基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)終端的設(shè)計(jì)

引 言

隨著我國(guó)人口老齡化的到來，生態(tài)環(huán)境與疾病譜的改變，居民健康面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步人們對(duì)于醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量的要求也越來越高，服務(wù)的內(nèi)容也從疾病的治療到疾病預(yù)防和保健。而醫(yī)院及監(jiān)護(hù)中心數(shù)量有限，是必導(dǎo)致醫(yī)患矛盾加劇，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的疾病診斷、治療和健康護(hù)理等多種醫(yī)學(xué)功能的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)模式，勢(shì)必將成為一種必然。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成，綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信等技術(shù)的前沿研究領(lǐng)域。由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過各類微型傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，形成的一個(gè)自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。目前將無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、Internet技術(shù)相結(jié)合，已成為無線遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)參與無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)，重慶大學(xué)楊永明設(shè)計(jì)了基于 Internet 的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)即時(shí)通信系統(tǒng)，用于對(duì)患者的病情進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)控；北京生命在線研發(fā)的基于藍(lán)牙的遠(yuǎn)程家庭健康管理監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)為患者提供了優(yōu)質(zhì)的居家慢性病管理醫(yī)療服務(wù) ；珠海中立電子集團(tuán)開發(fā)的心臟病集群監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，清華大學(xué)、深圳大學(xué)等高校研究機(jī)構(gòu)研制的多參數(shù)監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)投入各大醫(yī)院使用。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)將 ZigBee 和GPRS 技術(shù)相結(jié)合，以 SPCE061A 微控制器、CC2520 射頻芯片為核心器件，構(gòu)建了一個(gè)能實(shí)現(xiàn)生理參數(shù)的采集和無線傳輸?shù)倪h(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)終端，為監(jiān)護(hù)用戶和醫(yī)生提供各種重要的生理參數(shù)變化，有利于對(duì)監(jiān)護(hù)者健康的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)和疾病的預(yù)警、診斷及治療。

1 無線遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)由智能監(jiān)護(hù)終端、ZigBee 收發(fā)模塊、GPRS 通信模塊（GPRS 網(wǎng)絡(luò)）、Internet 、醫(yī)院局域網(wǎng)及醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心等部分組成，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖 1 所示。該系統(tǒng)將 ZigBee和 GPRS 技術(shù)相結(jié)合，利用 Internet 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)從家庭監(jiān)護(hù)、院內(nèi)監(jiān)護(hù)到急救現(xiàn)場(chǎng)、社區(qū)醫(yī)院乃至整個(gè)城市和全國(guó)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心服務(wù)器端隨時(shí)處于監(jiān)聽狀態(tài)，實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶發(fā)出的連接請(qǐng)求與讀取請(qǐng)求，以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)護(hù)用戶全方位、全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。

智能監(jiān)護(hù)終端由ZigBee生理參數(shù)采集傳感器和ZigBee收發(fā)模塊構(gòu)成，若干個(gè)智能監(jiān)護(hù)終端可以利用ZigBee靈活組網(wǎng)建立星型、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)微型監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)。利用SPCE061A控制器對(duì)所需要監(jiān)測(cè)的生命指標(biāo)進(jìn)行采集，通過ZigBee收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，并利用RS232串口送至與其所連接的PC或由GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以無線的方式連接到Internet。通過Internet網(wǎng)絡(luò)可以將 數(shù)據(jù)傳輸至醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心，由監(jiān)護(hù)中心專家對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì) 觀察與分析處理，提供必要的咨詢服務(wù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。在 救護(hù)車、自然災(zāi)害救災(zāi)或戰(zhàn)爭(zhēng)急救現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)終端利用GPRS 模塊連接到I nternet,實(shí)現(xiàn)將急救病人、傷病員情況的實(shí)時(shí)傳送, 以利于醫(yī)院搶救室和遠(yuǎn)程指導(dǎo)工作。

