摘 要

近些年来，随着生活质量的提升，人们对于自身的健康问题愈发关心，如何能实时监控自己的生理参数信息并反馈给医生成为人们非常关心的问题，而传统的医生病人面对面诊断和大型有线设备监控等医疗手段极其的不方便。因此，利用比较成熟的无线通讯技术实现远程监控医疗具有重要的现实意义。

本次设计选择ZigBee组网技术，在医院病房和监护室之间组建局域网络，协调器设在监护室，终端节点设在各个病房的病人。硬件上采用基于ZigBee协议的CC2530单片机，结合心率、体温、温湿度等传感器，将测得的病人生理参数和病房环境参数通过网络传送给监护室的协调器，并在其电脑上位机界面显示。最后对整个系统进行了测试，该系统具有很好的组网稳定性，测量数据准确，并且功耗非常低，具有很强的实用价值。

关键词：远程监控；ZigBee；CC2530；传感器；

Abstract

In recent years, with the improvement of quality of life, people are increasingly concerned about their own health problems.How to monitor their physiological parameters in real time and feedback to doctors are becoming a topic people are very concerned about. The traditional doctors' face to face diagnosis and large-scale wired equipment monitoring and other medical methods are extremely inconvenient. Therefore, the use of mature wireless communication technology to achieve remote monitoring and medical treatment has important practical significance.

The design chooses ZigBee networking technology to establish a local area network between the hospital ward and the intensive care unit. The coordinator is located in the care unit and terminal nodes are located at the patients in each ward. The hardware adopts the CC2530 microcontroller based on ZigBee protocol and sensors such as heart rate, body temperature, temperature and humidity.The measured patient physiological parameters and ward environmental parameters are transmitted to the coordinator of the care unit through the network and displayed on the upper computer interface. Finally, the whole system was tested. The results show that the system has a good stability of the network, accuracy of measurement data, and very low power consumption, and has a great practical value.

Key Words: Remote monitoring；ZigBee；CC2530；Sensors

目录

第1章 绪论 1

1.1 设计的背景、目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.21 国内研究现状 2

1.22 国外研究现状 2

1.3 本文主要设计内容 3

1.4 本文组织结构 3

第2章 总体方案设计 5

2.1 系统需求分析 5

2.2 总体设计方案 6

2.3 单片机选择 7

2.4 传感器选择 8

2.4.1 心率传感器选择 8

2.4.2 体温传感器的选择 9

2.4.3 温湿度传感器的选择 10

2.5成本估算 11

第3章 硬件电路设计 12

3.1 单片机硬件设计 12

3.1.1 时钟电路 12

3.1.2 调试与串口电路 12

3.1.3 电源电路 13

3.2 传感器硬件设计 14

3.2.1 心率传感器 14

3.2.2 体温传感器 14

3.2.3 温湿度传感器 15

3.3 LED指示电路 16

第4章 软件设计 17

4.1 协调器节点程序设计 17

4.2 终端节点程序设计 19

4.2.1 终端节点主程序设计 19

4.2.2 传感器程序设计 20

4.3 上位机程序设计 22

第5章 系统调试 24

5.1 组网测试 24

5.2 整机调试 25

5.3 功耗测试 27

第6章 总结与展望 28

6.1 全文总结 28

6.2 展望 28

参考文献 30

致谢 31

附录A 电路原理图 32

附录B 上位机程序清单 32

附录C 下位机程序清单 32

第1章 绪论

1.1 设计的背景、目的和意义

随着工业的快速发展、食品安全问题的泛滥以及人们越来越不合理的生活方式的影响，人们的健康问题愈发突出^[1]，医院就医人数逐年增多。但现阶段，医院对病房病人的监控和管理的手段仍然比较落后。传统单一固定的诊疗方案已经没有办法满足人民的需要，并且患有慢性病的病人需要长时间对病人身体参数的观察和治疗。医生和护士不可能时刻在患者旁边监护，所以如何在满足医院服务需求的前提下提升目前医院的服务方式成为了目前医疗系统急需解决的问题。

