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e-health电信系统和网络，2015年 第四刊 45至55页

2015年9月在Scires在线发布。

ZigBee系统在医疗保健中提供位置信息和传感器数据传输的方案

Takefumi Hiraguri1、Minoru Aoyagi1、Yoshiaki Morino1、Toshinari Akimoto1、Kentaro Nishimori2、Tomomi Hiraguri3

1

日本Saitama市宫下武町日本理工学院工程学院

2

日本新泻县新泻大学工程学院

3

日本静冈市青冈区东海大学健康科学系

摘要

本文提出了一种利用ZigBee系统获取位置和生命健康信息的方案。ZigBee系统是由IEEE802.154定义的无线通信系统。在该方案中，利用ZigBee系统的链路质量指示（LQI）功能获取位置信息，该功能表示接收到的信号强度。而且，重要的健康信息是从连接到患者身体的心电图监视器、脉搏和血压装置中收集的。然后这些信息通过ZigBee系统传输到外部网络。这样，当佩戴ZigBee终端的患者移动时，重要的健康信息可以作为ZigBee传感器数据传输。在使用实际ZigBee设备的实验中，该方案可以从传感器数据中获得准确的位置和重要的健康信息。此外，为了实际使用中获得较高的可靠性，通过理论计算确定了ZigBee终端通过ZigBee路由器时采集到的传感器数据量。这些结果表明，所提出的方案可以用来检测ZigBee终端的准确位置。当ZigBee终端通过大约四个ZigBee路由器时，获得了99%以上的生命健康信息传感器数据。

关键词

Zigbee，医疗保健，位置信息，传感器数据

1. 介绍

近年来，利用各种无线系统研究了提供位置信息的方案。这些系统打算收集信息，例如时间、位置和具体行动。此外，由于用户携带这些终端，无线终端需要小型、轻量和节能设备。这些系统通常使用移动电话的接入点信息和全球定位系统（GPS）系统为儿童、监狱等提供监测服务，这些服务得到了大力发展，并在市场上销售。

在医疗卫生领域，许多不同的技术结合在一起，以改进医疗保健监测和治疗。其中包括在网络上共享电子医疗图表和管理技术、无线体域网络（WBAN）和远程医疗技术（帮助通过互联网诊断）等。

本文提出了系统配置的概念，提出了在医院或医疗保健机构病人和居民的位置/行动和健康状况管理方案，以提供综合医疗服务。根据IEEE802.154标准[4]，方案的系统由ZigBee的终端和多个接入点/路由器组成。用户在移动时携带ZigBee终端，位置信息从ZigBee终端连接接入点时获得的接收信号强度指示器（RSSI）获取。此外，用户身体功能信息（温度、脉搏、血压等）通过ZigBee的接入点同时传输到网络，作为传感器数据，测量数百千字节。因此，该系统可以方便地管理患者和居民的行动历史和健康状况。然而，在实际使用中，必须通过考虑传播环境的变化来制定获得可靠位置和重要健康信息[5]。

在本研究中，ZigBee终端的通讯区域是最佳控制的，因此位置信息是可靠的。ZigBee终端受控制，以便始终与一个接入点连接。因此，调整发射功率，使信号不应到达两个或更多的接入点。实验验证了该方案的有效性。此外，还通过每条路径分析了通信区域内传输的数据量。

本文的其余部分组织如下。在第2节中，我们描述了传统方案中的问题。第3节提出了获取位置和重要健康信息的系统。在第4节中，我们对提议的方案进行了评估。

2. 传统系统

提出了各种获取位置信息的无线技术。例如，射频识别（RF-ID）[6]-[9]和使用无线局域网（Wi-Fi）的传感器系统[8][9]是众所周知的传统无线技术。射频-ID由于硬件尺寸小，实现了功率的节省，对短距离通信是有效的。射频识别的局限性在于一次只能传输少量的数据。因此，它不适合本研究的目的，因为本研究的目的是传输有关健康状况等的数据。最新的Wi-Fi系统包括一个省电模块，传输链路速率也很高。但是，安装位置有限，因为接入点需要电缆供电。至于其他，虽然GPS[10][11]是一个流行的室外定位信息系统，但它不能在室内场景中工作。此外，GPS不允许交换健康状况数据。

另一方面，ZigBee系统比上述技术更适合本研究的目的。ZigBee是在IEEE802.154标准中定义的，可以很容易地用于商业目的。虽然传输链路速率很低，但它能够传输恒定数量的数据。此外，ZigBee模块与低成本模块之间具有良好的互联性，电池的使用寿命长。该方案有效地利用了ZigBee的这些特点。第3节描述了ZigBee系统的详细信息。

为了从患者和居民那里收集与健康相关的信息，WBAN系统使用了一个设备，包括一个无线电发射机连接到身体上，受到越来越多的关注，该系统在IEEE 802.15.6[12]和[3]中得到了标准化。用于收集医疗护理人员的健康信息。因此，WBAN是一种特殊用途的传感器网络，旨在自主运行，连接人体内外的各种医疗传感器和设备。

然而，由于WBAN系统是在非常短的距离范围内工作的，因此需要另一个能够在10-20米的距离范围内传输并具有移动功能的系统将收集到的健康信息传输到外部网络。因此，WBAN可用于从人体收集健康信息，ZigBee可用于将此信息传输到外部网络并获取用户的位置信息，如图1所示。因此，使用ZigBee和WBAN提供了一种有效的服务。

