艾紅 張素凱

摘 要： 文中闡述遠程監(jiān)護系統(tǒng)總體方案，描述遠程監(jiān)護系統(tǒng)節(jié)點結構圖和節(jié)點組網(wǎng)功能。說明血壓測量站點設計、血壓測量模塊命令和血壓測量流程圖，并進行血氧測量站點和心電測量站點設計。以S5PV210為核心的Tiny210嵌入式平臺，采用Linux操作系統(tǒng)，基于Qt Creator 軟件進行遠程監(jiān)護系統(tǒng)界面設計。將測量的生理數(shù)據(jù)顯示在界面上。ZigBee網(wǎng)絡能夠接收并傳遞測量的生理數(shù)據(jù)，監(jiān)護平臺的圖形界面能夠正常顯示接收的生理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對心電數(shù)據(jù)的實時曲線的繪制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和遠程通信的功能。

關鍵詞： 血壓測量； 心電圖； ZigBee網(wǎng)絡； 遠程通信； 嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號： TN926?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）08?0150?05

Study on physiological parameter monitoring and remote monitoring system

AI Hong， ZHANG Sukai

（Automation Institute， Beijing Information Science & Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract： The overall scheme of the remote monitoring system （RMS） is expounded in this paper. The node structure diagram and node networking function of RMS are described. The design of blood pressure measurement station， command of blood pressure measurement module and flowchart of blood pressure measurement are illustrated. And the blood oxygen saturation measurement station and electrocardiograph （ECG） measurement station are designed. The S5PV210 is taken as the core of Tiny210 embedded platform， in which Linux operating system is adopted. The RMS interface is designed by means of Qt Creator. The measured physiological data is displayed in the interface， and can be received and transfered by ZigBee network. The graphical interface on the monitoring platform can display the received physiological data normally， realize the real?time curve drawing of ECG data， and achieve the functions of data storage and remote communication.

Keywords： blood pressure measurement； electrocardiograph； ZigBee network； remote communication； embedded system

0 引 言

生理參數(shù)監(jiān)測在遠程監(jiān)護系統(tǒng)中作為遠程醫(yī)療的重要組成部分，用于實現(xiàn)患者生理數(shù)據(jù)的采集和實時傳輸。近年來，生物醫(yī)學傳感器和監(jiān)護終端趨向小型化和便攜化，與無線遠程傳輸網(wǎng)絡結合起來，使患者可以在一定范圍內(nèi)自由移動，而不必受監(jiān)護裝置的限制。國內(nèi)外關于遠程監(jiān)護的研究主要集中在幾個方面，圍繞傳感器設計和遠程通信等技術問題，圍繞特定疾病的遠程醫(yī)療方案及其臨床評價；包括便攜式、低功耗的傳感器節(jié)點設計，傳感器節(jié)點的軟硬件平臺體系結構研究和基于網(wǎng)絡的遠程通信方法等問題?？梢酝ㄟ^對特定慢性病實施常規(guī)遠程監(jiān)護有效降低患者的再入院率。利用網(wǎng)絡和傳感器技術實現(xiàn)醫(yī)學信息的測量和遠程傳輸，供醫(yī)院的專家進行遠程診斷，也可以用于動態(tài)跟蹤病態(tài)發(fā)展。遠程監(jiān)護的無線傳感器節(jié)點主要用于采集人體生理指標，并通過一定方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)護平臺。本地終端程序完成對數(shù)據(jù)的采集并無線傳送，主控監(jiān)護平臺接收數(shù)據(jù)并實時顯示。應用程序通過發(fā)送AT指令使數(shù)據(jù)發(fā)往遠程終端。

本文的特點是應用無線網(wǎng)絡，基于ZigBee傳送血壓和血氧參數(shù)，并基于WiFi傳送心電信號，在嵌入式系統(tǒng)平臺上可以顯示出各個參數(shù)和相應曲線。采集的血壓模塊，心電模塊，血氧飽和度等參數(shù)通過串口與ARM處理器連接。再通過GPRS模塊發(fā)送到手機上?？蓪h端患者的主要生理參數(shù)，如心電、血壓、血氧飽和度等進行監(jiān)測。適合自理能力較差的老年人，可以脫離監(jiān)護人員的視線自由活動。