远程医疗监护指的是通过网络通信将远端医学与生理信号传送至监护中心并进行分析^[2]，并对此进行诊断的技术手段。随着现代通讯技术和计算机等技术的飞速发展，远程医疗监护迎来了新的机遇。它通过医用传感器采集病人的生理信息，并传送至网关，再发送给远程的监控中心，该中心分析生理数据并进行诊断，以此实现对病人的远程监护与医疗。远程监护系统也由以上过程中的三部分组成^[3] ：医用检测设备、通讯传输设备和监控中心。其中，医用检测设备主要负责测量收集人体的各项生理参数，比如体温、心率、血氧饱和度等生理信息，目前医院使用的监护仪器体积非常大，而且比较固定。通讯传输部分主要用于连接监控中心与检测设备。监控中心则主要用来将传输过来的数据分析汇总等，也包括对数据的存储和相关运算等。

现在大部分医院仍旧使用很难移动的监护设备，这些设备缺点明显，移动不便、体积大、功耗大，并且各种复杂的连线会形成压抑的氛围，对病人的心理造成极大的压力，甚至可能会使测量的数据出现异常^[4]。现阶段的基于传感器和无线网络技术的远程监控系统则会规避这些问题，检测设备所用传感器非常轻巧且使用方便，病人可以随身携带，不会影响病人的行走和活动，对病人的心理也是一个缓冲，并能够实时地将病人的生理信息采集下来，通过自组网发送给监护中心的医生，这样医生就能随时了解病人的身体信息，并能对病人长时间的身体参数进行规律性的分析^[5]。

建立起来的系统能够解决传统的人力巡逻检查带来的工作效率低、易发生危险等问题，对于患者来说也是非常的便利，不必让陪同者日夜守护，减少劳累。同时可以降低医院其他有线设备的成本，减少医院开支。另外本系统具有很大的独立性，不依赖于其他的系统，可移植性非常强，适用于各类医院。可以大大缩短实施的周期。同时可以极大提高医院的服务质量，患者的安全也能够得到保障。

1.2 国内外研究现状

1.21 国内研究现状

国内对于病房病人的医疗监控无线化系统的研究落后较多，使用比较多的远距离诊断方式大都是结合卫星和电话线通讯；这类服务的对象主要是军队的日常执勤医疗和战场会诊。中国的远程医疗的发展主要是基础设施的建设方面，早到上个世纪七八十年代中叶，我国就已经开始建立布及全国各省市的三个重要的远程医疗网络，它们是卫生部领导的IMNC工程网络、金卫工程（GHN）和解放军远程医疗网络^[6]。2002年，解放军总医院利用卫星和德国的一家医院讨论了神经外科的远程病例。2003年8月，中国海军总医院与北京航空航天大学的机器人研究所一起开发出来的操作远程医用机器人，其中互联网发挥了非常重要的作用。清华大学也曾设计出了选择程控电话网进行通讯的监测系统，适用于家庭，可以将血压、血电等参数远程发送。

但是，就现在普及程度来看，国内远程医疗监护远没有达到理想的要求^[7]，这其中有很多原因，首先便是医疗成本的问题。对于通信的手段，电话网或者卫星优点非常突出，但价格也是普通家庭根本承担不起。对于通讯方式的选择是使其普及的一个很关键的因素。

1.22 国外研究现状

远程医疗在全球各个地区的发展并不相同，欧美发达国家的技术相对比较成熟，他们提出了一些关于远程医疗的概念，例如开放的分布式系统。在新加坡南洋理工大学设计了一个无线局域网移动式的远程医疗监护系统，此系统可以实时传输医疗数据、图像和声音，同时还可以实现病人与医生的互动。香港远程医疗领域的学者设计了一种远程医疗监护系统，该系统通过手持式设备如手机进行通讯。在西欧卢森堡有学者通过卫星网络进行远程医学教学，虽然卫星通讯是一个覆盖面广、数据传输速度非常快的通讯方式，但费用太昂贵，无法普及。英国学者Smith设计了一个远程医疗紧急救护系统，此系统由远程医疗的移动单元与咨询单元组成，能够对生理参数如血压、心电信号导联、心率等参数进行采集，还能够对静态图像进行传输，传输协议用HTTP协议来实现。希腊设计出了在救护车上使用的监护系统，通过通信网络可以与医院监控中心进行通讯，能够实时对患者的生理特征信息进行检测，以便更好地获取专家的指示和帮助，从而争取到抢救时间，此系统己在欧洲多个国家投入上线。美国的军方开发了士兵使用的个人参数监护设备，士兵佩带这套微型的仪器后，携带者的体温、心率以及其它生理参数都在其监护之下。

