CC BY
24Системы телекоммуникации, устройства передачи,
приема и обработки сигналов
УДК 621.396.969.18:616-71
А. П. Аникин, А. С. Красичков, Е. Б. Григорьев Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)
А. И. Виноградов
Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого
Е. И. Железняк
Ростовский государственный медицинский университет
Система персонального мониторинга
и дистанционной диагностики состояния здоровья пациента на основе стандарта беспроводной связи ZigBee1
Рассмотрено построение системы персонального мониторинга и дистанционной диагностики состояния здоровья пациента на основе стандарта беспроводной связи ZigBee. Приведен расчет энергетической эффективности системы.
Радиоканал, ISM, навигация, тревожная сигнализация, кардиомониторинг
В медицинской практике достаточно большому числу пациентов показано свободное перемещение по территории медицинского учреждения при возможности оперативного контроля ключевых показателей состояния здоровья. Для этого необходимо разработать систему, базирующуюся на беспроводном канале передачи информации. Целесообразно дополнить функционал разрабатываемой системы возможностью передачи пациентом тревожного сигнала в случае внезапного ухудшения самочувствия (например, с помощью носимой им "тревожной кнопки") и средствами автоматического определения местоположения пациента. Указанные функции обеспечивают оказание оперативной медицинской помощи.
Принципы построения системы персонального мониторинга и дистанционной диагностики состояния здоровья пациента подробно рассмотрены А. П. Аникиным . Система представляет собой сеть, состоящую из датчиков с автономным
питанием, носимых пациентами медицинского учреждения, и стационарного терминала, собирающего и обрабатывающего информацию от датчиков. В простейшем случае сеть имеет топологию типа "звезда" (рис. 1). Общие свойства системы: - датчики контролируют один или несколько ключевых параметров состояния здоровья пациента [1], [2];
Датчик \ / \ 2 у (Датчик\
Стационарный терминал
1 Статья выполнена в рамках федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы. Соглашение от 14 ноября 2012 г. № 14.B37.21.2080.
2
Аникин А. П. Радиочастотные модули компании Telit в системе персонального мониторинга и дистанционной диагностики состояния здоровья пациента с возможностью подачи тревожного сигнала // URL: http://www.wireless-e.ru/articles/technologies/-2011_02_46.php
© Аникин А. П., Красичков А. С., Григорьев Е. Б., Виноградов А. И., Железняк Е. И., 2013 23
- в датчиках предусмотрена функция тревожной сигнализации [3]-[5];
- датчики определяют свое местоположение в пределах клиники и передают координаты на стационарный терминал;
- передача данных от датчиков к стационарному терминалу осуществляется по радиоканалу;
- дальность эффективной радиосвязи между датчиками и стационарным терминалом обеспечивает покрытие территории, на которой могут находиться пациенты медицинского учреждения;
- радиоизлучение датчиков не должно создавать помех медицинской аппаратуре и влиять на состояние здоровья пациентов;
- датчики имеют минимальные размеры;
- энергопотребление датчиков минимизировано для увеличения длительности автономной работы;
- питание стационарного терминала осуществляется от электросети общего пользования;
- предусмотрена возможность работы одновременно с множеством датчиков.
Передача информации от датчиков к стационарному терминалу осуществляется радиочастотными модулями. В настоящее время промышленность выпускает радиочастотные модули, предназначенные для встраивания в целевые устройства и способные вести обмен данными в пределах прямой видимости на расстояниях 1.5___16 км. Использование таких модулей не требует лицензирования и платы при соблюдении требований по занимаемому радиочастотному диапазону, по мощности радиоизлучения и по уровню внеполосных излучений.
При работе в условиях городской застройки, а также внутри зданий дальность действия радиоканала существенно сокращается. Этот недостаток системы преодолевается установкой в необходимых местах ретрансляторов радиосигнала (радиоудлинителей), принимающих информацию от датчиков и ретранслирующих ее к стационарному терминалу или следующему ретранслятору. В ретрансляторах применен радиочастотный модуль, аналогичный используемому в датчиках и в стационарном терминале. В этом случае топология сети (см. рис. 1) преобразуется к виду, представленному на рис. 2.
