基于單片機(jī)和FPGA的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)

　　隨著電子信息的飛速發(fā)展，近年來(lái)，遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控技術(shù)也漸漸成為醫(yī)療界的一個(gè)熱點(diǎn)。重要生命參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控給年老體弱者帶來(lái)了方便，也給現(xiàn)代醫(yī)療界的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)。

　　遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)，它是一種集成信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信應(yīng)用技術(shù)于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的高科技產(chǎn)業(yè)品。系統(tǒng)主要組成部分為：基于微控制器和傳感器節(jié)點(diǎn)組成體征采集模塊，基于GPRS/GSM的無(wú)線收發(fā)模塊，基于FPGA的上位機(jī)監(jiān)控模塊。體征采集模塊利用各類專用傳感器采集人體體征，并由微控制器進(jìn)行處理打包，經(jīng)由GPRS/GSM通信網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機(jī)監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程醫(yī)生/監(jiān)護(hù)人可定時(shí)/實(shí)時(shí)監(jiān)控病患。該系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確，實(shí)用創(chuàng)新性強(qiáng)，性價(jià)比高，具有很好的推廣價(jià)值。

　　二、設(shè)計(jì)要求

　　設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)。要求：

　　1.通過(guò)各傳感器節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確采集各項(xiàng)體征信號(hào)并交于89c51單片機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算出各項(xiàng)體征信息（包括體溫、血壓、脈搏、心率），組成體征采集子模塊，完成各項(xiàng)體征信息采集，并上傳到GPRS/GSM無(wú)線模塊。

　　2.GPRS/GSM無(wú)線模塊將接收到體征信息，并準(zhǔn)確地送往上位監(jiān)控機(jī)。

　　3.基于FPGA的上位監(jiān)控機(jī)接收到下位機(jī)信息，并進(jìn)行分析處理及控制。

　　三、設(shè)計(jì)器材

　　1.各類體征傳感器（ASDX100壓力傳感器、HK-2000B脈搏傳感器、DS18B20溫度傳感器）；

　　2.微控制器、GPRS/GSM模塊、FPGA開(kāi)發(fā)箱；

　　3.鑷子、鉗子、電阻電容電位器導(dǎo)線等若干、焊錫若干。

　　四、設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)方案

　　1. 設(shè)計(jì)原理

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以定義為通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)將遠(yuǎn)端的體征生理信息和醫(yī)學(xué)信號(hào)傳送到上位機(jī)監(jiān)控中心進(jìn)行分析并給出診斷意見(jiàn)的一種技術(shù)手段。

　?。?） 醫(yī)療監(jiān)測(cè)原理

　　重要生命參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)是年老體弱者口常監(jiān)護(hù)的一個(gè)重要內(nèi)容，檢測(cè)的生理信息主要包括：體溫、脈搏、血壓、心率、心電圖、呼吸、血?dú)猓ㄑ醴謮汉投趸挤謮海?、血氧飽和度、血糖等。這類生理參數(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中一般要求無(wú)創(chuàng)或微創(chuàng)檢測(cè)。本文以溫度、脈搏、血壓及心率信號(hào)為采集對(duì)象，選擇了簡(jiǎn)單方便的傳感器和無(wú)創(chuàng)測(cè)量的方法。

　　（2）無(wú)線通信技術(shù)

　　隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和社會(huì)需求的口益增長(zhǎng)，無(wú)線通信已經(jīng)進(jìn)入規(guī)模化發(fā)展的階段，快速發(fā)展的無(wú)線通信已成為信息產(chǎn)業(yè)中最為耀眼的“亮點(diǎn)”，為各種潛在的工程技術(shù)提供了新的方法和手段，并成為推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的強(qiáng)勁動(dòng)力。無(wú)線通信以其不需輻設(shè)明線、使用便捷等特點(diǎn)，展示出廣闊的市場(chǎng)前景。無(wú)線通信技術(shù)正以較快的速度進(jìn)入許多產(chǎn)品，它與有線相比主要具有成本低、攜帶方便和省去布線的煩惱等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于遙控、遙測(cè)、無(wú)線抄表、門(mén)禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線標(biāo)簽、身份識(shí)別、非接觸RF智能片、小型無(wú)線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無(wú)線遙控系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器控制、信息家電、無(wú)線232、無(wú)線422/485數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域。

　　利用GPRS/GSM技術(shù)進(jìn)行無(wú)線通信，使傳統(tǒng)的串口通訊擴(kuò)展為GPRS/GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊，可以實(shí)時(shí)的把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時(shí)交換及串口設(shè)備的快速無(wú)線聯(lián)網(wǎng)。

　　2.設(shè)計(jì)方案

　　（1） 醫(yī)院監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系方案

　　醫(yī)院監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由有線網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)）和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，如圖4.1所示?；颊呱砩吓宕鞯牟杉K端，將采集到的生理信息數(shù)據(jù)（體溫、脈搏、血壓、心率）發(fā)送到AP （Access Point ）。AP通過(guò)醫(yī)院的局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到上位監(jiān)控機(jī)上，由上位監(jiān)控機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

