基于Zigbee的家用ECG监测

开发用于心电图医疗监测的住宅无线传感器网络

摘要

由于无线技术相较于有线应用具有便利性和成本效益，其发展迅速，尤其是基于无线传感器网络（WSN）的应用所带来的优势。此类应用广泛存在于医疗保健、医疗、工业和家庭自动化等多个领域。本研究考虑了一种基于Zigbee技术的家用无线心电图监测系统。此类系统可用于在用户家中对其进行监测，同时也便于医生进行定期监测以提供适当的医疗保健服务，使人们能够在家中更长久地生活。健康监测系统能够持续监测多种生理信号，并提供进一步的分析与解读。这些系统的特性和缺陷可能会影响佩戴者在监测生命体征期间的移动性。实时监控系统在保持用户舒适度的同时，记录、测量并监控心脏电活动。

Zigbee设备可为家庭环境中心电图信号的监测提供低功耗、小型化和低成本的合适解决方案，但此类系统通常独立设计，未考虑现有的家庭控制网络和智能家居解决方案。本研究首先进行了最新进展综述，随后介绍了无线心电图监测系统的主要概念和内容。此外，还重点讨论了心电信号模型和功耗公式。同时报告了挑战与未来展望。本文得出结论：只有当大众市场健康监测系统与家庭环境监测与控制系统结合实施时，才可能得到广泛应用。

索引词 —Zigbee，心电图学，心电图，监测，无线通信，收发器，心电图监测系统

一、引言

心电图（ECG）是一种用于检测心脏疾病异常的重要诊断设备。心血管疾病会影响心血管系统，特别是血管和心脏。中 stroke 和心脏病发作是公众中最常见的心血管疾病，需要持续监测。心电图是应用最广泛的心血管疾病监测技术，可测量心脏的电活动。心电图系统是一种非侵入式监测仪，用于评估心脏电活动、测量心跳节律/频率，并识别心脏是否受损。心电图包括将电极放置在人体表面合适的位置，这些电极通过导线连接到心电图监测设备，以检测并放大心脏的电信号，心脏状况的变化会改变心电图特征。

临床心电图设备可用于短期监测，但通常体积较大，且连接的电极会降低佩戴者的灵活性/移动性。对于长期监测，可以使用便携式动态心电图监测仪来检测心律失常。

近年来，无线心电图监测系统已实现[1, 2]。蓝牙和 Zigbee 是心电图无线监测系统中主要使用的无线传输协议。

通过通信网络开发远程心电图监测系统（MSs）已成为一个重要研究课题。此类系统有助于对佩戴用于心电图监测的无线传感器网络（WSNs）便携式设备的人员进行远程监测，作为智能家居概念的一部分[3][4]。心电图信号被传输到本地集线器，然后发送至心电图服务器，可在医院用于进一步分析，实现远距离心脏健康监测。移动设备、生物传感器和无线设备的新进展推动了在线监测系统的发展。此外，监测系统可根据智能心电图处理结果向医生提供自动警报，进而根据检测到的异常情况为佩戴者提供帮助。

通常，Zigbee 和蓝牙的性能相对相似，然而 Zigbee 在环境控制系统和家庭监测系统中的应用更为普遍。目前，Zigbee 还广泛应用于患有心脏病的老年人监护等众多领域。

和/或糖尿病等实时监测系统。尽管有许多个人医疗设备使用蓝牙技术，但本文重点探讨将医疗无线传感器网络（主要是心电图监测）融入家庭控制网络所带来的可靠性以及大规模市场部署优势，因此重点关注基于Zigbee的家庭健康监测。

第二章讨论家庭健康监测，第三章介绍无线心电图监测的主题，第四章阐述家庭医疗保健监测面临的挑战和未来发展方向。本文在第五章进行总结。

II. 基于Zigbee的家庭健康监测系统

无线通信技术支持的医疗保健系统能够以低成本提供轻量化的智能传感，非常适合消费类大众市场的普及。近年来，医疗传感器、网络以及生理数据处理技术的进步催生了新型设备和服务。普适健康监测正在兴起，以支持个人医疗保健、医生诊断，并在心脏骤停情况下提供急救响应。

A. 监测系统架构

为了监测心脏骤停，可将一种包含无线处理器的便携式设备 attach 到人体，以传输从身体感知的心电图信号。

通常，会感知佩戴者的心电图信号、心跳和脉率。因此，一旦检测到任何异常情况，可通过向医生或附近医院发送警报信息来采取行动。为了实现家庭以外与医院的通信，可以使用蜂窝通信或互联网连接，以在心脏骤停情况下协助佩戴者 [5]。

