基于 Piconet 的移動(dòng)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

據(jù) 2018 年中國(guó)綜合醫(yī)院行業(yè)市場(chǎng)報(bào)告 ：預(yù)計(jì)到 2020 年，我國(guó) 60 歲以上老人將達(dá)到 2.48 億，占全國(guó)總?cè)丝诘?17.5%。若人口老齡化所帶來(lái)的問(wèn)題處理不當(dāng)，則會(huì)引發(fā)一系列的社會(huì)矛盾。新一代信息技術(shù)的發(fā)展為社會(huì)問(wèn)題的解決提供了新的方法與思路。許多學(xué)者、技術(shù)人員逐步展開(kāi)了智慧醫(yī)療方向的研究。智慧醫(yī)療的核心在于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與傳感器網(wǎng)絡(luò)到通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。

現(xiàn)行主流無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)主要有 WiFi， ZigBee 與藍(lán)牙三種。三種組網(wǎng)技術(shù)各有優(yōu)劣，其應(yīng)用場(chǎng)景各有不同。WiFi 技術(shù)接入網(wǎng)絡(luò)較簡(jiǎn)單、移動(dòng)性強(qiáng)、功耗較高， 較大的功耗不適用于可穿戴的醫(yī)療設(shè)備。ZigBee 與藍(lán)牙在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。衛(wèi)兵 [1] 等設(shè)計(jì)一系列傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將 ZigBee 技術(shù)與通信網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)， 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。徐云苑 [2] 利用 ZigBee 技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)糖尿病指數(shù)，將 ZigBee 技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)中，使之更加便捷與穩(wěn)定。ZigBee 使用 DSSS 擴(kuò)頻，而藍(lán)牙使用 FHSS 擴(kuò)頻， 就使用場(chǎng)景來(lái)講，ZigBee 技術(shù)不適用于端點(diǎn)快速移動(dòng)的系統(tǒng)。汪波濤 [3] 應(yīng)用藍(lán)牙與多點(diǎn)傳感融合算法，設(shè)計(jì)了人的跌倒?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但是此系統(tǒng)不兼具生理信息監(jiān)測(cè)功能。除此之外，移動(dòng)通信技術(shù)也是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用較多的是 GPRS 技術(shù)。韋鉑 [4] 設(shè)計(jì)出一套基于 GPRS 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的人體智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，能夠?qū)τ脩舻纳眢w狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)、全方位監(jiān)護(hù)。然而，GPRS 無(wú)線通信技術(shù)作為 2.5G 的移動(dòng)通信技術(shù)已逐漸被淘汰，取而代之的是專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的移動(dòng)通信技術(shù)—窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）。作為一種移動(dòng)廣域網(wǎng)，其廣覆蓋、低功耗、廣接入的特點(diǎn)，滿足了移動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求 [5]。

1 藍(lán)牙技術(shù)概述

藍(lán)牙技術(shù)是愛(ài)立信公司于 1997 年創(chuàng)制的， 是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)， 使用全球通用頻段（ISM 2.4 ～2.48 GHz），具有低成本、低功耗、低輻射的特點(diǎn) [6]。藍(lán)牙技術(shù)采用跳頻技術(shù)，一共有 79 個(gè)頻點(diǎn)，可根據(jù)主設(shè)備與從設(shè)備的跳頻序列在不同時(shí)隙內(nèi)跳動(dòng)。藍(lán)牙技術(shù)借鑒了通信技術(shù)中電路交換與分組交換的特點(diǎn)，其包含面向連接的傳輸（SCO 鏈路）與無(wú)連接的異步傳輸（ALC 鏈路）兩種傳輸方式，但是 ALC 鏈路只在電路交換的間隙進(jìn)行。因此，藍(lán)牙技術(shù)不僅能傳輸語(yǔ)音，也能傳輸數(shù)據(jù)。

