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智能家居中的ZigBee多级实时健康监测系统 摘要：我们提出了一个采用ZigBee技术的无线健康监测系统，用于智能家居中。通过3层架构，收集和处理生命信号。第一层装置是携带在人身上的移动设备，其上运行一些有线和无线的探针，这个装置也执行一些基本的处理，如心脏速率和生命死亡检测。在第二层，由本地服务器对移动设备连续发送的原始数据进行进一步处理。原始数据也存储在该服务器中。经处理的数据，以及由此得出的结果，再发送到中央服务器中心，用作专家对诊断的评审并储存。本文所推荐的系统的主要优点是：（1）具有无线检测身体区域网络（BAN）信号的能力。（2）低功耗和ZigBee网络节点间可靠的数据检测。 （3）通过自适应的分层结构进行优化和分析数据，并能使三个层次合起来的处理和计算能力效用最大化。目前，我们正在为所提出的系统建立一个原型，它使用内部心电图(ECG)探头和ZigBee无线模块。 关键字：ZigBee，心电图(ECG)，健康监测 I．引言 个人区域网络（WPAN）作为众多无线技术之一而出现。如今，人们对于医疗保健监控、智能家居、工业控制的兴趣增长显著。 ZigBee是第一个工业标准的WPAN技术，可提供短距离、低功耗和低数据率通信，并且支持mesh网络和多跳。虽然在智能家居的许多应用领域（如照明、安全和气候控制）中，ZigBee标准都是被建议采用的对象，但其在医疗保健应用中没有得到应有的重视，尽管它很重要和具有高的附加值。在这里，我们提出了一个无线实时健康监测系统的原型，用在智能家居领域中。 有许多关于实时病人监测系统已被报道过。 UbiMon（无处不在的可穿戴和植入式传感器监测环境）项目，旨在提供一个连续的和隐蔽的患者监测系统，以捕捉短暂、但危及生命的事件。 CodeBlue项目探讨无线传感器网络技术在医疗方面的应用，包括院前急救、医院急诊护理、灾害响应中和风患者的康复。大多数现有的系统缺乏两个重要的特征：（1）合乎标准并且可靠的无线操作（2）能与智能家居系统兼容。 我们这套以ZigBee为基础的系统是建立在这样的前提下的：智能家居能同已经广泛应用的无线技术相结合——这是医疗监控系统有效利用的关键。传感、传输和处理步骤的实用性是普及的主要障碍。因此，我们认为，基于新兴智能家居无线ZigBee技术的医疗监测系统具有很大潜力。 此外，优化收集来的数据很关键。所谓优化，是指在三层（即移动装置、本地服务器和中央服务器）中的每一层里对计算和存储能力的最佳使用。例如，在无线网络连接的紧急情况下，移动装置可以在用户提醒方面发挥重要的作用，因此，移动装置可以再最紧迫的情况下用于检测。本地服务器通常具有很大的容量，从而可以执行更复杂的任务。在本文中，我们提供了系统的基本构架，我们目前正在开发它，并计划在未来两年实施一个试点市场。若取得了更多的进展，我们将会发布详细的算法以及试点项目的结果。 下一节，我们将对ZigBee技术作个简要的介绍。然后再介绍心电图(ECG)信号的基本知识，它是我们在开发的第一阶段所要收集和处理的原始数据。随后是我们所用方法的某些具体细节，最后是一些结论性意见和对正在进行工作的讨论。 II. ZigBee的无线传感和传输医疗数据 基于标准的无线技术将使许多医疗应用受益，这种无线技术可靠、安全、运行、功耗低。已有的无线应用标准，如蓝牙和IEEE 802.11，有较高的传输速率，但功耗高，应用程序复杂、成本高。 ZigBee方面，ZigBee网络主要用于与低占空比传感器，激活时间小于1％。比如，一个脱机的节点可以在在大约30ms内连接到一个网络。唤醒一个沉睡的节点需要大约15ms，和访问通道或传输数据花的时间一样。像读氧气罐中压力这样的应用，传感器可以每小时发送一次读数，然后进入睡眠。低功耗要求远程传感有长的电池时间。ZigBee名称来自蜜蜂在花间飞行的曲折的路径（比喻数据包在节点间传送）。 我们通过参照7层OSI模型(一种分层通信系统)来描述ZigBee。 ZigBee联盟指定ZigBee底部三层（物理层，数据链路层，网络层），以及应用程序编程接口（API），使开发者能设计自定义应用程序来方便使用下层所提供的服务。图1显示了该联盟所采用的分层协议结构。应当指出，ZigBee联盟选择使用了一个已经存在的数据链路层和物理层规范，就是最近出版的IEEE 802.15.4标准，它主要用于低速率的个人区域网络。以下，我们描述每个层的主要特点。ZigBee协议的完整描述可以在参考文献[1],[2]中找到。 图1 ZigBee协议栈示意图 A.物理层主要功能 IEEE802.15.4标准定义的操作的三个频段：868MHZ，916MHZ和2.4GHZ频段。我们将专注于2.4GHz频段，因为这是现在最常用的，除此之外，这个