CN101427920A - 母婴无线监测服系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种母婴无线监测服系统，是一种可穿戴的无线身体传感器网络，包括一个可穿戴的身体传感器网络服、收集与处理数据的移动网关、计算机和用户可视的人机界面，所述身体传感器网络服上设置有4个实时测量母亲和胎儿的健康状况、实时记录数据的无线人体传感器节点，所述无线人体传感器节点包括天线、无线电收发器、微处理器、内置传感器和电池组。本发明的优点有：具有低成本、低耗能的软硬件的设计，可以广泛推广和长期使用；能够对人体传感器节点传回的数据进行处理和分析，并提取出重要信息，对孕期并发症进行及早判断；采用抗干扰设计，减少了传感器节点间、传感器与环境间的无线电干扰，保证了重要医学数据的安全性。

Description

母婴无线监测服系统

技术领域

本发明涉及一种母婴无线监测服系统，是一种可穿戴的无线身体传感器网络(BSN)。

背景技术

移动传感网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。

移动传感器网络在军事和民事方面都能够得到大量的应用，比如说战场监督、搜索和防御、危险环境下的工作、环境监控、目标跟踪和遥感。以及工业生产中的温度、压力、流量等各种参数监控，造纸厂草垛监控，粮库监控和畜牧产业的监控等。用于医学的身体传感器网络是其中较新的一项应用成果。

在无线身体传感器网络体系结构的三大部分中，目前的发展主要集中在几个方面，在协议通信层主要研究重点是数据链路层MAC协议及网络层路由协议的研究；在网络管理技术层，主要研究方向是收集数据的管理、节能问题的解决以及网络通信安全的实现；在网络支撑技术层，主要研究点是节点定位问题的解决、时间同步技术的实现以及用户应用接口的实现.这其中，协议的研究与节能的实现又是相辅相成的。

身体传感器网络研究的核心问题之一是功耗管理。通过对现有系统的分析可知，射频模块是节点中最大的耗能部件，是优化的主要目标。MAC协议直接控制射频模块.对节点功耗有重要影响。

能量是节点工作的基础，节能问题，几乎贯穿无线身体传感器网络发展的各个方面。协议的建立需要考虑节能问题，以上面的MAC协议的研究和路由协议的实现都可以看出；网络中的数据处理需要考虑节能问题，没有能量，数据无法处理；节点定位、时间同步都需要考虑节能问题，节能问题的解决，跟随在每个环节的实现上。当然，纯粹的节能方式也有很多，比如让节点定期“休眠”等。但是，大部分的节能还是包含在了具体实现细节当中，如有人采用了一种带有能量控制的有效路由方式，通过调整每个节点发送数据时的数据传输范围进而调整消耗的能量，以节省资源，从而延长网络寿命。

此外，数据融合技术也是身体传感器网络采用的重要技术之一。数据融合就是不同源的数据融合成一种数据的过程。融合后的数据包含了原来多源数据的特征。

随着多传感器数据融合技术的发展，应用的领域也在不断扩大，多传感器融合技术已成功地应用于众多的研究领域。多传感器数据融合作为一种可消除系统的不确定因素、提供准确的观测结果和综合信息的智能化数据处理技术，已在军事、工业监控、智能检测、机器人、图像分析、目标检测与跟踪、自动目标识别等领域获得普遍关注和广泛应用。

多传感器数据融合的基本原理也就像人脑综合处理信息一样。充分利用多个传感器资源，通过对多传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多传感在空间或时间上可冗余或互补信息，依据某种准则来进行组台，以获得被测对象的一致性解释或描述。

多传感器数据融合系统与所有单传感器处理或低层次的多传感器数据处理方式相比，后者是对人脑信息处理的一种低水平模仿，它们不能像多传感器数据融合系统那样有效地利用多传感器资源。多传感器系统可以更大程度地获得被探测口标刷环境的信息员，多传感器数据融合与经典信号处理方法之间也作在本质的区别，其关键在于数据融合所处理的多传感器信息具有更复杂的形式，而且可以在不同的信息层次上出现，这些信息抽象层次包括数据层(即像素层)、特征层和决策层(即证据层)。

发明内容

本发明的目的是为了连续监测母婴的身体健康状况，开发一种母婴无线监测服系统。根据生命体征等参数，实时对母婴的身体状况进行检测，并进行预诊断，在医学上是很有价值的，也是必要的。实时的监测生命体征，能够提高胎儿和母亲的生活质量，避免意外的发生。