B. 心电图信号的数学模型与基于Zigbee的心电图监测

通常，传感器的特性可以使用[6]建模：
$$
\left( \right) \left( \right), , i i i i G x s x \eta \eta = ,
$$
其中 $G$ 是传感器的输出，$x_i$ 是感知位置，$\eta_i$ 表示特征参数。此外，一种应用方法是使用傅里叶变换对生理信号（包括心电图信号）进行建模，可表示为：
$$
\left( \right) \left( \right) \left( \right)
2 2 1 , 2
j f z ECG t f e b f t d \pi \tau \tau \tau \pi
- = -
\int
,
$$
其中 $\left( \right),ECG t f$ 是输出的感知信号，$\left( \right) f \tau - t$ 是沿 $\left( \right) b \tau$ 的滑动窗口函数。随后，可使用个人辐射探测器（PRD）来检测该人相对于“正常”状态的异常差异，或通过时间学习该差异。通过计算当前信号与参考信号之间的差异，较大的 PRD 值可能表明佩戴者正遭受严重状况。

经处理后的 ECG 输出信号随后通过 Zigbee 传输到家庭中心节点以进行进一步处理。通常，Zigbee 网络的首要目标是使家庭中心节点能够在整个房屋内实现高覆盖率，无论是直接连接还是通过网状网络。因此，Zigbee 的操作和电池特性模型成为一个活跃的研究领域。

C. Zigbee 设计

Zigbee 是一种典型的开放技术，可通过短距离射频处理无线网络的低功耗/低成本需求。它主要用于需要长电池寿命、安全组网且仅需较低数据速率的射频（RF）应用。当有多个家庭中枢可用时，Zigbee 网状网络拓扑可通过使用多个家庭中枢来提供更广的覆盖范围以及高可靠性。

Zigbee 联盟为传感器网络和控制领域的多种应用开发了 Zigbee 规范，旨在实现低成本连接性和电池供电设备的低功耗。Zigbee 的主要特性基于 IEEE 802.15.4 标准 [7]。与任何使用电池的设备类似，Zigbee 需要具备睡眠和关机功能。在 Zigbee 节点中，电池使用具有多个优势，包括提高 Zigbee 设备的灵活性、低成本，并使 Zigbee 适用于具有低占空比的可扩展网络。Zigbee 设备的电池功耗主要发生在接收/传输时间期间。同时，IEEE 802.15.4 标准采用了极低的占空比。因此，在 Zigbee 网络中，无线设备大部分时间处于睡眠模式，从而提供长电池寿命，通常可达数年，具体取决于设备运行情况[8]。

通常，功耗是电池、占空比、处理、接收窗口、网络的电子元器件和系统以及 Zigbee 网络的电池能量的函数。对于 Zigbee 网络中的一个节点，主要的能量消耗组件包含在电池总功耗[9]中：
$$
P_C = P_t + P_r + P_s + P_{id},
$$
其中，$P_C$ 为总功耗，发射信号和接收信号的功耗分别为 $P_t$ 和 $P_r$。在睡眠模式下，功耗由 $P_s$ 表示，而 $P_{id}$ 表示处于空闲/睡眠状态时的功耗，此时无数据包被接收或传输。

电池寿命可根据以下表达式以小时为单位计算：
$$
L = \frac{BT}{L_c^n},
$$
其中，$BT$ 表示以小时为单位的电池寿命，电池容量 $L_c$ 的单位为 mAH，负载电流 $L$ 的单位为 mA，$n$ 为取值范围在 1 到 1.3 之间的佩克特指数。这些数学模型已被用于计算 Zigbee 设备 [10] 的电池寿命。

D. Zigbee 医疗传感器网络评估

在临床诊断中，测量和监测多种生理参数是一个关键过程。这些参数通过将生物医学传感器连接到人体进行测量。对医生而言，重要的参数包括脉率、血压、心电图和体温。然而，这些测量依赖模拟设备完成，导致灵活性较低，因为佩戴者需要固定在监测设备上。此外，由于传感器通过导线连接到监测设备，使用模拟设备使得信息共享和备份无法实现。

由于导线往往会限制移动性，从而产生潜在问题。因此，对于传感器数据而言，无线网络系统可为用户带来更高的灵活性。通过远程使用计算机，可实现个人健康监护，因为佩戴者与生物医学传感器网络相连接。此外，在将感知信号传输到中心节点之前，会采用智能信号处理技术对感知信号进行本地处理，而不是将大量原始数据传输到中心节点。在感知数据本地处理所需的功耗与用于远程处理而传输大量数据所需的无线传输功率之间，存在着有趣的工程权衡。