藍(lán)牙技術(shù)的組網(wǎng)方式主要有微微網(wǎng)（Piconet）與散射網(wǎng)兩種。在單個(gè) Piconet 中，允許有 8 個(gè)藍(lán)牙設(shè)備互聯(lián)，但是同一時(shí)刻只允許一個(gè)設(shè)備作為主設(shè)備，其他設(shè)備為從設(shè)備， 主設(shè)備提供跳頻序列，從設(shè)備以同步方式跟蹤跳頻序列。此外，藍(lán)牙技術(shù)還允許多個(gè) Piconet 互聯(lián)互通，即組成散射網(wǎng)。事實(shí)上， 由于頻段寬度所限， 散射網(wǎng)中最多只能有 10 個(gè)Piconet[6]。Piconet 組成結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 Piconet 組成結(jié)構(gòu)示意

移動(dòng)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的特色是遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)與可移動(dòng)性， 藍(lán)牙芯片的高集成度與藍(lán)牙技術(shù)低功耗的優(yōu)點(diǎn)為系統(tǒng)廣泛應(yīng)用提供了可能。其次，藍(lán)牙技術(shù)使用了 FHSS 擴(kuò)頻技術(shù)，這種擴(kuò)頻技術(shù)適用于端點(diǎn)快速移動(dòng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。人體各部位移動(dòng)本來(lái)就是相對(duì)快速的過(guò)程，具有隨機(jī)性與突變性，所以藍(lán)牙技術(shù)更能滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

2 移動(dòng)遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)架構(gòu)

本文系統(tǒng)采用典型的物聯(lián)網(wǎng)三層體系結(jié)構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三部分，每層均包含兩個(gè)子層。佩戴在人體各部位的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò) Piconet 連接，各部位數(shù)據(jù)匯聚到主設(shè)備，主設(shè)備將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、處理，重新封裝成 NB- IoT 協(xié)議下的數(shù)據(jù)包，通過(guò)附近基站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。用戶數(shù)據(jù)到達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器后，由服務(wù)器進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)，為上層應(yīng)用提供服務(wù)。

在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸中，數(shù)據(jù)在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)及廣域網(wǎng)的傳輸過(guò)程尤為重要，這兩個(gè)過(guò)程貫穿整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系的始終， 對(duì)數(shù)據(jù)的安全性與準(zhǔn)確性都有極大影響。本文充分考慮到設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景，因?yàn)楦鱾鞲衅鞴?jié)點(diǎn)均分布在人體上，所以其信號(hào)的有效范圍為 10 m 以內(nèi)。若周?chē)袕?qiáng)磁場(chǎng)干擾或節(jié)點(diǎn)距離超過(guò)有效范圍，則丟包現(xiàn)象會(huì)大幅增加。此外，由于GPRS 正在退網(wǎng)階段，不久將被淘汰，本文系統(tǒng)使用基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，這種廣域網(wǎng)覆蓋范圍更強(qiáng)，允許接入的節(jié)點(diǎn)更多，功耗更低，更適合移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。本文系統(tǒng)的體系架構(gòu)如圖 2 所示。

3 無(wú)線傳感器及其組網(wǎng)方式

本文系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能為心率監(jiān)測(cè)、血氧監(jiān)測(cè)、姿態(tài)監(jiān)測(cè)及人體定位。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)有三個(gè)，分別分布于人體的手腕、腰部以及腳腕。其中，手腕節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)（主設(shè)備），腰部與腳腕節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)（從設(shè)備）。從節(jié)點(diǎn)的主要功能為協(xié)助主節(jié)點(diǎn)完成姿態(tài)檢測(cè)，主節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖 3 所示。

本文系統(tǒng)采用的姿態(tài)傳感器型號(hào)為 MPU6050， 此傳感器是一款集成 6 軸 MotionTracking 設(shè)備， 能夠數(shù)字輸出6 軸或 9 軸的旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)（Quaternion）、歐拉角格式（EulerAngleforma）的融合演算數(shù)據(jù)。本文根據(jù)四元數(shù)代數(shù)學(xué)與歐拉轉(zhuǎn)換矩陣將四元數(shù)解算得到姿態(tài)角，計(jì)算公式如下 [7] ：