　　AP上電后立即嘗試連接局域網(wǎng)上的服務(wù)器，服務(wù)器的IP和端口號(hào)以及AP的網(wǎng)絡(luò)配置都寫(xiě)在配置文件中，用戶可以手動(dòng)修改，連接成功后進(jìn)入就緒狀態(tài)。

　　如果有攜帶移動(dòng)監(jiān)護(hù)設(shè)備的患者進(jìn)入AP的覆蓋區(qū)域移動(dòng)監(jiān)護(hù)設(shè)備將會(huì)查詢到AP并與之建立ACL鏈路，AP接受連接將會(huì)進(jìn)行主從切換，保證AP作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的主單元可以繼續(xù)被其他移動(dòng)監(jiān)護(hù)設(shè)備發(fā)現(xiàn)和建鏈。之后移動(dòng)監(jiān)護(hù)設(shè)備和AP之間進(jìn)行SDP ， L2CAP， RFCOMM連接。AP向服務(wù)器報(bào)告有移動(dòng)監(jiān)護(hù)設(shè)備進(jìn)入該區(qū)域，此后AP將透明地轉(zhuǎn)發(fā)AP和移動(dòng)監(jiān)護(hù)設(shè)備之間的雙向數(shù)據(jù)。主機(jī)可以通過(guò)AP和移動(dòng)監(jiān)護(hù)設(shè)備的串口替代功能完成控制、數(shù)據(jù)采集的功能。當(dāng)患者離開(kāi)此AP的覆蓋范圍后，鏈路中斷，AP向服務(wù)器報(bào)告移動(dòng)監(jiān)護(hù)設(shè)備離開(kāi)該區(qū)域，同時(shí)患者攜帶的移動(dòng)監(jiān)護(hù)設(shè)備開(kāi)始搜索新的 AP。醫(yī)護(hù)人員根據(jù)移動(dòng)監(jiān)護(hù)設(shè)備與哪一個(gè)AP相連可以獲知患者在整個(gè)病區(qū)內(nèi)的活動(dòng)情況。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　
圖1 醫(yī)院無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　（2） 家庭監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)體系方案

　　遠(yuǎn)程家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　
圖2 家庭無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　無(wú)線系統(tǒng)主要由各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)（脈搏、體溫、血壓、心率等傳感器節(jié)點(diǎn)）、若干個(gè)具有路由功能的無(wú)線節(jié)點(diǎn)和中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（監(jiān)護(hù)基站設(shè)備）組成。監(jiān)護(hù)基站設(shè)備連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)，是家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的核心部分，負(fù)責(zé)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和設(shè)備節(jié)點(diǎn)的管理。各項(xiàng)體征數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)器。遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)器負(fù)責(zé)脈搏生理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示和保存。醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心和醫(yī)生可以登錄監(jiān)護(hù)服務(wù)器查看被監(jiān)護(hù)者的生理信息，也可以遠(yuǎn)程控制家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的傳感器和設(shè)備，從而在被監(jiān)護(hù)病人出現(xiàn)異常時(shí)，能及時(shí)檢測(cè)到并采取搶救措施。被監(jiān)護(hù)者的親屬等也可以登錄監(jiān)護(hù)服務(wù)器隨時(shí)了解被監(jiān)護(hù)者的健康狀況。

　　五、設(shè)計(jì)流程

　　1.傳感器單元的設(shè)計(jì)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)主要功能為采集人體體征信息（包括體溫、脈搏、血壓、心率），其節(jié)點(diǎn)主要包括5部分：中央處理器模塊（51單片機(jī)）、無(wú)線數(shù)據(jù)通信模塊（GPRS/GSM）、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換及相關(guān)調(diào)理電路、電源模塊。節(jié)點(diǎn)框圖和處理器單元如圖3所示。

　　
圖3 監(jiān)控傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

　　2 .GPRS/GSM模塊的設(shè)計(jì)

　　介紹了一種通過(guò)GPRS/GSM短消息的收發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)工程上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，其能夠完成對(duì)工程上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)及采集數(shù)據(jù)的傳輸。同時(shí)也能夠通過(guò)短消息控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成指定的操作。系統(tǒng)自帶有存儲(chǔ)器，能夠按接收到的指令對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置，并將其存儲(chǔ)到設(shè)備自帶的存儲(chǔ)器中。同時(shí)系統(tǒng)配備了看門(mén)狗，能夠使系統(tǒng)在異常狀態(tài)下重啟系統(tǒng)，使系統(tǒng)做到永不死機(jī)。由于該系統(tǒng)采用了GSM短消息作為通信載體，使其克服了普通電話監(jiān)控的人機(jī)界面不友好，話費(fèi)高，且控制功能少等缺點(diǎn)。GSM硬件圖如下圖4所示。

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