В условиях постоянного перемещения датчиков относительно терминала и ретрансляторов одной из важных функций последних является постоянный контроль за текущей конфигурацией сети с фиксацией и отображением неоднократного выхода из зоны радиовидимости и входа в нее отдельных датчиков.
Ретранслятор (радиоудлинитель)
Рис. 2
Пациент должен свободно перемещаться по территории медицинского учреждения, поэтому организация проводного канала связи с ним невозможна. Необходима система, в которой передача данных ведется по радиоканалу. Для этой цели возможно использовать систему беспроводной передачи данных стандарта GSM/GPRS, предусматривающего определение местоположения абонента в сети по сигналам базовых станций. Но, как показывает практика, точность локализации в указанном случае составляет 350... 400 м, что неудовлетворительно при определении местоположения пациента на территории медицинского учреждения.
Повысить точность определения местоположения пациента в сети стандарта GSM/GPRS можно при использовании совместно с GSM/GPRS-модемом модуля спутниковой навигации системы GPS или ГЛОНАСС. Такой подход позволяет снизить погрешность определения местоположения до вполне приемлемых 2.5.3 м. К тому же определение местоположения становится возможным не только на территории медицинского учреждения, но и на всей территории покрытия сети стандарта GSM/GPRS, что является несомненным достоинством системы мониторинга. Использование сети стандарта GSM/GPRS требует оплаты услуг оператора сотовой связи (за счет пациента).
В связи с этим в рассматриваемой системе реализован персональный мониторинг и дистанционная диагностика состояния здоровья пациента, основанная на создании собственной беспроводной сети передачи данных, зона действия которой ограничена территорией медицинского учреждения. В этом случае прибегать к платным услугам операторов сотовой связи нет необходимости.
Для определения местоположения пациента предлагается использовать модуль спутниковой навигации системы GPS. Носимый пациентом датчик оснащается GPS-приемником, вычисляющим свои координаты (широту, долготу и высоту над уровнем моря) с погрешностью 5... 10 м, а
также фиксирующим перемещения пациента с частотой поступления сигналов со спутников.
Беспроводную сеть передачи на стационарный терминал данных о состоянии здоровья пациента и координат его расположения предлагается строить на основе технологии ZigBee. Данная технология позволяет построить систему, отвечающую поставленным задачам. Сети ZigBee при относительно небольших скоростях передачи данных обеспечивают гарантированную доставку пакетов и защиту передаваемой информации, в отличие от радиомодулей частотного диапазона 868 МГц, рассмотренных в [6]-[9].
В основе сети ZigBee лежит ячеистая топология (mesh-топология), поддерживающая альтернативные варианты выбора маршрута между узлами. Сообщения передаются от узла к узлу, пока не достигнут конечного получателя. В такой сети каждое устройство может связываться с любым другим устройством как напрямую, так и через промежуточные узлы сети, что повышает ее доступность при выходе из строя того или иного звена.
Сеть ZigBee создана с учетом работы в сложной помеховой обстановке. Для борьбы с помехами предусмотрены следующие механизмы: расширение спектра передаваемого сигнала, процедура предотвращения коллизий, измерение параметров канала передачи, подтверждение приема и повторные отсылки пакетов.
Метод расширения спектра передаваемого сигнала (DSSS) позволяет эффективно бороться с узкополосными помехами. Для расширения спектра исходный двоичный сигнал преобразуется в псевдослучайную последовательность, в результате чего в эфир передается шумоподобный сигнал [10]. Предотвращение коллизий заключается в контроле занятости канала перед началом передачи. Если канал занят, выдерживается пауза случайной величины, после чего попытка повторяется. Такой механизм предотвращает одновременный выход в эфир двух и более передающих устройств. Контроль целостности данных в приемнике производится на основе проверки контрольной суммы переданного пакета (CRC).