典型的传感器网络由一个或多个体域网（BAN）和一个或多个互连中心节点 [11] 组成。中心节点接收到的信息可通过家庭主干网络进行传输，最终在网络的连接终端上显示 [12]。该监测系统具有实现即时诊断、心电图监测和居家监护的潜力。无线传感器节点均依靠电池供电，因此需要高能效无线网络系统。

IEEE 802.15.4/Zigbee 标准被认为是一种有前景的无线标准，可为无线网络提供低功耗和高度灵活性。它具有低成本、小型硬件的特点，并且单个网络中可容纳多个设备。

E. 通过Zigbee操作传感器节点

单播、广播、任播和多播是用于对通信节点进行分类的四种数据传输方式。广播和多播属于一对多传输，因为它们可以将信息传递给多个接收器。然而，单播仅将数据包传输到单个中心节点，因此通信开销较小。另一方面，任播是一种创新的网络路由方法，其中发送方的信息被定向到最近拓扑中心节点。

传感器节点的操作如下[13]。一旦传感器单元获取生命体征，如心电图信号和心率，它会通知 Zigbee 单元检查是否存在到中心节点的路由。如果存在可用路由，Zigbee 单元将把信息数据包传输至中心节点。否则，Zigbee 单元将消息封装成帧，并广播至相邻路由器节点。对于数据接收器而言，一旦 Zigbee 单元接收到信息数据包，它会在更新后的路由表中记录该路由。在接收到数据包的情况下，Zigbee 单元接收到多个信息数据包时，多余的数据可能会被删除，或用于分集接收。

传感器单元会定期采样生命体征/心电图信号并缓存数据。一旦缓冲区满，Zigbee 单元便会从压缩数据创建用于传输的数据消息。随后，Zigbee 单元会定期检查由成功接收产生的确认（ACK）消息。一旦 Zigbee 单元收到确认（ACK）消息，便可删除已确认的数据；而如果在超时期间内未收到确认（ACK）消息，Zigbee 单元将检查其数据接收者列表。

III. 无线心电图监测系统

生命信号监测被认为是远程/连续个人健康追踪最有效的手段。主动医疗保健的发展趋势推动了可穿戴传感器设备在现代远程医疗中的应用，而移动计算、嵌入无线技术的低功耗微处理器以及传感器技术的巨大进步，使得精确的普适健康监测成为可能[14]。心电图监测仪在多家医院被用于通过测量心脏活动来诊断和监测个人健康状况。

无线心电图监测系统通过无线连接获取、放大、处理并传输佩戴者的心电图信号。基于传感器的集成系统能够感知、处理并传递医疗信息给相关方，包括医生和急救服务人员 [5, 15]。

A. 心电图传感器

近年来，可穿戴健康监测设备在远程医疗保健中发挥着至关重要的作用。这类设备包括脉搏监测仪、便携式心电图监测仪、跌倒检测、活动监测仪[16]，以及植入式传感器。通常，心电图通过附着在胸部下部/上部的电极（心电图传感器）来量化不同电极对之间心脏电活动的短时样本，以评估心脏活动。多种生物监测系统被用于持续监测多项生理参数。这些系统用于检测、处理和记录信号。

通过连接到身体电极的放大器，利用附着在人体多个点上的导联测量五种电势，从而获取心电图信号[17]。电极检测因心肌细胞复极化和去极化而在身体内传播的电流。

典型的心脏监测系统包含三导联，这些导联连接到佩戴者的三电极，以形成爱因托文三角。电极位于心脏的不同位置，用于测量心肌活动以及电极对之间的电压，这些数据通常以图形形式呈现。

B. 心电图通信流程

先进监测系统主要使用无线技术连接到传感器设备。这可能会形成将多个节点集成到无线体域网（WBAN）中。Zigbee、蓝牙和 WiFi 是常用的无线通信标准。通常，无线局域网用于家庭内部与主要中心节点的通信，该中心节点通常连接互联网。

Zigbee 与蓝牙不同，它可以轻松用于实现多达 65,536 台设备的复杂家庭网络。它已被用于多种医疗设备的实现 [18, 19]。

C. 个人健康监护系统

个人健康监护系统通常涉及多种设备，用于监测个人状态，包括心电图、生命体征和血压[20]。这些系统可采用无线监测技术以支持医疗保健。已有许多研究致力于实现无线监测系统，以改善人们的医疗保健[21–23]。通常使用蓝牙、WiFi、射频识别（RFID）和 Zigbee 进行无线通信。表 I 包含了这些不同技术在多个指标上的比较。

