ZigBee和GPRS在遠(yuǎn)程智能醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，結(jié)合ZigBee和GPRS各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，提出了一種基于ZigBee通信技術(shù)和GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的遠(yuǎn)程智能醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案基于高速低耗的主控單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議、TCP/IP、GPRS和GSM的協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，可運(yùn)用于醫(yī)療監(jiān)護(hù)及各類需要無(wú)線接入物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)發(fā)需求，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)云端Yeelink平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的功能。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，方便擴(kuò)展、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

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(lái)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(gè)焦點(diǎn)，“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(guó)際呼吸研究研討會(huì)上向國(guó)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(cè)設(shè)備里，醫(yī)生可通過(guò)手機(jī)或電腦連接到該終端，實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)對(duì)病人全天候、遠(yuǎn)程檢測(cè)及診斷。

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

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)提倡的全方位互聯(lián)的特點(diǎn)，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(jì)了對(duì)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(wú)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(dòng)組網(wǎng)的無(wú)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(diǎn)的多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，同時(shí)結(jié)合GPRS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，改變了傳統(tǒng)無(wú)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?，解決了同時(shí)安裝大量檢測(cè)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(shì)。

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(guò)HTTP POST 數(shù)據(jù)包上傳到互聯(lián)網(wǎng)云端Yeelink 平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)體征數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、可視化和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，方便擴(kuò)展、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)實(shí)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(jī)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(shí)際上是一個(gè)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(diǎn)以及與終端節(jié)點(diǎn)之間的雙向通信等；另外，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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。

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(diǎn)：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(guò)大造成電源芯片發(fā)熱、燒毀；其二是本系統(tǒng)通過(guò)LDO 芯片LM2575-5 和LM1117-3.3 兩級(jí)降壓，設(shè)計(jì)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(yùn)行ZigBee2007/PRO 協(xié)議棧，具有ZigBee 的全部特性。針對(duì)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(shí)無(wú)需考慮ZigBee 內(nèi)部協(xié)議棧，只需要讀寫串口即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，簡(jiǎn)單易用，可大大減少開發(fā)周期。ZigBee 模塊可通過(guò)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(diǎn)。協(xié)調(diào)器為最初加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址（16 位），每個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)需要唯一的一個(gè)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(diǎn)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(diǎn)。圖3 所示是星型網(wǎng)狀的ZigBee 組網(wǎng)。

2.3 GPRS 通信模塊

GPRS 模塊使用的是龍尚的A8000， 其采用德國(guó)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(jiǎn)單，支持GSM Rec.07.07/07.05 及其特有擴(kuò)展指令集，通過(guò)UART 控制，與單片機(jī)通過(guò)串口直接通信。

3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括2 個(gè)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(tái)為Keil C51，ZigBee 內(nèi)部運(yùn)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(tái)為云端Yeelink.

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

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(diǎn)進(jìn)行初始化操作，接著搜索空閑工作信道、啟動(dòng)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)并等待終端節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求。待所有終端節(jié)點(diǎn)成功加入ZigBee 網(wǎng)絡(luò)后，進(jìn)入等待狀態(tài)，直到監(jiān)測(cè)平臺(tái)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(diǎn)。

終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)命令或者定時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)采集程序獲取當(dāng)前生理數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后上傳至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收集所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、融合，得到統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)包，通過(guò)GPRS 模塊將數(shù)據(jù)包上傳互聯(lián)網(wǎng)云端Yeelink 平臺(tái)，平臺(tái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析工作。

3.2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)指令設(shè)計(jì)

針對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式為階段性喚醒查詢方式，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸方式。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部任意節(jié)點(diǎn)直接通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)指令來(lái)設(shè)置傳輸，指令格式為0XFD+ 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（ 用戶自定義）+目標(biāo)地址+ 數(shù)據(jù)，下面以源節(jié)點(diǎn)（地址0×0001）發(fā)送數(shù)據(jù)01 02 03 04 05 06 到網(wǎng)關(guān)地址（0X143E）為例，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)格式如圖5 所示。

該格式發(fā)送的數(shù)據(jù)為FD 01 3E 14 01 02 03 04，接收到的數(shù)據(jù)也為FD 01 3E 14 01 02 03 04 05 06.但需特別注意數(shù)據(jù)區(qū)的長(zhǎng)度，它可自由定義，不一定等于數(shù)據(jù)區(qū)實(shí)際長(zhǎng)度，也可以作為其他表示用途。目的地址，低位在前，高位在后，合起來(lái)是0X143E.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸具有任意節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)暮锰?，在路由加入網(wǎng)絡(luò)后，短地址不會(huì)發(fā)生改變。目標(biāo)地址=FFFF，為廣播發(fā)送；目標(biāo)地址=0000，則表示發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

3.3 GPRS 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)指令

Yeelink 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是一個(gè)免費(fèi)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，允許用戶將設(shè)備接入到網(wǎng)站，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。利用現(xiàn)成的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可大大節(jié)省開發(fā)周期。以下是單片機(jī)發(fā)送AT 指令控制GPRS 模塊連接互聯(lián)網(wǎng)，并向Yeelink 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送HTTP POST 數(shù)據(jù)包的部分過(guò)程指令：

3.4 系統(tǒng)測(cè)試

本測(cè)試過(guò)程中，以測(cè)量多點(diǎn)室溫為監(jiān)測(cè)量，系統(tǒng)采用階段性的休眠和喚醒狀態(tài)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)每隔1 min 被喚醒一次，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并等待協(xié)調(diào)器發(fā)出傳輸命令將數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)。系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度在互聯(lián)網(wǎng)Yeelink 平臺(tái)的監(jiān)視界面如圖6 所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案將ZigBee 技術(shù)和GPRS 技術(shù)應(yīng)用于生理參數(shù)智能醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守時(shí)被監(jiān)護(hù)人生理參數(shù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、異常情況警告和短信查詢等功能，避免人工測(cè)量的麻煩，減輕醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)，保證受監(jiān)護(hù)人始終處于監(jiān)控狀態(tài)。經(jīng)驗(yàn)證，本方案在實(shí)際運(yùn)行中穩(wěn)定、可靠，可廣泛應(yīng)用于各類無(wú)人值守遠(yuǎn)程智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。（作者：黃沃彬，陳本紋，張志偉，梁雙斌）