Для того чтобы система связи могла развиваться и быть востребованной во всем мире, используемый диапазон частот должен быть доступен по крайней мере в большинстве индустриально развитых стран. Кроме того, это должен быть открытый для любой системы радиосвязи диапазон, работа в котором не требует лицензирования. Единственный диапазон частот, который удовлетворяет этим требованиям, - так называе-
мый индустриальный, научный и медицинский диапазон ISM (industrial, scientific, medical), занимающий полосу частот 2.400...2.4835 ГГц в США и в Европе и 2.471.2.497 ГГц в Японии [11]. В ряде стран, например во Франции и в Испании, доступны только части этой полосы частот. Части 15 и 16 норм Федеральной комиссии связи FCC (Federal communications commission) США учитывают использование трех индустриальных научных медицинских диапазонов с диапазонами частот 902.928, 2400.2483 и 5725.5850 МГц. Следовательно, ISM-система может быть использована во всем мире при условии, что приемопередатчики функционируют в диапазоне частот между 2.4 и 2.5 ГГц и могут выбирать для использования необходимый участок в этой полосе.
Для системы медицинского мониторинга использовано 16 частотных каналов с шагом 5 МГц в диапазоне 2.4 ГГц. В данном диапазоне стандартом ZigBee достигнуты наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость по сравнению с другими диапазонами (868 и 915 МГц). Поэтому большинство производителей микросхем выпускают приемопередатчики именно для этого диапазона.
Скорость передачи данных в эфире составляет 250 кбит/c. Однако реальная скорость информационного обмена на порядок ниже, так как, во-первых, время передачи заметно увеличивается при прохождении пакета через множество узлов сети и, во-вторых, кроме полезной информации в радиопакете присутствуют также и служебные данные. В рассматриваемой системе высокие скорости реально не требуются, так как объемы передаваемой информации невелики. При этом средняя пропускная способность узла для полезной информации в зависимости от загруженности сети и количества ретрансляций лежит в пределах 5...40 кбит/с.
Расстояния между узлами сети составляют десятки метров при работе внутри помещения и сотни метров на открытом пространстве. Поскольку территория действия системы весьма невелика, ограничениями по дальности распространения можно пренебречь, полагая, что вне зависимости от мощности передатчика и чувствительности приемника радиосвязь может быть осуществлена, так как станции расположены в пределах прямой видимости.
Таким образом, датчики системы медицинского мониторинга содержат модуль спутниковой навигации и радиочастотный модуль, объединяющий в своем составе приемопередачик, работающий в режиме радиопередачи, и микропроцессор
V V
ш о
и -
® §
в I
с I
3 §
нЧ Й
4 !Я и
Радиочастотный модуль
Радиопередатчик £
ИАЯТ Микропроцессор
Аналоговый вход Дискретный вход
Интерфейс
£
Аналоговый Тревожная
датчик кнопка
Источник питания
Рис. 3
(рис. 3). Модуль спутниковой навигации принимает сигналы спутниковой навигационной системы, преобразовывает их в набор навигационных параметров и передает в микропроцессор через последовательный интерфейс И АКТ. Навигационные данные передаются по радиоканалу в стационарный терминал. Микропроцессор одновременно с обменом данными через последовательный интерфейс контролирует состояние дискретных и аналоговых входов радиочастотного модуля. При достижении контролируемым аналоговым параметром критической величины или при нажатии на тревожную кнопку информация об этом передается стационарному терминалу для последующей обработки.
Стационарный терминал принимает навигационную информацию, сигналы контролируемых параметров и тревожных кнопок от датчиков, входящих в зону его радиовидимости, фиксирует эти данные и выводит их на устройство обработки и отображения информации (рис. 4). Радиочастотный модуль аналогичен модулю носимого устройства, но приемопередатчик в нем работает в режиме радиоприема. В качестве устройства обработки, управления и отображения информации использован персональный компьютер с установленным специальным программным обеспечением. Навигационные данные в текстовом формате, соответствующем протоколу КМБА, передаются из мик-
V
Радиочастотный модуль
Радиопередатчик
ИАЯТ Микропроцессор
Аналоговые выходы Дискретные выходы
СОМ Интерфейсная плата
Устройство обработки и отображения
информации
ропроцессора радиочастотного модуля в компьютер через последовательный интерфейс ИАКГ. Данные о критическом состоянии контролируемых параметров и нажатии тревожных кнопок передаются компьютеру через интерфейсную плату.