三個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理芯片均為微型嵌入式處理器STM32F103C8T6， 該芯片采用 Cortex-M3 架 構(gòu)， 高 達(dá)72 MHz 的工作頻率，還具有 64 KB 的閃存程序存儲(chǔ)器，足以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。心率以及血氧數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)由手腕上的心率血氧傳感器（型號(hào)為 MAX30102）完成，定位功能由手腕節(jié)點(diǎn)的 GPS 定位模塊（型號(hào)為 NEO-6M）完成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接模式如圖 4 所示。

4 數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用

移動(dòng)遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)使用了第三方服務(wù)器—中移物聯(lián)， 該平臺(tái)允許 EDP，HTTP，MQTT等多種協(xié)議的物聯(lián)設(shè)備接入，提供了 PC 端與移動(dòng)端應(yīng)用開(kāi)發(fā)的 API。用戶數(shù)據(jù)由主節(jié)點(diǎn)按 LWM2M 協(xié)議格式封裝，通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到第三方服務(wù)器。用戶可通過(guò)在平臺(tái)服務(wù)器上建立數(shù)據(jù)流模板的方式，分類(lèi)存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。另外，系統(tǒng)支持用戶采用私有協(xié)議以及私有加密方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)安全。

根據(jù)系統(tǒng)需求，本文建立了 6 個(gè)數(shù)據(jù)流模板，分別存儲(chǔ)心率、血氧、位置、姿態(tài)等信息。同時(shí)，平臺(tái)支持觸發(fā)器功能， 設(shè)置觸發(fā)數(shù)據(jù)流、觸發(fā)條件，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)低于或高于閾值時(shí)，通過(guò)郵箱或 URL 發(fā)出報(bào)警信息。心率、位置數(shù)據(jù)流模板展示圖分別如圖 5、圖 6 所示。

圖 5 心率數(shù)據(jù)流模板展示

圖 6 位置數(shù)據(jù)流模板展示

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以智慧醫(yī)療為背景，論述了從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)到傳感器組網(wǎng)，再到數(shù)據(jù)獲取與應(yīng)用等一系列物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建立的解決方案。智慧醫(yī)療是解決社區(qū)養(yǎng)老、醫(yī)療的重要途徑 [11]。本文系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將老年人、社區(qū)醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)院聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與共享。不僅加強(qiáng)了醫(yī)患聯(lián)系，同時(shí)也減輕了醫(yī)護(hù)人員的工作壓力，僅僅通過(guò)幾臺(tái)計(jì)算機(jī)就能及時(shí)了解轄區(qū)老年人的身體狀況，不必身入患者家中走訪。

由于應(yīng)用場(chǎng)景所限，本文只應(yīng)用了 3 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)于傳感器組網(wǎng)的時(shí)間延遲、頻段資源利用沒(méi)有過(guò)多要求，但這對(duì)于未來(lái)中型或大型傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。不論對(duì)于藍(lán)牙技術(shù)組網(wǎng)還是 ZigBee 技術(shù)組網(wǎng)，都要深入研究組網(wǎng)算法，以減少組網(wǎng)時(shí)延以及網(wǎng)絡(luò)之間的干擾，提升無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自愈能力 [12]。

廣域網(wǎng)的發(fā)展也是制約物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。正如本文所應(yīng)用的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與正在推廣應(yīng)用的5G 技術(shù)，都是未來(lái)幾年物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的推動(dòng)力量。NB-IoT 技術(shù)主要應(yīng)用在遠(yuǎn)程抄表、智慧停車(chē)、智慧路燈等場(chǎng)景，這些場(chǎng)景都有著廣泛接入、低帶寬需求等特點(diǎn)，而 5G 技術(shù)主要應(yīng)用于低時(shí)延、高帶寬的應(yīng)用場(chǎng)景，如自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程會(huì)診等。