无线医疗监护系统的Zigbee通信技术研究

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社会的进步和科学技术的发展,促进了医疗体系的改革和医学模式的转变。国家中长期发展规划在人口与健康领域提出了“战略前移”和“重心下移”的发展战略,即将健康保障体系放在首位,和将医疗卫生事业的重心从医院转移到基层和社区。其中,数字化远程医疗技术、小型诊疗和移动式医疗服务装置等方面被列入了优先发展领域。 传统的有线方式生理检测技术不适用于移动监护,同时也容易引起患者的不舒适和不自然,以致情绪不安或心情紧张,进而影响检测数据的准确性。蓝牙、Zigbee等具有低功耗和高可靠性等特点的短距离无线通信技术的推广应用,极大的推动了无线医疗监护技术的研究和应用。本文研究了一种基于Zigbee技术的无线医疗监护系统,采用TI-Chipcon公司的SoC式Zigbee芯片CC2430/CC2431作为传感节点的控制核心,构建了低成本、低功耗、网络规模灵活多变、低辐射和抗干扰能力较强的实时性WPAN通信系统;应用基于RSSI测距原理进行定位的CC2431 Location Engine,设计了无线定位功能;对医疗环境中使用无线通信手段的电磁辐射安全性,和无线设备间的干扰进行了深入的研究和测试。 在调查和分析了无线医疗监护系统具体应用环境的基础上,基于TI-MAC协议栈和Z-Stack协议栈的框架分别设计开发了单跳WPAN和多跳WPAN的通信协议应用部分;经过进行网络组建实验、网络吞吐量实验、模拟生理信息采集和数据传输实验,验证了单跳WPAN和多跳WPAN的网络覆盖和生理信息无线传输的能力;进一步设计了基于Zigbee的WPAN和基于PC的LAN融合的混合拓扑结构应用方案,让有着丰富运算资源的PC机LAN成为多跳WPAN的有力补充,解决了多跳WPAN中数据传输的延时间题。 为了能够对监护对象有可能发生的紧急状况提供迅速的应对措施,利用多跳WPAN可用Router节点拓展网络覆盖区域的特性,开发了应用于无线医疗监护系统的基于Zigbee网络RSSI的无线定位功能,并在室内环境中进行了定点定位、动点定位、障碍屏蔽定位等一系列的测试,结果表明该无线定位功能在运行中达到了较高的精度,可以满足实际医疗监护应用的需要;做出了以CC2431 Location Engine为核心的无线定位应用设计,可在多跳WPAN应用环境下通过低成本和简单易行的固件升级方式来实现该定位服务。 对WPAN通信系统在无线医疗监护系统中可能涉及到的辐射安全性和抗干扰性方面进行了深入分析和测试实验,证明以上设计的WPAN通信系统的电磁辐射量符合国家有关标准,以及欧洲和美国的有关安全标准;在Wi-Fi环境中,采取选择与Wi-Fi非重叠频段建立网络、控制数据帧长度的合理措施能够为WPAN通信系统提供一定的抗干扰能力;提出了WPAN通信系统动态切换信道的方法,能够在维护自身拓扑结构的同时,有效的降低Wi-Fi设备对WPAN通信系统的干扰。
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