潘玲蓉，毛云川，宋鐵成，沈連豐

(東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210096)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用逐漸拓展到社會生活的各個方面，智能醫(yī)護(hù)也是物聯(lián)網(wǎng)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域［1］。

本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能醫(yī)護(hù)系統(tǒng)的總體方案，搭建了一個能夠模擬無人值守的自動醫(yī)療監(jiān)護(hù)站的硬件實驗平臺。通過合理地設(shè)計軟件模塊，可用于區(qū)域范圍內(nèi)重點人群的醫(yī)療監(jiān)護(hù)［2］。采用無線通信技術(shù)進(jìn)行醫(yī)療數(shù)據(jù)傳輸，使得醫(yī)生不必長期在醫(yī)療站坐診，只要定期查看監(jiān)護(hù)報表和查收手機(jī)短信息即可獲知患者情況，并對體征異常的患者提供有針對性的診療和藥品等服務(wù)。本文提出的醫(yī)護(hù)系統(tǒng)可用于住宅小區(qū)內(nèi)，既能夠減輕患者在診療費用方面的負(fù)擔(dān)及往返醫(yī)院帶來的不便，又能夠有效提高醫(yī)生的診療效率。本系統(tǒng)也能為物聯(lián)網(wǎng)的其他智能應(yīng)用提供一定的借鑒作用［3-4］。

1 智能醫(yī)護(hù)系統(tǒng)總體方案

為了提供綜合性的醫(yī)療服務(wù)，本系統(tǒng)設(shè)計有如下幾項功能。

(1)通過社區(qū)內(nèi)重點護(hù)理人員持有的RFID技術(shù)標(biāo)簽，完成身份驗證功能，自動為待測人員安排位置并給出提示。通過數(shù)字化的醫(yī)療設(shè)備獲取待測人員的實時身體狀況數(shù)據(jù)和設(shè)備的本地信息。

(2)每個診位均將測量數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點，記錄待測人員的ID標(biāo)簽號及其各項體征值。

(3)每個侍測人員測量結(jié)束后，主節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送給計算機(jī)存檔，并將結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)庫中。若結(jié)果異常，則將測試結(jié)果發(fā)送至指定手機(jī)。醫(yī)生根據(jù)先待測人員身體現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和醫(yī)療歷史數(shù)據(jù)，評估健康水平和身體老化程度［5］。

根據(jù)上述功能要求，本文構(gòu)建了中小型社區(qū)診所內(nèi)的自助型醫(yī)療監(jiān)護(hù)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能醫(yī)護(hù)系統(tǒng)總體方案圖

本文研制的智能醫(yī)護(hù)系統(tǒng)由硬件平臺和軟件平臺構(gòu)成。硬件平臺包括PC機(jī)、和PC機(jī)用串口相連的物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點、TD-SCDMA模塊和幾個與主節(jié)點相連的從節(jié)點。其中一個從節(jié)點與RFID模塊相連，其它從節(jié)點上都配有數(shù)字化醫(yī)用傳感器。軟件系統(tǒng)包括物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點的燒寫程序和PC機(jī)上的上位機(jī)程序。

物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點共同組成網(wǎng)狀ZigBee網(wǎng)絡(luò)以完成無線傳輸。物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點用于接收數(shù)據(jù)并向從節(jié)點傳輸控制命令，從節(jié)點用于傳感器數(shù)據(jù)和RFID數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)匯集至連接主節(jié)點的PC機(jī)，并由PC機(jī)上的上位機(jī)程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和分析功能。社區(qū)內(nèi)的重點護(hù)理人員均持有基于RFID技術(shù)的標(biāo)簽，通過標(biāo)簽完成身份驗證即可在從節(jié)點進(jìn)行自助式測量。完成測量過程后，系統(tǒng)會自動將測量數(shù)據(jù)匯總至社區(qū)診所的醫(yī)療檔案存檔。對于體征不正常者，系統(tǒng)通過與PC機(jī)相連的TD-SCDMA模塊將測量記錄以短信形式發(fā)送至指定醫(yī)師的手機(jī)上，醫(yī)師會給出治療建議并提供及時的醫(yī)療服務(wù)。

2 硬件平臺的設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括三部分:物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點構(gòu)成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)、RFID讀寫系統(tǒng)和接入3G網(wǎng)絡(luò)模塊。

物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的組建與維護(hù)、各種傳感器數(shù)據(jù)的獲取及傳輸?shù)裙δ?，因此必須具備ZigBee通信模塊和傳感器擴(kuò)展接口。主要節(jié)點以CPU為核心的硬件框圖如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點硬件框圖