В датчике предусмотрено несколько режимов энергопотребления:
- "спящий" режим;
- пиковый режим - при включении устройства происходит обнаружение спутников;
- режим приема сигнала - уточнение информации 1 раз в 10 мин.
В табл. 1 указано энергопотребление основных модулей, входящих в датчик.
Увеличение длительности автономной работы датчика возможно при снижении потребления энергии. Для этого предусмотрены следующие мероприятия:
1. Снижение излучаемой мощности радиочастотного модуля. Например, при излучаемой мощности 100 мВт потребление тока составит 350 мА, что практически в два раза увеличивает время автономной работы. Снижение излучаемой мощности до 25 мВт увеличивает время автономной работы в восемь раз. Уменьшение радиуса устойчивой работы должно компенсироваться сетью ретрансляторов (радиоудлинителей), устанавливаемых в местах затрудненного прохождения радиосигнала. Для отслеживания изменений конфигурации сети, связанной с изменением набора датчиков, обслуживаемых конкретными ретрансляторами, в радиочастотном модуле последнего предусмотрено использование программного обеспечения сетевого стека.
2. Использование режима пониженного энергопотребления (в котором радиочастотный модуль потребляет ток 4 мкА) и системы прерываний для выхода из этого режима.
Чувствительность приемника модуля спутниковой навигации должна быть не хуже -160 дБм.
Таблица 1
Рис. 4
Режим Потребление, мА
Модуль ZigBee
Пиковый режим излучения 80
Прием сигнала 25... 30
Спящий режим 0.002
Среднее энергопотребление модуля 20
Модуль ОР8
Пиковый режим излучения 30
Прием сигнала 10
Спящий режим 0.005
Среднее энергопотребление модуля 10
Итого в среднем на все устройство 30
Также важными параметрами (особенно для модулей, используемых в датчиках) являются малые габариты, масса и незначительное энергопотребление.
По совокупности параметров в датчике применен модуль EB-5001. Это достаточно миниатюрный 66-канальный GPS-модуль с размерами 13^15x2.2 мм. Указанный модуль изготавливается на чипсете MTK3329, который обеспечивает его работоспособность в сложных условиях за счет встроенных алгоритмов обработки слабых и переотраженных различными объектами сигналов. Чувствительность (минимальный уровень сигнала), достигающая -165 дБм, позволяет вычислять точное местоположение. EB-500 рекомендуется для применения либо с пассивной, либо с активной антенной с усилением до 15 дБ, отличается наличием малошумящего усилителя (МШУ). В результате можно считать EB-500 оптимальным для портативных навигационных устройств. На рис. 5 представлена схема его включения в составе датчика.
На вход VIN_3V3 (13) подается напряжение питания от 3.0 до 4.2 В. Светодиод служит для индикации режима работы: при поиске источника сигнала он горит непрерывно, а после получения координат вспыхивает один раз в секунду. Последовательные порты 0 и 1 равнозначны, можно использовать любой из них. На выходе PPS (3) после фиксации положения появляются положительные импульсы с частотой 1 Гц. На вход
V_RTC_3V3 (12) подается резервное питание для ускорения теплого старта.
Для решения поставленных задач необходим модуль ZigBee, имеющий небольшие размеры и низкое энергопотребление. Модули ZE51-2.4 и ZE61-2.4 - компактные ZigBee-устройства для поверхностного монтажа2. Данные модули поддерживают как режим полнофункционального устройства (FFD), так и устройства с облегченными функциями (RFD) в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4. Они основаны на микросхеме CC2530 производства "Texas Instruments" и содержат 256 кбайт выделенной памяти для профилей ZigBee либо приложений пользователя. Модуль ZE51-2.4 поддерживает режим пониженного энергопотребления и работает в индустриальном температурном диапазоне от -40 до 85 °C. Модуль ZE61-2.4 - расширенная полностью совместимая "вниз" версия ZE51-2.4, выполненная в том же форм-факторе. Отличие в выходной мощности - она составляет 100 мВт для ZE61-2.4 и 2.5 мВт для ZE51-2.4.