2003年,瑞士苏黎世ETH大学设计完成了面向患有呼吸道疾病和心脏疾病的病人使用的可以穿戴的医疗监控报警设备。这套设备可以采集病人的多个生理参数,比如病人的血氧浓度、心率、血压、体温等参数，并对它们进行监控,利用蓝牙通讯方式将收集的信号传输到设置的腕戴装置,再经全球移动通信网络GSM或者全球定位系统GPRS发送到医疗监护总中心实现信号解析处理,从而实现对于病人的健康监控。

2004年,哈佛大学开展对于Code-Blue项目的研究,此项目研究的最主要目的是实现当有灾情发生或者需要提供紧急救援的现场医疗监控。该项目的负责人员独立研究设计了方便携带的心电图、微型血氧仪,并利用了比较流行的Zigbee通讯协议,将采集的信息发送给持有触板式节点的医护救援人员。通过对信号的分析处理,灾情现场的救援工作者能够得到救援工作的优先性并且可以实时发送病人的生理参数信息给医院的总监护中心,从而有利于医院里的救援队伍出发前做好细致的准备工作。

1.3 本文主要设计内容

本次设计是建立一个利用Zigbee网络的远程病房监控系统，由数据采集部分和传感网络以及远程诊断部分组成，主站设在护士站，各个终端节点设在各个病房的病人，病房节点能够方便的加入到网络中。护士站能够通过观察各个病房病人的信息及时作出判断并且处理。主站可以连接PC，并且可以利用文件存储患者的心电、体温数据。终端节点部分包含传感器和zigbee终端，由传感器采集病人的心率、体温和病房温湿度信息，由终端节点将信息打包发送至协调器。同时协调器也可以发送护士站的指令到病房，实现信息双向传递。

1.4 本文组织结构

以下为各章节总标题和具体的内容安排：

第1章为绪论，主要论述了基于Zigbee技术的远程监控系统的研究背景、目的及意义，综合分析了国内外远程监护系统的研究现状，并给出各个章节总内容和具体的结构。

第2章为总体方案的设计，首先从实际应用出发对比分析各种无线通讯方式，选择本次设计通信方案，并选择了网络通信结构。然后进行硬件器件的选择，并给出了选择理由。

第3章为硬件电路的设计，详细叙述每个部分的硬件电路设计，包括单片机最小系统以及各个传感器，并给出模块与处理器的接口设计。

第4章为系统软件设计，详细叙述协调器、上位机和传感器节点的程序设计，以及各个传感器如何在程序中读取数据，给出了详细的程序流程图。

第5章为系统调试，分别叙述组网部分的调试、测量数据结果以及系统功耗测试，验证系统的稳定性和低功耗。

第6章为总结与展望，对本文进行一个总结，发现本次设计的不足，展望技术可以提升的地方。

第2章 总体方案设计

2.1 系统需求分析

本次设计的远程监控系统主要针对医院病房里的病人，既要检测病人的体温、心率等生理参数^[8]，又要检测病房里的温湿度。并且检测到的数据要经过无线传输发送给监护室，这就涉及到无线传输方式的选择。

新时代的浪潮下，无线通讯技术得到快速地发展^[9]，产生了很多无线通讯协议标准，比如Wi-Fi、蓝牙、无线USB、Cellular、ZigBee，它们本身各有优缺点，适用于不同的领域，例如Wi-Fi传输范围广、数据传输速率很快，支持数据、图像、语音和多媒体，适用于大量数据传输的领域；蓝牙具有单一连接性，传输距离比较有限，广泛应用于手机、耳机、鼠标等领域。但ZigBee技术适用于距离比较近、功耗非常低并且传输速率很低的场合。相对于其他几种无线传输协议，ZigBee系统建立比较容易，可以方便地移植，且功耗非常低^[10]，协议容易理解和运用，成本也较其他通讯技术更低。常见无线通信协议的对比如图2.1所示。

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