穿戴式躯感网系统的设计与实现

　　摘要：随着现代社会老龄化人口比例增加，以及老年病、慢性病等疾病在医疗服务中占的比例上升，传统的医疗监护服务由于监护设备的穿戴复杂性、携带不方便性，已经不能满足现代社会的需求。为了解决老年人的医疗保健问题，我们设计穿戴式躯感网系统来对老年人的健康状态进行连续实时监测，该系统通过生理数据采集模块采集数据，然后通过通信模块将数据传输到躯感网中心点，实时显示ECG、SPO2、心率、呼吸率、脉率、体温等一些信息，并对可能出现的异常情况采取报警处理。最后，通过大量的实际测试证明了该设计方案有效可行，具备可穿戴性、可靠性、安全性以及易扩展性。

　　引言

　　当前，社会人口老龄化进程的加快以及与年龄相关的各类慢性疾病的迅速增加，使世界各国开始重视老年人的医疗，开始加强对威胁老年人健康的慢性病等疾病的监测与预防控制，因此，对老年人健康状态的监护越来越受到关注。近年来，研究人员提出了一种新型的躯体传感器网络(body sensor network，BSN)，BSN是一种重要的公众应用网络，并在远程医疗保健老年人群监护和社区医疗等服务领域有着巨大的应用意义和需求。

　　躯感网系统^[1-3]将健康监护仪从病床、医院扩展到社区、家庭，是实施远程监护系统的重要基础，由于生理信号微弱、不稳定、易受外界环境干扰，而且穿戴式躯感网系统是在监护对象日常活动中采集生理参数数据，如何在环境复杂、移动频繁的情况下，克服人体移动和外界环境对信号的干扰，更是躯感网系统在实现上的一个难题。

　　近些年来，躯感网平台提出了很多，例如文献^[4]提出利用体温传感器、ECG和呼吸传感器、血氧传感器、wIFLy GSX无线通信模块、LCD触摸屏模块来构建躯感网平台，但该平台采集的各种生理参数信息是通过LCD触摸屏模块显示的，使得该系统不适合穿戴，其舒适性效果差。文献^[5]中的躯感网平台中的心电模块硬件电路设计复杂、功耗高，以及血氧模块携带不方便。

　　总之，目前躯感网平台，还很难做到舒适性、低功耗与高实时性的统一。本文提出了可穿戴躯感网系统，使其具有较好的可穿戴性、高实时性、低功耗。

　　1 系统总体框架

　　本系统充分考虑了传统的监护设备携带的不方便性和移动无线监测的优势，使用户能够随时随地的监测其生理参数。本系统具有以下特点：低成本、低功耗、高实时性、易携带、易穿戴。系统可监测多种重要的人体生理参数数据，如心电信号(ECG)、心率(HR)、血氧饱和度(SPO2)、脉率(PR)、呼吸率和体温等。

　　本文所设计的穿戴式躯感网系统主要包括生理数据采集模块、通信模块以及中心处理模块三个部分。系统整体架构图如图1所示。

　　1.1 生理数据采集模块

　　在本系统中，根据人的生命活动特征，生理数据采集模块^[6]主要包括三导联心电模块、数字血氧模块、体温模块，通过这三个模块来采集人体的生理参数信息。

　　1.1.1 三导联心电模块

　　本系统中设计的三导联心电模块，主要实现对人体的三导联心电信号和呼吸幅度信号的采集，并通过呼吸幅度信号计算出呼吸率，以及从某一导联心电信号计算出心率。另外还提供直流导联脱落检测功能。通过通信模块，实现数据无线传输到躯感网中心点。

　　心电模块硬件电路设计中包括电源供给电路、串口接口电路、复位电路、ECG信号保护电路、右腿驱动电路、采集芯片接口电路以及主控芯片外围电路，心电模块系统结构如图2所示。