Таким образом, отслеживание местоположения происходит через модуль спутниковой связи. С помощью модуля ZigBee сигнал передается на пульт дежурного при нажатии пациентом тревожной кнопки.
Эскиз печатной платы датчика приведен на рис. 6. Датчик имеет небольшие размеры и массу,
®X1
DA1 2 25-501A
I/P GND
O/P
4 3
GPS status 0-
vdi:
R1
DA2 ni 13
21
50 Ом
C1 C2 V28D0—J—
JO.
8
1PPS0-
TXDO0-
RXDO0-
3.3 В
C3
J8L
NC £ NC GPS RF IN
V28D
GPS status PPS TX0 RX0
V28A V_RTC3V3 GPIO3 GPIO8 GPIO2 GPIO12 GPIO7 GND RX1tx1
EB-500
6 17 20 22 1 2
C4 C5
JZ JZ
19 T "F 0 V28A 12
7
15
16
14
Рис. 5
-0 V RTC3V3
-0 GPIO3
-0 GPIO8
-0 GPIO2
-0 GPIO12
-0 GPIO7
-0 TXD1
-0 RXD1
1
5
3
4
9
5
EB-500 series data sheet. Ver 1.5. // URL: http://www.kosmodrom.com.ua/pdf/EB-500.pdf
■ ZE51/61-2.4 RF module user guide 1VV0300868 Rev.1 -28/07/2010 // URL: http://www.atoma.spb.ru/documentation/234-/rukovodstvo-polzovatelja-ze5161-24
40
.15.
ЕВ-500
7Е 51-2.4
Аккумулятор
20
Рис. 6
что позволяет пациентам носить его с собой. Предусмотрена возможность извлечения аккумулятора для зарядки, однако необходимость этого возникает нечасто, так как датчик имеет небольшое энергопотребление. Предусмотрена "тревожная кнопка" достаточно большого размера, что позволяет легко найти ее при необходимости.
От датчиков сигналы поступают на стационарный терминал, находящийся в здании больничного комплекса. Для приема сигнала на территории медицинского учреждения располагаются приемные антенны, подключенные с помощью кабеля к стационарному терминалу. Антенны располагаются так, чтобы датчик, находясь в любой точке медицинского учреждения, мог передавать данные через одну из антенн.
Проведем поверочный энергетический расчет системы мониторинга на примере одной из антенн. Потери в антенно-фидерном тракте (АФТ) стационарного терминала складываются из затуханий в кабеле и разъемах. При измерении потерь в логарифмической мере (в частности, в децибелах) они определяются по формуле
К
АФТ = К Ь + N,
(1)
где - погонное затухание сигнала в кабеле на рабочей частоте; Ь - длина кабеля; Кр - потери
в разъеме; N - количество разъемов.
Данные для расчета затухания в АФТ представлены в табл. 2. Исходя из них в соответствии с (1) получим: КАФТ = 0.26 • 10 + 0.5 • 4 = 4.6 дБ.
Эффективная изотропная излучаемая датчиком мощность определяется по формуле:
Е1КР = Рпрд - Кафт прд + брд, (2)
где Рпрд - выходная мощность передатчика радиочастотного модуля; Кафт прд - потери сигнала в АФТ передатчика, дБ; брд - усиление
антенны передатчика.
С учетом приведенных в табл. 3 параметров, характеризующих датчик, получим:
Е1КР = 18 - 4.6 + 24 = 37.4 дБм.
Потери в радиоканале рассчитывают по формуле
= 100.2 + 201§ г, (4)
где г - расстояние между антеннами приемника и передатчика, км. Ограничившись расстоянием г = 1 км, по формуле (4) получим
= 100.2 + 201я г = 100.2 дБм.