在数据可靠性方面，包括功耗、可扩展性和干扰；蓝牙在抗干扰性能上优于 Zigbee 和 Wi-Fi。然而，蓝牙在医院、诊所、火车站、学校等公共拥挤场所效率较低，会影响体域网的服务质量。此外，Zigbee 相较于蓝牙具有更好的可扩展性，因为它可以在体域网中同时连接多达 65,536 个传感器。

如下所述，已开展多项基于这些无线技术的心电图监测系统研究。蓝牙监测技术已在多个应用中使用。埃克斯特伦[24]设计了一种用于患者监测的无线传感器结构，具有高灵活性、自由移动性以及心电图传感器的一致性。该系统包括一个个人数字助理（PDA），用于传输心电图传感器的信号。贝萨尔等 [25] 开发了一种基于心电图的监测系统。该监测系统使用了数据采集单元（DAQ）、处理单元、心电图传感器和收发器。通过蓝牙，心电图信号被传输到服务器以进行进一步分析。

此外，基于 WiFi 的监测技术已在多个应用中得到使用。余和程 [26] 开发了一种基于蓝牙和 WiFi 的无线监测系统，该系统旨在获取佩戴者的生理信号，并通过蓝牙将这些信号传输到服务器。控制中心、移动设备、监控单元和网页通过 WiFi 进行通信。为了提高移动性，蓝牙可与 WiFi 网络结合使用。苏普达·诺伊马尼 et al. [27] 设计了一种监测系统，该系统包括摄像机、用于通过 Zigbee/IEEE 射频单元发送生物信号的心电图收发器，以及用于发送心电图信号的 WiMAX 收发器。在检测到心电异常时，心电图传感器会将信号发送至靠近患者的摄像机，以便医生进行监测。当然，医生可能无法随时在场。

基于射频识别的监测技术在家庭医疗保健中也具有重要作用。Ishihata et al. [28] 提出了一种可植入式射频识别芯片，用于存储个人的信息并追踪位置。Trappey et al. [29] 提出了一种基于射频识别的移动智能医疗系统，该系统包含定位广播射频识别应用和识别系统，以减少数据录入冗余/错误，并提供智能决策。Teaw et al. [30] 开发了一种无线传感器结构，用于监测心率、呼吸频率、血压和体温等生命体征。此外，该系统通过射频识别标签追踪患者的位置，并在需要时向其亲属发出警报。医院中可通过打印在腕带上的条形码来监测患者。此外，Want [31] 建议用射频识别标签替代条形码，以实现存储更多信息的能力。为了实现实时监控，Ogawa et al. [32] 设计了体配标签。此类标签也被用于患者的定位。Cho et al. [33] 通过网状多跳网络扩展了有源射频识别设备的网络区域覆盖，同时在集线器与射频识别读取器之间使用 Zigbee。

弗雷希尔等 [34] 提出了一种通过友好的用户界面测量患者体征的新架构。该系统包含无线心电图和脉搏血氧仪传感器，用于共享信息。结果证实了 Zigbee 在实现所需移动性、功耗和数据吞吐量方面的效率。朴等 [35] 实现了一种基于 Zigbee 网络的多通道心率监测系统，用于运动康复患者。该监测系统包括一个中央监测系统和一个可穿戴患者端设备（PSD）。中央监测系统可同时监测多名患者。必要时会生成警告信号，并通过 Zigbee 网络与监测系统连接。贝歇尔等 [36] 设计了一种结合蓝牙的 Zigbee 系统，用于采集患者的心电图、体重和脉搏。该系统包含三个心血管无线传感器，用于监测心电图信号、体重和脉搏。患者的这些信息通过微控制器从传感器中收集，进行进一步的数据处理后转发至 Zigbee 网关。Zigbee 网关通过蓝牙收发器转发数据包以进行数据分析。

尽管许多患有医疗状况的人居家不出，但外出对健康有医疗益处。Wang et al [37] 提出了一种基于 Zigbee 的家庭医疗保健监测可穿戴系统，该系统利用心电图、跌倒检测和全球定位系统来监测户外人员。

表I 无线技术标准特性比较

符号	蓝牙	Zigbee
电池寿命	数天至数年	数天至数年
连接设备数量	未通定常义 <14	最多 66,029
覆盖范围（距离）	最多 100米	最多 75米
数据速率	1兆比特/秒 （BLE5 为 2兆比特/秒）	249 千比特/秒
拓扑结构	星型/网状	星型/簇/Mesh