1 遠程監(jiān)護系統(tǒng)總體方案設計

遠程監(jiān)護系統(tǒng)主要由ZigBee網(wǎng)絡、主控監(jiān)護平臺和遠程通信三部分組成。ZigBee網(wǎng)絡的功能是完成各個生理數(shù)據(jù)的采集，將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控監(jiān)護平臺，在主控監(jiān)護平臺的界面中顯示出來，并存儲到數(shù)據(jù)庫中，主控監(jiān)護平臺通過對GPRS模塊進行AT指令控制，將測量的生理數(shù)據(jù)傳送到遠程終端。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 遠程監(jiān)護系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)選用ZigBee技術作為主要的短距離數(shù)據(jù)傳輸技術，ZigBee傳輸數(shù)據(jù)可靠性高、容易實現(xiàn)、功耗低、成本低，對于實時傳輸大量數(shù)據(jù)，則可能會出現(xiàn)傳輸速率低，存在遲滯延時的問題。系統(tǒng)設計中的心電數(shù)據(jù)以實時數(shù)據(jù)包形式發(fā)送，要求顯示實時數(shù)據(jù)曲線，因此加入WiFi技術，WiFi傳輸數(shù)據(jù)速度快，可靠性高，靈活性以及無線覆蓋范圍廣，但功耗較大使用成本較高。為節(jié)約成本，只使用WiFi技術傳輸心電數(shù)據(jù)。因此本設計采用兩種短距離無線傳輸技術，根據(jù)采集到的不同信號特點選擇傳輸方式，能夠使傳輸數(shù)據(jù)更加安全、可靠，也能夠降低成本。系統(tǒng)的主控監(jiān)護平臺以S5PV210為核心，采用Linux操作系統(tǒng)。與PC機比較，嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點可以概括為體積小、成本低、可靠性高、穩(wěn)定性好及功耗低等，嵌入式Linux源代碼開放、系統(tǒng)內(nèi)核可裁剪、內(nèi)核網(wǎng)絡結構完整，所以選擇它作為操作系統(tǒng)。監(jiān)護平臺的界面程序是基于Qt/Embedded設計開發(fā)的，Qt/Embedded開源免費，采用Qt/Embedded開發(fā)工具，能夠使在PC機上開發(fā)的應用程序在稍加修改的情況下就能夠運行在基于Qt/Embedded的嵌入式平臺上，應用程序具有高度的可移植性。系統(tǒng)的遠程通信部分采用GPRS遠程傳輸技術，GPRS技術具有傳輸速率高、覆蓋范圍廣、操作簡單等特點，在遠程數(shù)據(jù)傳輸中具有獨特的優(yōu)勢，只需要對GPRS模塊進行相應的指令控制就能夠?qū)崿F(xiàn)遠程通信。

2 血壓測量站點設計

2.1 血壓測量模塊常用指令

血壓測量站點由血壓測量板和血壓傳感器兩部分組成，血壓測量模塊為SUPER NIBP 200A，支持成人、小兒、新生兒三種病人模式，測量范圍寬。SUPER NIBP 200A通過串口與微處理器通信，接收外部命令，完成相應操作，返回系統(tǒng)狀態(tài)和相應數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為起始位+8位數(shù)據(jù)位+1位停止位，波特率設為4 800 b/s。

SUPER NIBP 200A的當前狀態(tài)可由微處理器通過相應的指令進行控制。

微處理器向傳感器發(fā)送的命令格式為：

ab；；cd

其中：為ASCII碼的正文起始標志，其值為02；ab為命令代碼對應的ASCII碼值；符號；為“；”對應的ASCII碼值；cd為2位十六進制校驗和對應的 ASCII 碼值，校驗和是此前各位數(shù)值之和的低8位，不包括； 為ASCII碼的正文結束標志，其值為03。在程序中定義一個結構體，用于存放微處理器發(fā)送的指令格式。

SUPER NIBP 200A模塊測量方式有自動測量、手動測量和連續(xù)測量等，自動測量方式又可以按照周期不同進行細致劃分，可設置47條指令用于控制SUPER NIBP 200A的模塊功能。部分指令如表1所示。

2.2 血壓測量流程圖

血壓測量站點的應用層主要完成血壓數(shù)據(jù)的采集，通過對血壓測量模塊通信協(xié)議和指令的分析，實現(xiàn)血壓數(shù)據(jù)的采集。血壓測量流程圖如圖2所示。

