波幅值Amax*Ks处，此处对应的压力传感器的压力转换成血压值就是收缩压，其中Kd和Ks为常数。

2.1.2 体温测量传感器 测量体温，温度传感器[5]选用的是DS18B20数字温度传感器[6]，DS18B20数字温度传感器提供9～12位摄氏温度的测量，在-10℃～+85℃的测量的精度是±0.5℃，检测到的温度直接传给SH79F6488单片机。传感器原理图如图3所示。

图3 温度检测电路图

图4 系统软件设计流程图

2.1.3 显示模块 液晶显示单元选用2.8英寸的TFTLCD，该模块支持65K色显示，显示分辨率为320×240，接口为16位的80并口，自带触摸屏，它不仅可以显示多种字符，还可以显示各种图形，测得的血压、心率、体温显示在液晶屏幕上。

2.2 ZigBee自动组网系统

ZigBee技术组网方式多样，能够实现点对点，一点对多点等通信方式。ZigBee节点根据烧写程序的不同可以分为终端、路由器、协调器。终端与协调器可以近距离的通信，如果距离较远，可以在终端与协调器中间放置多个路由器路由，ZigBee自动组网是在一个网络下的ZigBee节点能够直接或间接相互通信。系统中所有ZigBee节点都以CC2530为核心。每个病房有一个ZigBee路由器，SH79F6488单片机通过串口通信将数据传输给ZigBee终端，ZigBee终端通过自动组网系统将数据最终传给协调器。协调器收到数据后经过WiFi上传互联网设备发送至后台服务器。上传至服务器后就可以通过APP或者网页随时随地的访问相应信息。

2.3 上传互联网设备

上传互联网设备由协调器、ESP8266WiFi芯片构成。协调器仍然采用CC2530为核心，WiFi芯片选用的是ESP8266单片机，能够快速构建串口——网络数据传输方案。ESP8266连接无线路由器，通过无线路由器以HTTP协议把信息传到数据库。

3 程序设计

当采集设备开启时，单片机控制气泵和电磁阀开始充气加压，当压力达到40mmHg时，减小PWM波的占空比，减缓充气的速度，同时压力传感器采集压力数据，压力传感器采集的信息直接与单片机内部的PGA相连，经过PGA后送给带通滤波器、固定增益放大器后经A/D转换器AD转换，每4ms进行一次，存储下压力传感器的值，通过算法对这些数据进行处理找到收缩压和舒张压以及心率，同时温度传感器检测得到体温信息，将病人编号、血压、心率、体温信息传给传输给ZigBee终端，ZigBee终端通过ZigBee自动组网功能经ZigBee路由器无线传给ZigBee协调器，协调器最后串口传给WiFi模块，WiFi模块通过无线路由器上传到后台数据库。

图5 病人信息列表

图6 用户的手机APP截图

4 实验结果

通过系统与水银血压计的比较以及真实心率的比较，选用不同人作为测试对象，得到的结果如表1 .

由表1可以看出，系统的测得的血压与医用的水银血压计存在误差很小，对比的心率误差在2次以内，系统采用了全新的算法，测量结果精准。

5 结论

实际测试效果表明，系统误差很小。主要利用ZigBee的无线传输技术，通过WiFi模块通过无线路由器上传数据到后台服务器[7]，操作简单，测量结果易获取，方便医院的智能化管理，能给医生、护士、家属带来很大的便利。

表1 测量血压与水银血压计的比较、测量心率与真实心率的比较

[1]鲁池梅,刘 欢,杨火祥,等.基于蓝牙的手戴式体温测量仪的研究[J].自动化仪表,2015,36(12):91～93.

[2]焦尚彬,宋 丹,张 青,等.基于ZigBee无线传感器网络的煤矿监测系统[J].电子测量与仪器学报,2013,27(5):436～442.

[3]孔维康,陶 帅,汪祖民.基于ZigBee的养老院健康监护系统设计[J].计算机测量与控制,2016,24(1):95～98.

[4]鲁池梅,周 航,李焱奎,等.人体心率测量的研究与实现[J].湖北师范学院学报(自然科学版),2015,35(3):82～86.

[5]鲁池梅,兰天翔,杨火祥,等.金属丝螺线管测温器的制作与实现[J].电子制作,2014,288(8):92～93.

[6]包敬海,樊东红,陆安山,等. 基于DS18B20的多点体温检测系统的研究[J].自动化与仪表,2010,25(2):20～22.

[7]韩 吉,周 杰,杜景林.基于Android的气象WSN监测系统设计与实现[J].计算机工程与设计,2014,35(8):2709～2714.

A patient monitoring system based on ZigBee technology for cloud system

YANG Huo-xiang,ZHANG Huai-de, LIU Xin-hao,HU Yu,WANG Jia-yao LIU Xing-yun

(College of Physics and Electronic Science, Hubei Normal University, Huangshi 435002, China)

This paper describes a cloud system based on ZigBee technology for monitoring the patient's physical sign information. The system is mainly divided into three parts:data acquisition equipment, ZigBee automatic network, data upload equipment. Data acquisition equipment to collect the patient's heart rate, blood pressure and body temperature, and the collected information through the ZigBee automatic network to achieve data upload equipment. Data upload device is used to send the data to the database. This system refresh the information of the patient in the database in real time, and give the feedback to the doctors and their families, In order to avoid the accident due to the abnormal blood pressure, heart rate, body temperature and can not get a timely treatment. For the nurse, it can provide them with great convenience, they can be real-time monitoring of patients, real-time understanding of the patient's situation. For the patients, their families can also know the information at any time and bring them convenience.

ZigBee; intelligent monitoring; blood pressure; heart rate; temperature

2016—10—12

湖北省教育厅科学研究计划项目(B20132506,XD2014237,D20132505,B20132504)，湖北师范大学校级重点教研项目(2016346)

杨火祥(1991— )，男，湖北荆州人，硕士研究生，主要从事于嵌入式，物联网等应用研究.

TH89

A

2096-3149(2017)01- 0067-04

10.3969/j.issn.2096-3149.2017.01.014