基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)研究

引 言

物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療 [1] 是利用傳感器技術(shù)，將一枚大至手機(jī)或小到指甲片大小的傳感器貼在患者身上，傳感器的一端嵌入或裝備到醫(yī)療檢測設(shè)備中，醫(yī)生通過自己的手機(jī)或電腦連接到另一終端后，可隨時隨地實(shí)現(xiàn)對病人的診斷、治療和監(jiān)測。

據(jù)了解，目前全球發(fā)達(dá)國家非常重視物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療及其相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，美國《創(chuàng)新戰(zhàn)略 2011》將衛(wèi)生醫(yī)療保健領(lǐng)域的信息技術(shù)利用作為創(chuàng)新的六大優(yōu)勢領(lǐng)域之一。日本在 2013 年提出的最新信息化發(fā)展戰(zhàn)略將醫(yī)療健康信息技術(shù)作為重點(diǎn)領(lǐng)域。我國是一個人口大國，慢性病占全部疾病的 80% 以上， 且有很高的病死率，加上龐大的老年群體，給保健和醫(yī)療造成了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)。物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療的發(fā)展迫在眉睫，本文提出了一種物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)可以通過電信運(yùn)營商覆蓋全國的醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)現(xiàn)，使醫(yī)療資源充裕地區(qū)的醫(yī)護(hù)人員借助該醫(yī)療系統(tǒng)完成對遠(yuǎn)程患者的診療和監(jiān)護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)對醫(yī)療資源的高效利用。

1 物聯(lián)網(wǎng)基本原理

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）利用局域網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、人員和物體等通過新的方式連在一起，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物相聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)。

由圖 1 可以看出，典型的企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)由三大部分組成， 即 RFID 識別系統(tǒng)、中間件Savant 系統(tǒng)和Internet 系統(tǒng) [2]。

(1) RFID系統(tǒng)主要包括RFID電子標(biāo)簽和閱讀器，兩者通過RFID接口進(jìn)行通信；

(2) 中間件系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)傳送和管理閱讀器識讀到的信息流，并根據(jù)需求把數(shù)據(jù)傳送到Internet；

(3) 中間件系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)相連，能夠及時有效地跟蹤、查詢和修改信息。

物聯(lián)網(wǎng)正逐漸應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)社會的各個領(lǐng)域，例如工業(yè)領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、電網(wǎng)領(lǐng)域、物流領(lǐng)域、交通運(yùn)輸領(lǐng)域、醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域、公共安全領(lǐng)域和節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域等。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用帶動了生產(chǎn)力、生產(chǎn)方式等的深刻改變，成為經(jīng)濟(jì)社會綠色、智能和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)和重要引擎。

2 ZigBee模塊

ZigBee是為低數(shù)據(jù)速率、短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信定義的一系列通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)?；?802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，能在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，且只需要很小的能量，就可以通過多跳的方式傳送數(shù)據(jù)。該方法主要適用于智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、智能家居、工業(yè)監(jiān)測、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域， 是嵌入式應(yīng)用的一個熱點(diǎn)。ZigBee主要有如下四個特點(diǎn)：

(1) 低功耗

這是ZigBee 的突出優(yōu)勢。在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié) 5號干電池可支持 1 個節(jié)點(diǎn)工作半年到兩年時間。

(2) 低成本

ZigBee 數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議棧相對于藍(lán)牙、WiFi 簡單， 降低了對通信控制器的要求，而且 ZigBee 免協(xié)議專利費(fèi)，大大降低了成本。

(3) 網(wǎng)絡(luò)容量大

ZigBee 具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和網(wǎng)狀型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最多可組成 65 000 個設(shè)備的大網(wǎng)，且網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)。

(4) 安全可靠

ZigBee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES-128）的對稱密碼，各應(yīng)用可靈活確定其安全屬性。

3 GPRS模塊

GPRS 是 通 用 分 組 無 線 業(yè) 務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）的簡稱，是 GSM Phase2.1 規(guī)范實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容之一，能提供比現(xiàn)有GSM 網(wǎng) 9.6 kb/s 更高的數(shù)據(jù)率。GPRS 的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、頻率、調(diào)頻規(guī)則、突發(fā)結(jié)構(gòu)、TDMA 幀結(jié)構(gòu)與GSM 相同。因此，在GSM 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建 GPRS 系統(tǒng)時，GSM 系統(tǒng)中的絕大部分部件都不需要作硬件改動，只需作軟件升級。