血壓測量站點實物圖如圖3所示。

2.3 血氧測量站點設計

血氧測量站點由血氧測量板和血氧傳感器兩部分組成，實物圖如圖4所示。

血氧飽和度SPO2，即血液中血氧的濃度，是血液中被氧結合的氧合血紅蛋白的容量占全部可結合的血紅蛋白容量的百分比，是反映血液循環(huán)系統(tǒng)和呼吸循環(huán)的重要參數(shù)之一。SPO2監(jiān)測是一種無創(chuàng)性技術通過測量所選光波波長的吸收來測定氧合血紅蛋白及脈率。測量的具體方法是將指尖部位插入在指套式傳感器，使其位于兩個發(fā)光管和一個光探測器之間，測量時兩個發(fā)光管交替發(fā)光，光探測器接收透射光信號，獲取脈搏波然后通過數(shù)字處理，根據(jù)血氧飽和度的測量模型計算血氧飽和度。

血氧板能夠提供快速準確的血氧飽和度和脈率的測量。血氧板通過串口與微處理器通信，數(shù)據(jù)格式為起始位+8位數(shù)據(jù)位+1位停止位，波特率設為4 800 b/s。血氧板將測量的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給微處理器，數(shù)據(jù)包為5 B格式，每秒鐘發(fā)送60個包。程序設計中定義一個結構體，用來存放血氧板發(fā)送的數(shù)據(jù)包，血氧板可以測量的生理數(shù)據(jù)有脈率和動脈血氧飽和度等。

2.4 心電測量站點設計

心電測量板集成了ZigBee模塊CC2530、WiFi模塊和心電測量模塊Mini8001等，ZigBee模塊實現(xiàn)加入ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建的網(wǎng)絡。由于心電測量的數(shù)據(jù)要求實時顯示，數(shù)據(jù)包大，ZigBee已經(jīng)滿足不了需求，采用WiFi模塊進行心電數(shù)據(jù)的傳輸。心電測量模塊主要是用來測量心電數(shù)據(jù)。模擬心電信號發(fā)生器產(chǎn)生模擬人體心電動態(tài)信號，順序產(chǎn)生P波、RS波、T波等正常人的連續(xù)心電信號。

2.4.1 心電測量原理

心電監(jiān)護是檢測和預防心律失常的重要手段。心律失常是一種極其常見而又非常重要的心電活動異常狀態(tài)，常見的綜合癥狀有血液循環(huán)失常、心動過緩、心動過速等，嚴重的甚至會猝死。心電圖指的是心臟在每個心動周期中，由起搏點、心房、心室相繼興奮，伴隨著心電圖生物電的變化，通過心電描記器從體表引出多種形式的電位變化圖形（ECG），心臟有節(jié)奏的收縮和舒張，使心肌產(chǎn)生的電激動沿著特殊的傳導系統(tǒng)下傳，產(chǎn)生一系列的電生理變化，通過在體表放置兩個電極，獲取這些電信號，兩點電極之間的電位差，形成一條連續(xù)的曲線，這條連續(xù)的曲線就是ECG。一個完整的 ECG 波反映了心臟跳動不同階段的狀態(tài)，一般有由P波、QRS 綜合波、T波和U波組成。

2.4.2 心電測量模塊

系統(tǒng)采用Mini8001心電測量模塊通過異步串行通信與微處理器進行通信，數(shù)據(jù)格式為起始位+8位數(shù)據(jù)位+1位停止位，波特率設為57 600 b/s。發(fā)送數(shù)據(jù)包格式如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)包格式

基本格式說明：

（1） 01H是包開始標志，之后的是數(shù)據(jù)字節(jié)，都大于0x80。

（2） 高位字節(jié)包含了后面字節(jié)的最高位bit7，Bit0是ECG的bit7，Bit1是心率低字節(jié)的bit7，Bit2是心率高字節(jié)的bit7，Bit3是心率STATUS的bit7，Bit4～Bit6沒有使用，Bit7固定是1。

（3） ECG心率低字節(jié)、心率高字節(jié)，它們的Bit7固定為1，數(shù)據(jù)的bit7在高位字節(jié)中：

心率 = 心率高字節(jié)[×]256 +心率低字節(jié)

在程序中定義一個結構體用來存儲心電測量模塊測量的數(shù)據(jù)。

typedef struct ECGReceivePacket{

unsigned char ucHead；

unsigned char ucHighByte；

unsigned char ucECG；

unsigned char ucHeartRateLowByte；

unsigned char ucHeartRateHighByte；

unsigned char ucStatus；

}ECGReceivePacket；

心電測量站點程序設計主要是對ZigBee協(xié)議棧的應用層設計，在應用層需要完成心電數(shù)據(jù)的采集和傳輸。心電數(shù)據(jù)是實時顯示，采用WiFi傳輸。心電測量模塊Mini8001將模擬心電信號發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送給WiFi模塊。心電數(shù)據(jù)顯示流程圖如圖5所示。