節(jié)點中的IEEE802.15.4收發(fā)器和運行于CPU上的ZigBee協(xié)議棧共同實現(xiàn)無線組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸功能。主節(jié)點電源采用外部電源供電，從節(jié)點由于其移動性采用電池供電。CPU和IEEE802.15.4收發(fā)器可以選擇英國Jennic的JN5139。這是一款單芯片的ZigBee基帶和射頻模塊，能夠便捷地實現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的組建與管理以及數(shù)據(jù)的無線傳輸。由于JN5139內(nèi)置處理器是32位RISC內(nèi)核，速度高達(dá)16MHz，所以可采用此作為節(jié)點的CPU，省去了采用獨立CPU的成本，并且簡化了硬件結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)傳輸接口采用JN5139自帶的UART端口。主節(jié)點通過此端口與PC機(jī)連接，上傳數(shù)據(jù)并接收來自上位機(jī)軟件的指令，從節(jié)點可通過此端口與RFID讀寫模塊連接，作為RFID系統(tǒng)接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的接口。

從節(jié)點上的板載傳感器包括通用傳感器和醫(yī)用傳感器，其中醫(yī)用傳感器可選用任何數(shù)字化的測試生命體征指標(biāo)傳感器。我們以華科電子研究所提供的HKX-08A型心率傳感器模塊為例，它是一款將模擬信號處理與數(shù)字處理技術(shù)集成于一體的檢測心率的電路模塊，從節(jié)點可以通過串口獲得其心率數(shù)據(jù)。此外，為了滿足心率傳感器的處理需要，可添加STC12LE5A56AD微處理器單元。

在本系統(tǒng)中RFID用來標(biāo)示人員的身份，以驗證其合法性。RFID系統(tǒng)包括讀寫模塊和標(biāo)簽，本系統(tǒng)中的讀寫模塊選用恒睿電子的RMU900+。這是一款工作于840-960MHz頻段范圍的超小型化的UHF RFID讀寫模塊，集成了PLL、無線發(fā)射、無線接收、耦合器以及 MCU等部件，支持 EPC C1GEN2/ISO 18000-6C和ISO/IEC18000-6B等協(xié)議，可通過UART與物聯(lián)網(wǎng)從節(jié)點連接并上傳標(biāo)簽ID等信息。本系統(tǒng)中的人員身份標(biāo)簽可選用傳統(tǒng)的卡片式電子標(biāo)簽。

另外，在本系統(tǒng)中，我們可以使用南京東大移動互聯(lián)公司提供的TD-SCDMA模塊將ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入公網(wǎng)。該模塊對TD－SCDMA的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和信令交互流程進(jìn)行深入剖析，實現(xiàn)了3G的基本通話、視頻通話、多媒體彩鈴、多媒體彩信、高速上網(wǎng)及TCP/IP等主流應(yīng)用功能。通過設(shè)定指令可以將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給指定的手機(jī)號碼。

3 核心軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)所有軟件包括物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點軟件和PC機(jī)上的上位機(jī)軟件。

物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點軟件可以在Jennic公司提供的Codeblocks平臺上用C語言編寫。軟件的主要功能是將從節(jié)點上的人員心率數(shù)據(jù)和ID數(shù)據(jù)無線傳輸給主節(jié)點，主節(jié)點再將數(shù)據(jù)傳輸給與之相連的PC機(jī)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲和分析。

PC機(jī)的上位機(jī)軟件采用 Delphi語言編寫。Delphi具有豐富而強(qiáng)大的界面實現(xiàn)控件，可以實現(xiàn)出非常友好的用戶操作界面。

上位機(jī)軟件具有初始化物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點、顯示系統(tǒng)運行時的各種提示信息、顯示和管理各個節(jié)點的接入信息和實時狀況、人員身份驗證、進(jìn)行生命體征指標(biāo)測量、查看人員記錄、給出診斷信息和將測量結(jié)果關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)送給指定手機(jī)等諸多功能。軟件的設(shè)計流程為建立物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點與各個從節(jié)點之間的無線網(wǎng)絡(luò)后，所有人都可以使用自己的身份卡完成各種體征指標(biāo)的測量工作，如圖3所示。

圖3 智能醫(yī)護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用程序流程圖

系統(tǒng)給用戶發(fā)放RFID人員身份卡，若標(biāo)簽ID已存在于數(shù)據(jù)庫內(nèi)，說明該用戶是授權(quán)用戶。授權(quán)用戶一旦進(jìn)入系統(tǒng)即可被識別身份，系統(tǒng)根據(jù)各當(dāng)前節(jié)點的使用情況自動分配一臺醫(yī)療設(shè)備供其使用。若有空閑節(jié)點，系統(tǒng)給出分配節(jié)點的提示信息，用戶進(jìn)入節(jié)點進(jìn)行10秒一次的心率采集，測量時長為兩分鐘;若節(jié)點都有人員在測量心率，則提示用戶等待。用戶完成測量后，體征數(shù)據(jù)立即通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至主節(jié)點，主節(jié)點將數(shù)據(jù)交由PC存檔，同時進(jìn)行初步分析。如果分析認(rèn)為數(shù)據(jù)正常，則本次測量完成;如果分析發(fā)現(xiàn)有病情隱患，則將用戶身份信息和測量結(jié)果通過短信發(fā)送至指定醫(yī)生手機(jī)，使得醫(yī)生可以第一時間獲悉病情并聯(lián)系用戶采取進(jìn)一步的診療措施。