2監(jiān)護(hù)終端的硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)護(hù)終端的主要功能為監(jiān)護(hù)身份的識(shí)別、人體生理指標(biāo) 數(shù)據(jù)的采集，并通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至ZigBee協(xié)調(diào) 器或利用GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)護(hù)中心。設(shè)計(jì)主要包括生理參 數(shù)采集模塊和無線通信模塊硬件設(shè)計(jì)和軟件編程。為了實(shí)現(xiàn) 低成本、小型化和移動(dòng)靈活的特點(diǎn)，以SPCE061A為主控芯 片，它是一款具有語(yǔ)音處理功能的u'nSpTM結(jié)構(gòu)的微控制器, u'nSpTM指令系統(tǒng)提供了具有較高運(yùn)算速度的16位X16位的 乘法運(yùn)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，為其應(yīng)用增添了 DSP功能， 方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的語(yǔ)音和指紋身份識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)將采集模塊和GPRS (General Packet Radio Service)通信模塊、ZigBee模塊相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)生理參數(shù)的無 線傳輸。首先由SPCE061A發(fā)出開始監(jiān)測(cè)某項(xiàng)生理參數(shù)的指令, 對(duì)人體生理信號(hào)(心電、血壓、血氧、脈搏等)進(jìn)行采集。該 系統(tǒng)一方面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，另一方面將結(jié)果數(shù)據(jù)無 線上傳至個(gè)人健康數(shù)據(jù)庫(kù)供檢索和回放。圖2所示是本監(jiān)護(hù)終 端的硬件結(jié)構(gòu)圖。

2.1生理參數(shù)采集模塊

生理參數(shù)采集模塊由傳感器、微控制器單元、電源構(gòu) 成。采集監(jiān)護(hù)用戶的血壓、血氧、體溫和心電信號(hào)。系統(tǒng)心電 信號(hào)的采集，利用心電導(dǎo)聯(lián)線的方式獲取，由信號(hào)調(diào)理電路 進(jìn)行放大和濾波，才能滿足系統(tǒng)要求?？焖贆z測(cè)并提取清晰 的心電信號(hào)是進(jìn)行監(jiān)護(hù)和分析診斷的基礎(chǔ)，由于心電信號(hào)屬低 頻的微弱信號(hào)，設(shè)計(jì)采用ADI公司的集成單電源儀表放大器 AD623進(jìn)行前級(jí)放大，再經(jīng)過后續(xù)的多級(jí)放大和濾波后，送 入單片機(jī)SPCE061A的ADC接口，完成心電信號(hào)的數(shù)字化， 并由SPCE061A進(jìn)行處理和顯示。AD623是一個(gè)在無外接電 阻時(shí)單增益(G=1),在1和8引腳間外接電阻后可編程設(shè)置增 益，增益最高可達(dá)1?1 000 dB，且具有很好的線性度和可 靠的溫度穩(wěn)定性。其電路如圖3示。

系統(tǒng)中使用的血氧模塊和血壓模塊分別為北京邁創(chuàng)通元 電子儀器有限公司的BTN602無創(chuàng)血壓模塊和BTN604血氧 模塊。BTN602模塊通過示波法原理來實(shí)現(xiàn)收縮壓、舒張壓 及脈搏的測(cè)量，收到SPCE061A的指令后，對(duì)測(cè)量袖帶充氣 加壓，直至肱動(dòng)脈血流阻斷，減壓放氣，這一過程中會(huì)產(chǎn)生一 系列脈搏波，脈搏波的最大值對(duì)應(yīng)平均壓，舒展壓和收縮壓與 脈搏波的最大值成一定的比例關(guān)系，就可以完成血壓及脈搏 的測(cè)量，返回系統(tǒng)狀態(tài)和相應(yīng)數(shù)據(jù)。兩個(gè)模塊均采用UART 口與單片機(jī)通信，信號(hào)電平為TTL電平，與SPCE061 A單片 機(jī)可以直接相連，利用單片機(jī)普通I/O 口軟件模擬串口與其通信。

2.2指紋識(shí)別模塊

指紋識(shí)別模塊用于監(jiān)護(hù)用戶身份的辨識(shí)，無需帳號(hào)和密 碼即可自助完成登錄和測(cè)量過程，這對(duì)于老人、殘疾人群具 有重要意義。指紋是指手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的 紋路，不同的人各不相同，在信息處理中稱作“特征”，依靠 特征的唯一性，就可以驗(yàn)證用戶的真實(shí)身份。系統(tǒng)設(shè)計(jì) 采用臺(tái)灣富士通公司的劃擦型指紋傳感器MBF300和MBF300 屬于電容性傳感器，傳感器發(fā)出的電子信號(hào)可以穿過手指的表 面和死性皮膚層，達(dá)到手指皮膚的真皮層，直接讀取指紋圖案, 從而大大提高了該系統(tǒng)的安全性。MBF300支持三種接口形 式,，即MCU接口模式、SPI接口模式和USB接口模式。系 統(tǒng)采用USB接口模式與SPCE061A單片機(jī)直接相連。

