基于GSM的遠程醫療呼救系統設計

摘要：設計了一種基于GSM的遠程醫療呼救系統。該系統以電子血壓計監測用戶(hù)的生命體征、以加速度傳感器進(jìn)行跌倒識別，利用GSM無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)行醫療呼救和數據傳輸。該系統具有攜帶方便、可靠性高、傳輸距離遠的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應用表明，該系統能夠在一定程度上解決空巢老人的醫療救助問(wèn)題。

隨著(zhù)生存壓力加大和我國社會(huì )老齡化的加劇，老人家庭“空巢化”成為社會(huì )發(fā)展的趨勢。當空巢老人遇到諸如心臟病、高血壓等疾病突發(fā)時(shí)，多伴有神志不清、無(wú)行為能力、跌倒等癥狀，大多數情況下，病人無(wú)法自己完成呼救措施，常常因此錯過(guò)最佳搶救時(shí)機而造成不良后果。針對這一問(wèn)題，本文設計了一種基于GSM的遠程醫療自動(dòng)呼救系統。該系統具有攜帶方便、可靠性高、傳輸距離遠的優(yōu)點(diǎn)，能夠解決空

巢老人的醫療救助問(wèn)題。

1 系統描述

基于GSM的遠程醫療自動(dòng)呼救系統由多個(gè)從站和一個(gè)主站組成，其網(wǎng)絡(luò )結構如圖1所示。從站系統由若干醫療監測設備、控制器和GSM模塊組成，進(jìn)行生命體征的檢測與無(wú)線(xiàn)傳送。主站通過(guò)GSM模塊與從站進(jìn)行通信，并對接收到的相關(guān)數據進(jìn)行分析，為后續的醫療救護提供參考。

用戶(hù)攜帶的從站系統定時(shí)喚醒醫療監測設備對用戶(hù)進(jìn)行生命體征的檢測，從站控制器將采集來(lái)的數據與預先設定的正常生命體征值進(jìn)行比對。一旦超出正常范圍，從站控制器將通過(guò)GSM模塊向主站(醫療機構)發(fā)送用戶(hù)編碼(用于區分不同用戶(hù))和當前生命體征值，同時(shí)向用戶(hù)親屬的手機發(fā)送預警信息。主站(醫療機構)可根據用戶(hù)編碼調出用戶(hù)的既往病歷，結合當前的生命體征值制定相應的救護方案。

2 系統硬件設計

從站系統通常由電子血壓計、跌倒檢測模塊、GSM模塊和微處理器(CPU)組成。主站系統由GSM模塊、微處理器(CPU)、顯示與報警電路(也可通過(guò)串口模塊連接計算機)組成。系統硬件框圖如圖2所示。

醫療監測設備可根據監測對象實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。本文重點(diǎn)考慮老年人中常見(jiàn)的心臟病和高血壓病，故僅選用了電子血壓計、跌倒檢測模塊。同時(shí)為了減少能耗，降低更換從站電池的頻率，采用MSP430系列超低功耗微處理器。

2.1 無(wú)線(xiàn)通信模塊

采用西門(mén)子公司的無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊TC35，它能可靠地實(shí)現數據、語(yǔ)音傳輸、短消息業(yè)務(wù)。該模塊集射頻電路和基帶于一體，模塊工作電壓為3.3～5.5 V，可工作在900 MHz和1 800 MHz兩個(gè)頻段，向用戶(hù)提供標準的AT命令接口，方便用戶(hù)的應用開(kāi)發(fā)及設計。該模塊還提供RS232數據接口，可方便的與單片機進(jìn)行串口通信。

2.2 微處理器與GSM的接口連接

本系統中的微處理器采用MSP430系列單片機。該系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，集成了豐富的片內外設，可以最大限度降低系統電路的復雜度，減少了系統的功耗和體積。

單片機與GSM模塊連接方式如圖3所示。單片機與GSM模塊通過(guò)串口模塊MAX232進(jìn)行電平轉換后連接(MAX232具有驅動(dòng)能力，無(wú)需外加驅動(dòng)電路)。需要注意的是：主站與從站之間可以進(jìn)行雙向通信，通過(guò)用戶(hù)地址碼對從站加以區分。從站與從站之間不能直接通信。