3.1 軟件平臺的初始化

軟件平臺的初始化包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建、TDSCDMA模塊的初始化和所有授權(quán)用戶ID入庫，完成初始化步驟后，才能進(jìn)行人員心率的監(jiān)測。

1)ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建

物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點上電后使自動運行程序。主節(jié)點接收到上位機(jī)發(fā)出的初始化命令后，每一個主從節(jié)點的IEEE 802.15.4協(xié)議棧使對其PHY和MAC層進(jìn)行初始化的工作。主節(jié)點選擇PAN ID、自身的短地址和本網(wǎng)絡(luò)的射頻頻率后，就可以通過開放對于加入網(wǎng)絡(luò)請求的應(yīng)答來啟動網(wǎng)絡(luò)。從節(jié)點進(jìn)行頻道掃描時，將在特定的頻率通道中發(fā)送信標(biāo)請求。當(dāng)主節(jié)點檢測到該信標(biāo)請求后，它將回應(yīng)相應(yīng)的信標(biāo)來向設(shè)備標(biāo)識自己。主節(jié)點將決定是否具有足夠的資源接受新的設(shè)備，并且決定是否接受和拒絕設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。如果接受了設(shè)備，它將發(fā)送一個16位的短地址給設(shè)備，作為設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)識。所有設(shè)備完成這些步驟后，ZigBee網(wǎng)絡(luò)就組建完成了。

2)接入3G網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

系統(tǒng)中的發(fā)送短信功能由TD-SCDMA模塊實現(xiàn)。選擇PC機(jī)與TD-SCDMA模塊相連的串口并將模塊成功復(fù)位后，上位機(jī)軟件即能通過串口向該模塊發(fā)送指令啟動模塊。成功啟動該模塊后方能啟用短信提示功能，在“目標(biāo)號碼文本框”中輸入要發(fā)送短信的目標(biāo)號碼，勾選“啟用短信提示功能”前的方框，則開啟短信提示功能。TD-SCDMA模塊就可通過向3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送AT指令來完成自動向指定目標(biāo)號碼發(fā)送短信的任務(wù)。

3)基于ADO的數(shù)據(jù)庫鏈接

智能醫(yī)護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存儲各心率采集節(jié)點的數(shù)據(jù)信息如用戶ID號、姓名、測量記錄值和采樣時間等并對這些信息進(jìn)行有效的歸納匯總。本系統(tǒng)采用Microsoft SQL Sever作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其中有兩個最重要的數(shù)據(jù)庫。一個用來存儲用戶ID和用戶姓名，它以用戶ID作為主鍵，每個用戶ID對應(yīng)一條不重復(fù)的記錄，用戶只有在通過認(rèn)證后才能進(jìn)入本醫(yī)護(hù)系統(tǒng)使用系統(tǒng)提供的測試心率的功能;另一個用來記錄用戶每次進(jìn)行心率測試后得到的醫(yī)療數(shù)據(jù)。

Delphi可以為我們提供三種數(shù)據(jù)庫連接技術(shù)，它們分別是ADO、ODBC和BDE，本系統(tǒng)使用的是ADO技術(shù)。Delphi很好地封裝了ADO對象，提供了連接組件和數(shù)據(jù)集組件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的各種操作［6］。上位機(jī)程序打開后，自動建立對存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)“PC-201110070979”上的“medical_care”數(shù)據(jù)庫的鏈接，系統(tǒng)所有的管理功能實現(xiàn)都建立在這個鏈接的基礎(chǔ)之上。

4 聯(lián)調(diào)與測試

搭建好硬件平臺并將物聯(lián)網(wǎng)各個節(jié)點的程序燒寫完畢之后，就可以運行上位機(jī)軟件對本系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作。初始化操作完成后，我們就能使用上位機(jī)程序控制本系統(tǒng)。程序運行時的界面如圖4所示。窗口左上角用于發(fā)出初始化物聯(lián)網(wǎng)命令，左下部TD-SCDMA設(shè)置用于選擇是否開啟自動發(fā)送短信的功能和設(shè)置發(fā)送短信的目標(biāo)手機(jī)號碼。下方的Listview中顯示上位機(jī)操作時的各種提示信息。右上部的心率監(jiān)控主窗體上直觀、實時地顯示用戶在各心率采集節(jié)點進(jìn)行心率測量的信息如已經(jīng)采集到的心率值個數(shù)、當(dāng)前采集到的心率值和在此節(jié)點上測量心率的用戶姓名。通過以上測試，證實了上位機(jī)能達(dá)到我們預(yù)期設(shè)計的功能，可以有效管理整個系統(tǒng)的運作。

研制系統(tǒng)已經(jīng)在一些中小型社區(qū)診所內(nèi)試用，能有效地監(jiān)測人員的身體健康狀況。本文介紹的系統(tǒng)對其它物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也有借鑒作用。

圖4 智能醫(yī)護(hù)系統(tǒng)運行時的上位機(jī)界面

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