本发明是一种无线身体传感器网络，遥控和连续监控人体健康状况，可用于诊所、救护车或家庭胎儿生产监控。身体传感器网络可以提供母亲心律实时测量、心脏收缩和胎儿心律。所有测量数据将汇总于本地通讯节点如手机上再远距离传到医疗设备上进行分析评价。该系统可移动性强，所以对现有大型孕期检查设备来说，是一种替代及补充，能够在不影响母亲日常生活的情况下，进行必要的孕期检查。对于偏远地区的孕妇来说更是如此，可以免除奔波劳苦；对于在家生产的孕妇来说，能够监测整个过程，并向医院提供实时的数据，给母婴必要保护，提高健康出生率。

按照本发明提供的技术方案，一种母婴无线监测服系统，包括一个可穿戴的身体传感器网络服、收集与处理数据的移动网关、计算机和用户可视的人机界面。

所述身体传感器网络服上设置有4个实时测量母亲和胎儿的健康状况、实时记录数据的无线人体传感器节点，所述无线人体传感器节点包括天线、无线电收发器、微处理器、内置传感器和电池组；所述内置传感器分别是子宫收缩传感器、孕妇心率传感器、胎儿心率传感器和脉搏血氧饱和度传感器。

所述移动网关是一个无线的基站或中继器，用于采集所述身体传感器网络服监测到的数据，进行预处理后发送到计算机。

所述计算机包括通过网络互联的位于患者家中的计算机和位于医院、诊所的计算机，所述计算机之间的患者信息保持同步；所述计算机对无线人体传感器节点传送过来的数据进行处理和分析，提取重要信息，对孕期可能存在的疾病隐患或并发症进行判断，并提出处理办法。

所述用户可视的人机界面是分别与对应计算机连接的显示器，用于显示各种监测数据和由此得出的母婴健康状况评估，以及相应医学建议；当用户健康状况出现严重问题时，位于医院或诊所的计算机向位于患者家中的计算机发送相关医师根据实时数据给出的专家建议，显示在所述用户可视的人机界面上。

所述微处理器是一个加强型的8051MCU微处理器。

所述移动网关包括数据传输模块和数据预处理模块，所述数据预处理模块对身体传感器网络服发送过来的信号进行预处理，所述数据传输模块接收身体传感器网络服发送的信号，并将数据预处理模块输出的数据传送给计算机。

所述无线人体传感器节点由电池组供电，并能与各种模拟和数字传感器进行通信。

所述无线人体传感器节点构成身体传感器网络，所述身体传感器网络采用星形拓扑结构。

本发明的优点有：

1 具有低成本、低耗能的软硬件的设计，可以广泛推广和长期使用。

2 能够对人体传感器节点传回的数据进行处理和分析，并提取出重要信息，对孕期并发症进行及早判断。

3 采用抗干扰设计，减少了传感器节点间、传感器与环境间的无线电干扰，提高了系统的可靠性，保证了重要医学数据的安全性。

附图说明

图1是点对点母婴健康监听示意图。

图2是QRS描述方块图。

图3是无线人体传感器节点结构。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括一个可穿戴的身体传感器网络服、收集与处理数据的移动网关、计算机和用户可视的人机界面。所述身体传感器网络服上设置有4个实时测量母亲和胎儿的健康状况、实时记录数据的无线人体传感器节点。

如图3所示，所述无线人体传感器节点包括天线、无线电收发器、微处理器、内置传感器和电池组。

所述内置传感器包括四种，分别是：

1、子宫收缩传感器，用以向处理芯片提供宫缩次数、宫缩间隔时间、宫缩相对幅度等参数；

2、孕妇心率传感器，用以向处理芯片提供母亲的心跳频率(MHR)。

3、胎儿心率传感器，用以向处理芯片提供胎儿的心跳频率(FHR)。

4、脉搏血氧饱和度(spo2)传感器，用以向处理芯片提供spo2参数。

身体传感器网络服通过移动网关，和患者家中及医院、诊所的计算机进行通信。

所有测量参数经过信号标准化后，由计算机进行数据融合处理，得到母婴健康状况评估报告和相关的专家建议。报告和建议通过人机界面显示给监测服穿戴者，并通过移动网关传给附近医院、诊所的计算机终端。当用户健康状况出现严重问题时，位于医院或诊所的计算机向位于患者家中的计算机发送相关医师根据实时数据给出的专家建议，显示在所述用户可视的人机界面上，使用户能够更为及时的得到专业处理。

本发明包括开发一种可穿戴并且节能、可靠的身体传感器网络，如协议的开发，医患之间用户接口的设计，以及数据的可靠性、完整性和安全性；设计具有互联能力并且可穿戴的人体传感器节点，包括低成本、低耗能的软硬件的设计；开发数据分析算法，该算法能够对人体传感器节点传回的数据进行处理和分析，并提取出重要信息，对孕期并发症进行及早判断；研究无线传感器网络间的干扰，要尽量减少传感器节点间、传感器与环境间的无线电干扰；进行身体传感器网络的临床试验，临床验证阶段，评价身体传感器网络的性能，并记录它的医学价值。