Была поставлена задача разработать систему, которая позволяла бы отслеживать местоположение пациента, проводить мониторинг показателей его здоровья, а также получать от пациента тревожный сигнал в случае, если он ощущает внезапное ухудшение самочувствия и нуждается в экстренной помощи. В ходе выполнения данной работы была создана система, отвечающая всем поставленным требованиям. Система является беспроводной. Она представляет собой сеть, состоящую из датчиков с автономным питанием, носимых пациентами медицинского учреждения, и стационарного терминала, собирающего и обрабатывающего информацию от датчиков. Датчик контролирует несколько ключевых параметров состояния здоровья пациента и имеет функцию тревожной сигнализации. Также он имеет функцию определения своего местоположения в пределах медицинского учреждения с возможностью
Таблица 2
Параметр Обозначена Значение
Погонное затухание сигнала в кабеле, дБ/м К " к 0.26
Длина кабеля, м Ь 10
Потери в одном разъеме, дБ К р 0.5
Количество разъемов N 4
Таблица 3
Параметр Обозначение Значение
Выходная мощность радиомодуля, дБм Р прд 18
Потери сигнала в АФТ передатчика, дБ КАФТ прд 4.6
Коэффициент усиления антенны, дБи б прд 24
передачи координат на стационарный терминал. Это осуществлено с помощью внедрения в устройство двух основных модулей: ZigBee и GPS. Энергопотребление устройства минимизировано для увеличения длительности автономной работы. Устройство имеет небольшую массу и малые
размеры, что позволяет пациентам беспрепятственно носить его с собой, например в футляре на руке. Дальность эффективной радиосвязи между датчиками и стационарным терминалом достаточна для покрытия всей территории, на которой могут находиться пациенты лечебного учреждения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Математические методы выявления регулярных и статистических закономерностей в биомедицинских и экологических данных большого объема / М. И. Бога- , чев, А. Р. Каюмов, А. С. Красичков, О. А. Маркелов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2013. 151 с.
2. Красичков А. С., Соколова А. А. Оценка точности воспроизведения кардиосигнала в процессе син- , хронного накопления // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2010. Вып. 6. C. 48-53.
3. Красичков А. С. Алгоритм индивидуального мониторинга кардиосигнала пациента с ишемиче-ской болезнью сердца // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 1. С. 50-62.
4. Красичков А. С. Метод построения индивидуальных алгоритмов для мониторинговых устройств с выработкой сигнала тревоги пациенту с ишемиче-ской болезнью сердца // Биомедицинская радиоэлектроника 2011. № 5. C. 12-17.
5. Красичков А. С., Аникин А. П. Система персонального мониторинга и дистанционной диагностики состояния здоровья пациента с возможностью подачи тревожного сигнала // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 3. С. 30-41.
A. P. Anikin, A. S. Krasichkov, E. B. Grigoriev Saint-Petersburg state electrotechnical university "LETI"
A. I. Vinogradov Yaroslav-the-Wise Novgorod state university
E. I. Zhelezniak Rostov medical state university
6. Аникин А. П. Радиочастотные модули компании Telit в системе персонального мониторинга и дистанционной диагностики состояния здоровья пациента с возможностью подачи тревожного сигнала // Беспроводные технологии. 2011. № 2(23). С. 46-50.
7. Аникин А. П. Радиомодули компании Telit для задач беспроводной телеметрии в частотном диапазоне 868 МГц // Беспроводные технологии. 2009. № 2(15). С. 27-31.
8. Аникин А. П. Особенности построения радиосети Mesh Lite в частотном диапазоне 868 МГц // Беспроводные технологии. 2008. № 3(10). С. 20-25.
9. Аникин А. П. Радиомодемы компании One RF Technology для диапазонов 434/868 МГц: основные режимы работы // Беспроводные технологии. 2007. № 1(10). С. 19-24.
10. Ипатов В. П. Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов. Принципы и приложения. М.: Техносфера, 2007. 488 с.
11. Golmie N., Mouveaux F. Interference in the 2.4 GHz ISM band: Impact on the Bluetooth access control performance // Proc. of IEEE ICC, Helsinki, Finland, June 2001. P. 2540-2545.
Design of the personal monitoring system for remote diagnostics of the patient's health based on the ZigBee wireless communication standard
The paper considers the design of the personal monitoring system for remote diagnostics of the patient's health based on the ZigBee wireless communication standard. The efficiency of the system is being tested.
Radio channel, ISM, navigation, alarm signaling, cardio monitoring
Статья поступила в редакцию 1 декабря 2012 г.