與其他通信體制相比，GPRS 具有很多優(yōu)勢，如資源共享、頻帶利用率高，采用分組交換技術(shù)，可以讓多個用戶共享某些固定的信道資源 ；數(shù)據(jù)傳輸速率高，最高可達(dá) 170 Kb/s 左右， 用戶永遠(yuǎn)在線，接入時間縮短，少于1 s，能提供快速即時的連接，可大幅度提高一些事務(wù)（如信用卡核對，遠(yuǎn)程監(jiān)控等） 的效率 [3]。因此，使用這種通信體制可以在很大程度上提高監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性。

4 物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療系統(tǒng)構(gòu)建

物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要是利用各種醫(yī)療傳感器對人體各種參數(shù)進(jìn)行檢測。并對檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地處理或者通過Internet 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)中心。該系統(tǒng)主要由帶在監(jiān)護(hù)者身上的心電、血壓、脈搏和體溫等生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀與無線監(jiān)護(hù)終端監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲、顯示及用戶管理的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控中心等幾部分組成。物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。

生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀包括心電監(jiān)護(hù)單元、血壓監(jiān)護(hù)單元、血氧監(jiān)護(hù)單元與其它生理參數(shù)（ 體溫、脈搏）監(jiān)護(hù)單元以及用于無線傳輸組網(wǎng)的ZigBee 模塊。該部分具有適應(yīng)性強(qiáng)、使用方便、體積小、功耗低等特點(diǎn)。使用ZigBee 技術(shù)使生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀和無線監(jiān)護(hù)終端分離開，進(jìn)一步縮小了監(jiān)護(hù)儀的體積，便于用戶隨身攜帶。監(jiān)護(hù)者可以根據(jù)自身的情況或者醫(yī)務(wù)人員的建議，對身體的各種生理參數(shù)進(jìn)行檢測，把內(nèi)嵌的ZigBee 模塊的微型醫(yī)療傳感器佩戴在身上，在不影響正?；顒拥那疤嵯?，將檢測到的各種生理參數(shù)通過 ZigBee 技術(shù)傳送到無線監(jiān)控終端。

無線監(jiān)護(hù)終端主要用于數(shù)據(jù)的傳輸，包括ZigBee通信、GPRS通信、數(shù)據(jù)記錄、液晶顯示、電源管理等模塊，該部分包括兩個流向的數(shù)據(jù)。從監(jiān)護(hù)儀出發(fā)的采集數(shù)據(jù)到達(dá)無線監(jiān)護(hù)端，經(jīng)過一定的處理后可以顯示、保存數(shù)據(jù)或者通過GPRS 通信進(jìn)行上傳；從遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)出的查詢數(shù)據(jù)到達(dá)無線監(jiān)護(hù)終端，經(jīng)過一定處理后通過無線方式到達(dá)監(jiān)護(hù)儀端，監(jiān)護(hù)儀按照查詢條件上傳符合要求的數(shù)據(jù)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通常具有較強(qiáng)的處理能力、存儲能力和通信能力，本文采用B/S 模式的ASP.NET 技術(shù)開發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)[4]，使專業(yè)醫(yī)療人員以動態(tài)網(wǎng)頁的形式瀏覽、查詢并對被監(jiān)護(hù)人員作出診斷。該系統(tǒng)平臺將上傳的數(shù)據(jù)與被監(jiān)護(hù)人員的基本信息進(jìn)行綁定，結(jié)合醫(yī)療專家知識庫，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，并在監(jiān)護(hù)中心終端上以動態(tài)網(wǎng)頁的形式顯示，專業(yè)醫(yī)療人員通過顯示的信息和分析結(jié)果對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，通過操作平臺界面發(fā)出符合一定規(guī)范的診療建議信息，經(jīng)由呼叫中心或短信中心系統(tǒng)等通知用戶。該 ASP.NET 監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)比較簡便，能使專業(yè)醫(yī)療人員方便地對后臺數(shù)據(jù)庫、分布式數(shù)據(jù)庫進(jìn)行添加、刪除、修改、查詢等操作，且能夠?qū)崿F(xiàn)分頁技術(shù)，用戶對海量數(shù)據(jù)的查詢一目了然。

5 結(jié) 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，勢必在醫(yī)療系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，并將對實(shí)現(xiàn)全球范圍的“智慧醫(yī)療”起到積極有效的推動作用。本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本原理，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中所涉及的短距離和遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)，最后，提出一種新的基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，利用插件式監(jiān)護(hù)方式，實(shí)現(xiàn)多種生理參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控。該系統(tǒng)可以改善公眾醫(yī)療尤其是弱勢群體的醫(yī)療衛(wèi)生條件，節(jié)約了患者的時間和醫(yī)療成本， 均衡利用了優(yōu)勢醫(yī)療資源，提高了醫(yī)療診治水平與效率。