基于ZigBee的遠(yuǎn)程智能醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

0 引 言

隨著物聯(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(yī)療衛(wèi)生行業(yè)帶來了深遠(yuǎn)的影響?！拔锫?lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)” 成為了人們關(guān)注的另一個焦點，“物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)”是復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院在第七屆上海國際呼吸研究研討會上向國內(nèi)醫(yī)學(xué)界提出的。

所謂物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)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(yī)療檢測設(shè)備里，醫(yī)生可通過手機或電腦連接到該終端，實時地實現(xiàn)對病人全天候、遠(yuǎn)程檢測及診斷。

1 遠(yuǎn)程智能醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

針對物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)提倡的全方位互聯(lián)的特點，本文將ZigBee 和GPRS 技術(shù)相結(jié)合，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，設(shè)計了對智能醫(yī)療多監(jiān)護(hù)參數(shù)進(jìn)行處理、傳輸和可視化的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)配置一處或者多處血壓、體溫、血氧和脈搏傳感器，組成ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為低功耗、低復(fù)雜度、低成本且可自動組網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，支持傳感器信息采集、傳輸和處理，可以將不同點的多個傳感器數(shù)據(jù)利用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，同時結(jié)合GPRS 技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，改變了傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)需要依托有線公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗疲鉀Q了同時安裝大量檢測裝置、布線量大、線路維護(hù)和更改困難的難題，使網(wǎng)絡(luò)顯示出巨大的優(yōu)勢。

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圖1 所示是遠(yuǎn)程智能醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)圖。該系統(tǒng)將信息通過HTTP POST 數(shù)據(jù)包上傳到互聯(lián)網(wǎng)云端Yeelink 平臺，從而實現(xiàn)對體征數(shù)據(jù)的實時采集、處理、可視化和遠(yuǎn)程監(jiān)測。

實際測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，方便擴(kuò)展、實時性強。

2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件設(shè)計

設(shè)計實現(xiàn)了一種基于STC12C5A60S2 為主控芯片的智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，單片機負(fù)責(zé)GPRS 與ZigBee 網(wǎng)絡(luò)之間的雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，網(wǎng)關(guān)實際上是一個基于GPRS 協(xié)議和ZigBee 協(xié)議的轉(zhuǎn)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(diào)器的作用，主要工作包括ZigBee 組網(wǎng)組建、監(jiān)聽終端節(jié)點以及與終端節(jié)點之間的雙向通信等;另外，網(wǎng)關(guān)節(jié)點還承擔(dān)GPRS 協(xié)議與ZigBee 協(xié)議間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，GPRS 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，以及處理GSM 短信息查詢等任務(wù)。

該系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)硬件節(jié)點電路分為ZigBee 通信模塊、GPRS 通信模塊和電源供電模塊。網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

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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(tǒng)的電源模塊將9V 的電壓輸入轉(zhuǎn)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：一是系統(tǒng)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大造成電源芯片發(fā)熱、燒毀;其二是本系統(tǒng)通過LDO 芯片LM2575-5 和LM1117-3.3 兩級降壓，設(shè)計電源精度為98%，紋波為30 mV，能滿足系統(tǒng)要求。

2.2 ZigBee 通信模塊

ZigBee 通信模塊是基于TI 公司CC2530F256 芯片，內(nèi)部運行ZigBee2007/PRO 協(xié)議棧，具有ZigBee 的全部特性。針對復(fù)雜的ZigBee 協(xié)議，本模塊將協(xié)議棧嵌入模塊內(nèi)部，只留出串口，在與主控芯片通信時無需考慮ZigBee 內(nèi)部協(xié)議棧，只需要讀寫串口即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，簡單易用，可大大減少開發(fā)周期。ZigBee 模塊可通過串口連接到PC，可直接配置參數(shù)設(shè)置為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器為最初加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址(16 位)，每個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)需要唯一的一個協(xié)調(diào)器;路由器可以接收、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，起到路由和中繼的作用;終端節(jié)點通常為電池供電的低功耗設(shè)備，用于采集傳感器數(shù)據(jù)，周期性發(fā)送數(shù)據(jù)。ZigBee 組網(wǎng)狀況使用Sensor Monitor 軟件觀察。本網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)，因此只用到ZigBee 協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點。圖3 所示是星型網(wǎng)狀的ZigBee 組網(wǎng)。

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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(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議模塊，使用簡單，支持GSM Rec.07.07/07.05 及其特有擴(kuò)展指令集，通過UART 控制，與單片機通過串口直接通信。

3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括2 個部分：網(wǎng)關(guān)軟件和監(jiān)控中心管理軟件。網(wǎng)關(guān)的軟件開發(fā)平臺為Keil C51，ZigBee 內(nèi)部運行ZigBee2007/PRO 協(xié)議棧，ZigBee 組網(wǎng)監(jiān)控軟件為SensorMonitor，監(jiān)控中心PC 服務(wù)管理軟件開發(fā)平臺為云端Yeelink.

3.1 ZigBee/GPRS 網(wǎng)關(guān)的程序設(shè)計

ZigBee/GPRS 網(wǎng)關(guān)的程序流程如圖4 所示。系統(tǒng)上電后網(wǎng)關(guān)節(jié)點進(jìn)行初始化操作，接著搜索空閑工作信道、啟動ZigBee 網(wǎng)絡(luò)并等待終端節(jié)點的連接請求。待所有終端節(jié)點成功加入ZigBee 網(wǎng)絡(luò)后，進(jìn)入等待狀態(tài)，直到監(jiān)測平臺發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，則將該命令經(jīng)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至所有終端節(jié)點。

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