本文提出了一种利用ZigBee系统实现外网数据传输的系统，以及一种获取位置和健康信息的方案。

3. 建议的系统和方案

我们的方案ZigBee系统在之前的工作中获得准确的位置和重要的健康信息[17]。该系统配置如图2所示。终端设备（ZED）作为终端连接到多点ZigBee路由器（ZRS）作为接入点。当ZED连接到ZR时，从ZR获取终端ID和链路质量指示（LQI）信息。信息发送给ZigBee协调员（ZC）。ZC具有集中控制ZR的功能。

图1。 使用WBAN和ZigBee的健康状况监测服务。

图2。使用ZigBee进行网络配置。

LQI设置为规格化值1到255[6]。ZC基于位置信息来管理位置信息和迁移路径，这些信息保存在主干网中的个人计算机上。如果ZED接近ZR，则设置“1”。如果ZED远离ZR，则设置“0”。在建议的方案中，根据LQI的级别设置“1”或“0”。这些值在特定于每个ZR的时间内进行管理。因此，如果在预先确定的位置预先配置ZR，则该方案将测量用户的运动历史。然而，由于传播环境受信号、阴影等因素的影响，特别是在室内环境中，很难确定LQI的阈值水平。这些因素可能导致对ZR的错误测定，而ZR是最接近ZED的。通过控制ZED的通信区域来解决这个问题，使ZED可以连接到最近的ZR。在图3中，ZED的通信区域半径为r[m]。ZED与最近的ZR通信。此通信区域R控制在Zr2范围之外。因此，为了缩小通信区域，需要调整ZED中的传输功率。

当通信区域非常小时，ZED可能无法连接到希望与之通信的ZR。此外，ZED还传输重要健康信息的传感器数据。因此，如果该地区非常小，就不可能传播健康信息。人体行走速度为v[m/s]，传输链路速率为rl[bit/s]。当ZR通过ZED通信区的中心时，来自ZED的重要健康信息的传感器数据量表示为

其中传感器数据的量为c[kbyte]。例如，c是数据量，如果人类的行走速度为v=1.0 m/s，通信区域的半径为r=5 m，ZigBee链路的传输速率为rl=250 kbit/s，这大约是300 kbyte。该传输链路速率在IEEE 802.154标准中定义。在参考文献[13]-[15]中，步行速度约为0.5至2.3 m/s。参考文献[13]-[15]中，步行速度为v=1.0 m/s。

传输功率的通信区域半径计算如下：

图3。ZED和ZR的移动。

图4。Zed的移动通信区。

Pt为发射功率[dBm]，Pr为接收功率[dBm]，Gt/Gr[dBi]为发射端或接收端天线增益，Lp[db]为传播路径损耗。PT由Pr和r之间确定，因为在该系统中接收灵敏度为-97 dBm。GT和GR为2dBi。Lp根据通信区域的半径计算，并且lambda;=1/频率：2.4 GHz。路径损失系数n为3，因为该方案假定在室内[16]。我们从方程（1）到（3）得到了传输功率（pt）和传感器数据量（c）与通信区域半径r的关系图，如图5所示。单位“dBm”转换为“mW”，以便更好地理解。我们假设一个通信区域的重要健康信息传感器数据量为300 kbyte。在图5中，这种情况对应的通信区域半径为5 m。传输功率为0.01 mW，Pt由该值控制。我们之前的工作[17]得出的实验结果在第4.1小节中进行了描述。

4. 方案评价

在本节中，我们从实验和理论上评估了所提出的方案。第4.1小节介绍了我们之前的工作对位置信息和行动历史的实验评估[17]。第4.2小节提供了ZigBee通信区传感器数据量的理论计算。

4.1. 位置信息和行动历史的实验评估

实验证明了该方案的性能。实验装置由三个ZR和一个移动的ZED终端组成。ZED的路线如图6所示。ZigBee模块（IMI-Z-M-001）[7]的规格如表1所示。在本模块中，RSSI的接收灵敏度为minus;97 dBm。实验中使用的Z和ZR如图7所示。ZigBee装置装盒，水平和垂直尺寸分别约为50times;70 mm。

0 0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

传输面积（半径：r）[m]

图5。传输功率和数据量与半径R的关系。

表1。 IMI-Z-M-001模块规范。

接收灵敏度 minus;97 dBm

1 mw（默认）

传输功率

0.01兆瓦（带区域控制）

链接速率 250 kbit/s

频率 2.4 GHz

图6。 我们实验中的Zed路线。

图7。 ZED和ZR设备的图像（IMI-Z-M-001）。

ZED终端支架在房间A和房间B内沿楼梯移动，如图6所示。ZR 1和ZR 2分别位于A和B房间内。ZR 3位于楼梯前面。Zed终端支架离开A房间后进入B房间。接下来，ZED终端支架向楼梯移动。Lqi的测量值如图8所示。图中实线代表测量结果，面积控制与时间有关。虚线表示在没有区域控制的情况下使用发射功率（1 mW）的默认值获得的结果。采用区域控制，除目标点外，该方案传输的功率为0.01mw。在图8中，首先，Zr #1设置为“1”，因为Zr #1的Lqi高于其他Zr的Lqi。其次，Zr# 2设置为“1”，因为其Lqi显著增加。根据这些评估结果，确定的模式表明Zed终端支架从A室移动到B室，最终Zr 3的Lqi增加，Zr #3设置为“1”。因此，ZED终端支架从B室移到了楼梯上。当记录zr# 1、zr #2和zr# 3中的值“1”或“0”时，使用所提议的方案获得图案[100]、[010]和[001]。此图案表示从房间A到房间B以及房间B到楼梯的路线。如果预先生成了一些模式，系统管理

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