一種遠程智能醫療監護系統的設計方案

0 引 言

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的不斷普及和技術(shù)的廣泛推廣，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給醫療衛生行業(yè)帶來(lái)了深遠的影響。“物聯(lián)網(wǎng)醫學(xué)” 成為了人們關(guān)注的另一個(gè)焦點(diǎn)，“物聯(lián)網(wǎng)醫學(xué)”是復旦大學(xué)附屬中山醫院在第七屆上海國際呼吸研究研討會(huì )上向國內醫學(xué)界提出的。

所謂物聯(lián)網(wǎng)醫學(xué)，指的是利用傳感技術(shù)，將傳感器固定在人體上，傳感器的終端嵌入和連接到醫療檢測設備里，醫生可通過(guò)手機或電腦連接到該終端，實(shí)時(shí)地實(shí)現對病人全天候、遠程檢測及診斷。

1 遠程智能醫療監護系統

針對物聯(lián)網(wǎng)醫學(xué)提倡的全方位互聯(lián)的特點(diǎn)，本文將ZigBee 和GPRS 技術(shù)相結合，充分利用網(wǎng)絡(luò )資源，設計了對智能醫療多監護參數進(jìn)行處理、傳輸和可視化的網(wǎng)關(guān)系統，在一定范圍內配置一處或者多處血壓、體溫、血氧和脈搏傳感器，組成ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。ZigBee網(wǎng)絡(luò )作為低功耗、低復雜度、低成本且可自動(dòng)組網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，支持傳感器信息采集、傳輸和處理，可以將不同點(diǎn)的多個(gè)傳感器數據利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信，同時(shí)結合GPRS 技術(shù)實(shí)現遠程監控，改變了傳統無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )需要依托有線(xiàn)公共網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸的限制，解決了同時(shí)安裝大量檢測裝置、布線(xiàn)量大、線(xiàn)路維護和更改困難的難題，使網(wǎng)絡(luò )顯示出巨大的優(yōu)勢。

圖1 所示是遠程智能醫療監護系統架構圖。該系統將信息通過(guò)HTTP POST 數據包上傳到互聯(lián)網(wǎng)云端Yeelink 平臺，從而實(shí)現對體征數據的實(shí)時(shí)采集、處理、可視化和遠程監測。

實(shí)際測試結果表明，該系統穩定可靠，方便擴展、實(shí)時(shí)性強。

2 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)硬件設計

設計實(shí)現了一種基于STC12C5A60S2 為主控芯片的智能網(wǎng)關(guān)系統，單片機負責GPRS 與ZigBee 網(wǎng)絡(luò )之間的雙向數據轉換，網(wǎng)關(guān)實(shí)際上是一個(gè)基于GPRS 協(xié)議和ZigBee 協(xié)議的轉換網(wǎng)關(guān)。在ZigBee 網(wǎng)絡(luò )中，網(wǎng)關(guān)起到網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器的作用，主要工作包括ZigBee 組網(wǎng)組建、監聽(tīng)終端節點(diǎn)以及與終端節點(diǎn)之間的雙向通信等;另外，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)還承擔GPRS 協(xié)議與ZigBee 協(xié)議間數據的轉換，GPRS 網(wǎng)絡(luò )數據的接收和發(fā)送，以及處理GSM 短信息查詢(xún)等任務(wù)。

該系統的網(wǎng)關(guān)硬件節點(diǎn)電路分為ZigBee 通信模塊、GPRS 通信模塊和電源供電模塊。網(wǎng)關(guān)硬件結構圖如圖2 所示。

2.1 電源供電模塊

因ZigBee 模塊和GSM模塊所需電壓分別為3.3V和5.5 V,故系統的電源模塊將9V 的電壓輸入轉化為3.3V 和5.5 V 這兩種電壓輸出供處理器和其他模塊使用。該方式的特點(diǎn)：一是系統電源模塊能留出足夠的余量，最大可提供3 A 的電流，從而防止因功率輸出過(guò)大造成電源芯片發(fā)熱、燒毀;其二是本系統通過(guò)LDO 芯片LM2575-5 和LM1117-3.3 兩級降壓，設計電源精度為98%,紋波為30 mV,能滿(mǎn)足系統要求。

2.2 ZigBee 通信模塊

ZigBee 通信模塊是基于TI 公司CC2530F256 芯片，內部運行ZigBee2007/PRO 協(xié)議棧，具有ZigBee 的全部特性。針對復雜的ZigBee 協(xié)議，本模塊將協(xié)議棧嵌入模塊內部，只留出串口，在與主控芯片通信時(shí)無(wú)需考慮ZigBee 內部協(xié)議棧，只需要讀寫(xiě)串口即可實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)傳輸，簡(jiǎn)單易用，可大大減少開(kāi)發(fā)周期。ZigBee 模塊可通過(guò)串口連接到PC,可直接配置參數設置為協(xié)調器、路由器和終端節點(diǎn)。協(xié)調器為最初加入網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò )地址(16 位)，每個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò )需要唯一的一個(gè)協(xié)調器;路由器可以接收、轉發(fā)數據，起到路由和中繼的作用;終端節點(diǎn)通常為電池供電的低功耗設備，用于采集傳感器數據，周期性發(fā)送數據。ZigBee 組網(wǎng)狀況使用Sensor Monitor 軟件觀(guān)察。本網(wǎng)關(guān)系統采用星型網(wǎng)絡(luò )，因此只用到ZigBee 協(xié)調器和終端節點(diǎn)。圖3 所示是星型網(wǎng)狀的ZigBee 組網(wǎng)。

2.3 GPRS 通信模塊

GPRS 模塊使用的是龍尚的A8000, 其采用德國英飛凌的基帶芯片， 具有超高的接收靈敏度， 是一款雙頻900/1800 MHz 高集成度的GSM/GPRS 模塊。內嵌TCP/IP 協(xié)議模塊，使用簡(jiǎn)單，支持GSM Rec.07.07/07.05 及其特有擴展指令集，通過(guò)UART 控制，與單片機通過(guò)串口直接通信。

3 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)軟件設計

軟件設計包括2 個(gè)部分：網(wǎng)關(guān)軟件和監控中心管理軟件。網(wǎng)關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)平臺為Keil C51,ZigBee 內部運行ZigBee2007/PRO 協(xié)議棧，ZigBee 組網(wǎng)監控軟件為SensorMonitor,監控中心PC 服務(wù)管理軟件開(kāi)發(fā)平臺為云端Yeelink.

3.1 ZigBee/GPRS 網(wǎng)關(guān)的程序設計ZigBee/GPRS 網(wǎng)關(guān)的程序流程如圖4 所示。系統上電后網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)進(jìn)行初始化操作，接著(zhù)搜索空閑工作信道、啟動(dòng)ZigBee 網(wǎng)絡(luò )并等待終端節點(diǎn)的連接請求。待所有終端節點(diǎn)成功加入ZigBee 網(wǎng)絡(luò )后，進(jìn)入等待狀態(tài)，直到監測平臺發(fā)出數據采集命令，則將該命令經(jīng)ZigBee 網(wǎng)絡(luò )轉發(fā)至所有終端節點(diǎn)。

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