2.3 ZigBee與GPRS無線通信模塊

醫(yī)療設(shè)備對(duì)電磁輻射的要求很高，輻射的電磁波既不 能夠干擾其他設(shè)備正常工作，同時(shí)也應(yīng)具有一定的抗干擾能 力，不受其他設(shè)備輻射出的電磁波干擾。系統(tǒng)射頻通信采用 TI公司專門針對(duì)近距離高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?02.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn) 的CC2520無線射頻收發(fā)器，具有出色鏈路預(yù)算、高工作溫 度、低工作電壓、遠(yuǎn)傳輸距離等出色特性和較高的數(shù)據(jù)糾錯(cuò) 和抗干擾能力。SPCE061A可以通過軟件模擬SPI接口來實(shí)現(xiàn) 對(duì)CC2520的工作參數(shù)配置和發(fā)射/接收數(shù)據(jù)，模擬的關(guān)鍵在 于SPI的讀寫時(shí)序。GPRS通訊模塊選取Simcom公司研制的內(nèi)嵌TCP / IP協(xié)議的GPRS模塊SIM300,該模塊功能強(qiáng)大、 操作簡(jiǎn)單、性價(jià)比高，具有標(biāo)準(zhǔn)的AT指令以及支持GPRS無 線上網(wǎng)的AT指令。兩模塊與SPCE061A的硬件連接電路如 圖4所示。

3健康監(jiān)護(hù)終端軟件設(shè)計(jì)

健康監(jiān)護(hù)終端軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的編程思想，使用單片機(jī)C語(yǔ)言完成底層程序的開發(fā)，主要包括心電、血氧、血壓、脈搏等生理參數(shù)的采集、處理、存儲(chǔ)、報(bào)警和顯示以及各項(xiàng)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。由數(shù)據(jù)采集程序、軟串口程序、基于GPRS模塊（GPRS模塊初始化及GPRS內(nèi)存讀寫等）、ZigBee模塊的通信程序（模塊入網(wǎng)、數(shù)據(jù)格式的定義、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收等）以及數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)程序等模塊組成。其中，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)護(hù)終端加入網(wǎng)絡(luò)，然后周期性地采集各路信號(hào)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送給PC機(jī)。監(jiān)護(hù)終端的數(shù)據(jù)包使用的是結(jié)構(gòu)體的形式，包含了數(shù)據(jù)包的頭、尾、該監(jiān)護(hù)終端的設(shè)備類型、網(wǎng)絡(luò)地址、以及采集的傳感器數(shù)據(jù)，當(dāng)然還有檢驗(yàn)信息等。同時(shí)，為了降低系統(tǒng)功耗，有效地完成多參數(shù)的采集，利用了多種中斷方式來完成系統(tǒng)功能，包括鍵盤輸入中斷、串口中斷、定時(shí)中斷等。其程序流程框圖如圖5所示。

4結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)衛(wèi)生體制改革的進(jìn)一步深入，以社區(qū)、家庭為單元的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)模式將得到逐步的興起，基于ZigBee技術(shù)、GPRS技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及數(shù)據(jù)庫(kù)管理等先進(jìn)技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)終端，將在家庭和臨床得到廣泛的應(yīng)用，對(duì)提高人們的生活質(zhì)量和醫(yī)院的健康管理與服務(wù)水平，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。系統(tǒng)經(jīng)過多次調(diào)試，基本實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能，性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸可靠。系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處：

（1）采用低功耗ZigBee無線傳輸技術(shù)，提高了節(jié)能效率；

（2）采用指紋識(shí)別模塊用于監(jiān)護(hù)用戶身份的辨識(shí)，方便了老人、殘疾人群的使用；

（3）應(yīng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)與Interne結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從家庭監(jiān)護(hù)、院內(nèi)監(jiān)護(hù)到急救現(xiàn)場(chǎng)、社區(qū)醫(yī)院乃至整個(gè)城市和全國(guó)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，讓醫(yī)療資源的得以共享。

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