本发明的主体部分是一个可穿戴的身体传感器网络，由各种医学传感器构成，用于实时测量母亲的心律，心脏收缩和胎儿心律等重要健康参数。

系统具有互联能力并且可穿戴的人体传感器节点，将得到的数据传输给计算机，并可以通过计算机传输给医疗设备。

具体实施方式如下：

1、身体传感器网络协议

本发明把IEEE 802.15.4与UWB(宽带网络通讯)相结合，为生物医学传感器开发一种超低能耗的MAC(物理层)协议。这种协议既有IEEE 802.15.4低能耗、高兼容性、低数据率网络设计的特点，又有处理特殊应用需求的灵活性。适用于身体传感器网络具有超低能耗、低复杂性、传输占空比不可预知、数据在异构节点之间传输等特性，能够满足身体传感器网络的特殊要求。其关键技术是自适应的调整其参数，以便降低网络的能耗。

2、B-MAC结构和参数优化

B-MAC(身体传感器网络的物理层协议)是基于开放标准IEEE 802.15.4的。对于本发明来说，星型拓扑结构更为合适。在星型拓扑结构中信标和非信标模式下，IEEE 802.15.4下的MAC协议都是适用的。

BSN能量的节省，极大的取决于占空比和数据率。为了降低能耗，将进行IEEE 802.15.4的评估，这一点将为自适应B-MAC协议的设计提供保证。在提出的自适应B-MAC协议中，其核心思想是从生物传感器节点方面来考虑特殊的需求，并相应的变换超帧结构。本发明为自适应性定量化两个指标：能量效率和传输延迟。其中，可控的参数包括信标间距(BI)、有效帧持续时间(SD)、CAP/CFP(逻辑电路)模式的选取、GTSS的数量、CSMA/CA(带有冲突避免的载波侦听多路访问)的三个可调信道访问变量、电源寿命扩展(BLE)模式。这项研究的结果是开发一个MAC协议优化设计工具。利用这个工具，能够为BSN产生一组最优参数，使得MAC协议能量效率更高，传输延迟更小。这组最优参数是根据应用的特殊需求来确定的。具有不同传感器的BSN，其信息传输方式也不同，因此最优参数也是不同的，以便达到能量的节省。

3、信息感知的自适应B-MAC

BSN一般只拥有少量的传感器节点和非对称的传输需求。对于周期性的数据记录，发生冲突的可能性是很小的，因此冲突不是本网络主要的能量消耗。但是，当一个早期的生理预警信号出现时，BSN中的大多数传感器节点都需要和网关通信，冲突就变成主要的因素了。对于发生率、低占空比来说，空闲时监听所消耗的能量也成为能耗的主要方面了。另外的一种能量消耗是由不合适的占空比产生的。如果在低速率数据传输时，还采用高速率传输时的占空比，那将导致能量的浪费。在B-MAC中，采用一种交叉层设计，它能够通过对网络获得信息的认知，来指导介质访问。

对于B-MAC协议来说，在系统层面的能量管理上，网关起到了重要的作用。网关通过超帧结构控制着网络的通信。不同的超帧结构用来使网络设备同步。从网络设备方面来说，传感器节点进入休眠状态监听以便降低能耗。当有事件发生或是有数据传输要求的时候，网络设备才重新被唤醒。在网络设备休眠时，网关是不能与他们通信的。于是，随机唤醒和同步机制被预设在网关中，以便能够查询网络设备。从网关方面来说，超帧的持续时间被设定的较短，这样能够降低传输延迟时间。一旦有数据传输请求，网关则调整它超帧的有效部分，例如：时间长短。网关用不同的方式处理来自穿戴式传感器和嵌入式传感器的传输请求。穿戴式传感器的传输请求不会触发超帧结构发生大的变化。而嵌入式传感器的超帧结构将发生大的变化以便降低移动网关和传感器之间传输的耗能。本发明提供了一种通过改变参数来降低能耗的自适应协议。

采用生理信号的MAC，基于介质用的MAC协议，例如：CSMA/CA，会导致冲突，继而引起额外的能耗和网络传输延迟。对于此问题，TDMA(TimeDivision Multiple Access时分多址)是一种较好地解决方案。因为它具有无冲突特性和确定性传输特性。然而，普通的TDMA因为时间同步问题需要消耗一部分额外的能量，因此，在本申请中，为BSN网络研究一种新的基于MAC协议的TDMA。利用心律信息达到时间同步，以便实现节能。每个人都有心律，并且反映了不同的生理信号。生物传感器能够从传感数据的波峰序列中提取出心律信息。由于所有的节律都是由心脏搏动提供的，所以它们能够作为时间同步信号。因此，网关与节点间周期性的以无线电方式进行时间同步所消耗的能量就可以消除，进而延长网络的生存周期。