2.3 跌倒檢測模塊

本系統采用GY-29-ADXL345數字加速度模塊實(shí)現跌倒檢測。該模塊的核心是超低功耗3軸加速度計ADXL345，其測量范圍達±16 g，數字輸出數據為16位二進(jìn)制補碼格式，可通過(guò)SPI或I2C數字接口訪(fǎng)問(wèn)。它可以在傾斜檢測應用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運動(dòng)或沖擊導致的動(dòng)態(tài)加速度，具有極高的分辨率，能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化。

跌倒檢測的基本原理是通過(guò)測量攜帶該模塊的用戶(hù)在運動(dòng)過(guò)程中3個(gè)正交方向的加速度變法來(lái)獲得該用戶(hù)身體姿態(tài)變化的信息，從而判斷該用戶(hù)是否發(fā)生跌倒。

人體失重跌倒其3個(gè)正交方向的合成加速度

，且持續與跌倒的高度成正比(可據此判斷跌倒的危害性)。人體跌倒后，一般會(huì )保持短暫的靜止狀態(tài)(如因跌倒導致昏迷，靜止狀態(tài)可能持續時(shí)間較長(cháng))。同時(shí)，人體一旦發(fā)生跌倒，其當前的姿態(tài)與前一刻姿態(tài)會(huì )在短時(shí)間內發(fā)生較大的變化。本系統中，根據當前合成加速度值、當前的姿態(tài)與前一刻姿態(tài)的變化來(lái)判斷是否發(fā)生跌倒;根據合成加速度小于lg的持續時(shí)間和人體保持靜止狀態(tài)的時(shí)間來(lái)判斷跌倒的危害大小。

2.4 生命體征監測

考慮到老人常見(jiàn)的心臟病、高血壓，本系統采用PAL-901腕式電子血壓計來(lái)實(shí)現生命體征監測。該血壓計可測量心率、高壓、低壓，測量數據可通過(guò)串口輸出，單次發(fā)送6字節數據，傳輸速率為19 200 bit/s，電平電壓2.8 V。而且該血壓計體積小、供電電源采用干電池，攜帶非常方便。

3 系統軟件設計

3.1 通信協(xié)議

在無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中，由于天氣狀況、干擾與噪聲等因素的影響，從站和主站之間的無(wú)線(xiàn)通信往往會(huì )出現傳輸幀的丟失或數據傳輸出錯(誤碼)。為了確保傳輸的可靠性，需要制定相應的通信協(xié)議。

本系統采用的GSM傳輸數據幀結構由幀頭、用戶(hù)地址編碼、跌倒標識、生命體征數據、CRC校驗部分組成。GSM傳輸數據幀結構如圖4所示。

在實(shí)際應用中，噪聲產(chǎn)生的數據為1111111100000000的概率很低，因此發(fā)送數據幀以0xFF和0x00為幀頭，以避免數據誤接收。用一個(gè)字節地址編碼來(lái)區別不同的用戶(hù)從站系統。數據檢錯采用CRC校驗方式。接收端檢測到0xFF和0x00字節后，表示收到的數據幀有效。如果該幀CRC校驗正確，則說(shuō)明接收正確，否則表示該幀傳輸出錯，丟棄該幀。

3.2 程序流程

基于GSM的遠程醫療自動(dòng)呼救系統程序流程如圖5～6所示。

從站系統定時(shí)喚醒電子血壓計對用戶(hù)生命體征進(jìn)行檢測，并將采集來(lái)的數據與預先設定的正常值進(jìn)行比對。一旦超出正常范圍，則通過(guò)GSM模塊向主站(醫療機構)發(fā)送用戶(hù)編碼和當前生命體征值，同時(shí)向用戶(hù)親屬的手機發(fā)送預警信息。主站接收到數據后，進(jìn)行數據的有效性、可靠性驗證。通過(guò)驗證后，則發(fā)出警報并顯示用戶(hù)編碼和生命體征值。

4 結束語(yǔ)

文中設計了一種基于GSM的遠程醫療自動(dòng)呼救系統。該系統利用加速度傳感器測量跌倒時(shí)的信號，提出了意外跌倒的檢測算法。并以電子血壓計監測用戶(hù)的生命體征，利用GSM無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)行數據傳輸與報警，具有攜帶方便、可靠性高、傳輸距離遠的優(yōu)點(diǎn)，能夠在一定程度上解決空巢老人的醫療救助問(wèn)題。