家庭医疗保健系统可以通过人在家庭中的位置来推断其活动。Yan et al. [38] 开发了一种基于多传感器数据融合的电子健康监测系统，用于预测活动，并进一步推动有关个人健康的决策过程。

IV. 家庭控制与智能家居服务

Zigbee 已被用作家庭自动化系统的无线通信协议，包括智能能源控制 [39–41]，家庭控制 [42] 和环境监测 [43]。最近，智能家居概念[4]通过常开互联网家庭网关[49]，进一步向消费者提供了可访问的显示设备[44]，远程设备控制[45, 46]，以及设备协作[47, 48]，等服务。有趣的是，智能家居确实能够实现对类人型机器人进行控制，用于家庭自动化，甚至可能利用机器人进行老年人护理[50]。

V. 挑战与未来方向

许多个人医疗设备使用不同的无线技术，缺乏兼容接口，且通常需要有线连接。因此，必须消除有线连接，开发短距离无线连接以实现设备间的可行连接性。基于 IEEE 802.15.4 的 Zigbee 和基于 IEEE 802.15.1 的蓝牙是两种主要的低功耗无线通信技术，具有短距离通信协议，可用于替代导线。蓝牙是一种基于无线射频系统的低成本设备，适用于短距离通信。虽然支持网状网络，但其主要被用于点对点通信以及构建小型自组织网络。蓝牙具有可靠性，且要求低复杂度、低功耗和低成本 [51, 52]。

Zigbee 设备可以提供稳定的网状网络、多跳和自组织功能，这些特性由 IEEE 802.15 和 Zigbee 联盟对应用软件层的量化指标所支持。Zigbee 能够为需要长电池寿命的设备提供低功耗连接和低成本。然而，它并不需要像蓝牙那样具备高数据传输速率。根据应用的功率输出消耗要求和射频环境，符合 Zigbee 标准的无线设备可用于传输 10–75 米的距离[53]。

然而，到目前为止，Zigbee 现行标准尚未考虑在多跳拓扑结构中传输的消息的可靠性。因此，Zigbee 可能不适用于生命体征传输，特别是包含心电图信号的紧急信息消息。尤其是，这些消息对于检测患者疾病以及提供关于坚持程度的重要线索至关重要。因此，这可以被视为一个活跃的研究领域。

此外，能量需求基于应用活动，这些活动可以被建模以延长电池使用寿命 [54]。此外，其他研究致力于改进和优化不同 Zigbee 路由过程的能量。

开发用于快速重路由的新协议是一个具有挑战性的研究领域。可以通过短延迟改进不完整路径，以确保传输的生命体征可靠性。因此，可以采用新路由协议实现用于心电图信号监测系统的基于 Zigbee 的单元。

将 Zigbee 设备应用于医疗监控系统吸引了大量研究。通过 Zigbee 无线网络获取的读数和心电图信号应与来自静态设备（如用于测量心跳的恒温器或听诊器）收集的数据进行对比。然而，主要限制是 Zigbee 传输/接收范围。

采用软计算技术开发用于心电图监测的集成 Zigbee 医疗平台可被视为一个新颖的活跃领域。该监测系统允许患者在移动的同时进行监测过程并记录生命体征读数。该平台可通过使用基于模糊逻辑的诊断系统加以补充。未来的研究方向可以进一步指向普适性生命体征处理与监测，以实现便携式智能生命体征处理[55]。

研究与开发已经创造了能够提供可靠互联网和云服务连接的智能住宅，同时也催生了家庭健康监测系统，但本文指出，这两个系统遗憾地始终被独立开发。为了实现真正无处不在且具有成本效益的健康监测与干预，本文呼吁将健康监测视为整体智能家居架构中不可或缺的一部分，而非作为独立或附加的功能。通过现有的家庭中枢，这种集成将最大限度地提升家庭医疗保健监测系统的性能、可靠性性和安全性。

VI. 结论

心电图是利用放置在身体特定位置的电极阵列来监测心脏电活动的一种有效方法。心电图监测系统有助于医生了解患者状况。最近，已部署了低功耗、低成本和灵活的 Zigbee 无线单元，用于感知和传输远程患者心电图信号及生命体征。

本文探讨了家庭心电图监测的当前最新技术，并注意到此类系统往往被孤立设计，作为其自身网络的一部分，而不是更可靠的家庭控制系统的一部分。本文提出，为了实现真正的大众市场消费者渗透，此类家庭医疗监控系统需要成为更广泛的家庭控制系统策略的一部分。这种部署策略通过冗余、改进的设备集成、可靠性和重要消息传递的延迟，为成本降低带来了显著优势。