这个领域里要研究的第一个问题是开发一种波峰识别算法表示生物节律信息，第二个问题是时隙规划和时间同步恢复方法。本发明采用波峰作为时间同步标志，用波峰间隔作为时隙。

另外，多传感器的自治时隙规划也是一个重要的问题。本发明选取一个外部设备作为BSN的网关，它可以用来传输网络控制信息，例如：时隙规划信息、时间同步恢复标志。网关也能够通过它自己的生物传感器得到心律信息。

所述人体传感器节点为一种用TI/Chipcon cc2430/cc2431无线电收发器和一个加强型的8051MCU(微处理器)开发的无线传感器。并且，基于此开发一个节能的无线传感器平台，该平台是开放的，能够用来为中间件和嵌入式系统服务。

所述无线传感器平台是电池驱动的，并能与各种模拟和数字传感器互联，其中的微控制器具有一个内建的A/D转换器，通过它可以与任何的传感器互联。该平台能够采集、预处理信号，并能够向移动网关传输信号。另外，还要对它的能耗进行评估。

所述移动网关，在整个体系结构中，移动网关是一个随身的基站或是中继器。它采集传感器监测到的数据，并把信息传到远程计算机上。由于大多数的无线运营商都支持智能电话，因此，采用智能电话以方便佩戴者无论何时何地都能被连接。网关的软件支持包括：为数据的存储开发一个小型的数据库和为医患双方开发一个用户界面，方便对数据的访问。

信息处理，开发一种处理和分析传感数据的算法，能够为医学上异常现象的诊断提供依据。由于最重要的信息是胎儿心律(FHR)和母亲心律(MHR)，所以采用三个阶段的时频分析法从传感数据中提取出这两个信息。第一阶段是用时频分析法检测母亲的R-peaks(心律峰值)和基准点(QRS的起始点和偏移量)，以便获得母亲的QRS复合波，随后计算R-R(心电图两个垂直向上的波)的信号时间间隔就能够得到MHR。第二阶段是运用复小波和模式匹配理论确定候选的胎儿R-peaks的位置。在第三阶段中，运用直方图技术，确定叠加在母亲QRS复合波上的胎儿的R-peaks。结合第二、三阶段的结果，就能够得到胎儿的R-R信号时间间隔，进而得到FHR。MHR和FHR有助于诊断母亲的心律不齐和胎儿的心脏健康状况。

如图2所示，身体传感器网络数据通过活动分类器综合活动强度送给传感器选择器，或通过主选择器送给传感器选择器，传感器选择器选择QRS(心电图)传感器，最后，把QRS传感器的输出数据、身体传感器网络的身体及环境温度数据和活动分类器的活动类型和强度数据综合，进行环境感知解释。

Claims (5)

1、一种母婴无线监测服系统，包括一个可穿戴的身体传感器网络服、收集与处理数据的移动网关、计算机和用户可视的人机界面，其特征是：

所述身体传感器网络服上设置有4个实时测量母亲和胎儿的健康状况、实时记录数据的无线人体传感器节点，所述无线人体传感器节点包括天线、无线电收发器、微处理器、内置传感器和电池组；所述内置传感器分别是子宫收缩传感器、孕妇心率传感器、胎儿心率传感器和脉搏血氧饱和度传感器；

所述移动网关是一个无线的基站或中继器，用于采集所述身体传感器网络服监测到的数据，进行预处理后发送到计算机；

所述计算机包括通过网络互联的位于患者家中的计算机和位于医院、诊所的计算机，所述计算机之间的患者信息保持同步；所述计算机对无线人体传感器节点传送过来的数据进行处理和分析，提取重要信息，对孕期可能存在的疾病隐患或并发症进行判断，并提出处理办法；

所述用户可视的人机界面是分别与对应计算机连接的显示器，用于显示各种监测数据和由此得出的母婴健康状况评估，以及相应医学建议；当用户健康状况出现严重问题时，位于医院或诊所的计算机向位于患者家中的计算机发送相关医师根据实时数据给出的专家建议，显示在所述用户可视的人机界面上。

2、如权利要求1所述的母婴无线监测服系统，其特征是：所述微处理器是一个加强型的8051MCU微处理器。

3、如权利要求1所述的母婴无线监测服系统，其特征是：所述移动网关包括数据传输模块和数据预处理模块，所述数据预处理模块对身体传感器网络服发送过来的信号进行预处理，所述数据传输模块接收身体传感器网络服发送的信号，并将数据预处理模块输出的数据传送给计算机。

4、如权利要求1所述的母婴无线监测服系统，其特征是：所述无线人体传感器节点由电池组供电，并能与各种模拟和数字传感器进行通信。

5、如权利要求1所述的母婴无线监测服系统，其特征是：所述无线人体传感器节点构成身体传感器网络，所述身体传感器网络采用星形拓扑结构。

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