2.5 遠程監(jiān)護系統(tǒng)界面設計

遠程監(jiān)護系統(tǒng)監(jiān)護平臺界面程序是基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)平臺，使用Qt Creator軟件設計實現(xiàn)顯示和存儲數(shù)據(jù)功能。界面設計分為歡迎界面、顯示界面、遠程通信界面和數(shù)據(jù)庫存儲界面。首先進入歡迎界面，延時3 s后進入到顯示界面，此時給各個測量站點上電，可以將測量的生理數(shù)據(jù)顯示在界面上。進入遠程通信界面，執(zhí)行相應操作可將生理數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程終端，進入數(shù)據(jù)庫存儲界面可查看測量歷史數(shù)據(jù)。顯示界面顯示測量的生理數(shù)據(jù)，并且提供到各個界面的跳轉(zhuǎn)功能。

2.5.1 監(jiān)護系統(tǒng)界面設計工作流程圖

血氧和脈率的數(shù)據(jù)通過血氧測量站點測得，血壓數(shù)據(jù)通過血壓測量站點測得，這兩者都是通過協(xié)調(diào)器串口傳送到主控監(jiān)護平臺。測量的心電數(shù)據(jù)通過WiFi直接傳送給主控監(jiān)護平臺，并以實時曲線的方式顯示。監(jiān)護系統(tǒng)界面設計工作流程圖如圖6所示。

2.5.2 遠程通信功能

遠程通信界面模擬手機的基本功能，實現(xiàn)了對測量數(shù)據(jù)的遠程發(fā)送。設置0～9十個數(shù)字鍵，按下相應的按鈕，就會在對應的文本框中顯示相應的數(shù)字。利用信號和槽機制，按下按鈕激活click（）信號，執(zhí)行相應的槽函數(shù)。對GPRS模塊進行AT指令的控制。當按下sendMsg按鈕時，click（）信號被觸發(fā)，則調(diào)用相應的槽函數(shù)gprs_send_message（）。

當測量數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)護平臺后，在顯示界面的相應位置顯示出來，同時將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，方便醫(yī)生和病患日后查看。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫是針對某個病人設計的，數(shù)據(jù)存儲量較小。使用數(shù)據(jù)庫軟件設計生成數(shù)據(jù)庫文件look_history.db，并將該文件拷貝到應用程序工程中。在界面程序中，需要添加SQLITE數(shù)據(jù)庫驅(qū)動，并且將數(shù)據(jù)庫名稱設置成需要的數(shù)據(jù)庫文件名。將遠程監(jiān)護系統(tǒng)的程序在虛擬機的Fedroa14環(huán)境下編譯，將生成的可執(zhí)行文件yuancheng和數(shù)據(jù)庫文件look_history.db通過SD卡拷貝到開發(fā)板目錄/bin，改變這兩個文件的可執(zhí)行權限，編寫腳本文件setqt4env，配置Qt4.7的環(huán)境變量。將此應用程序設置成開機自啟動，將文件/etc/init.d/rcS中的/bin/qtopia &替換成需要執(zhí)行的程序。這樣，每次開機，程序就會自動執(zhí)行并進入到遠程監(jiān)護系統(tǒng)的歡迎界面。搭建好遠程監(jiān)護系統(tǒng)，系統(tǒng)上電，各測量站點和協(xié)調(diào)器上電，等待幾秒，待ZigBee組網(wǎng)成功后，依次按下各測量站點的測量按鍵進行測量，每個站點測量完成后將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，如果此時點擊“遠程通信”按鈕，進入遠程通信界面如圖7所示。

遠程通信界面中短信編輯區(qū)可以顯示測量數(shù)據(jù)，在電話號碼編輯區(qū)輸入手機號，點擊“sendMsg”按鈕，將測量信息發(fā)送出去，或者點擊“call”按鈕，建立通話連接。如果點擊“歷史記錄”按鈕，進入數(shù)據(jù)庫界面，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)將測量的數(shù)據(jù)存入了數(shù)據(jù)庫中如圖8所示。

3 結 語

遠程監(jiān)護系統(tǒng)的設計研究具有十分重要的意義。對患者的生理參數(shù)可以進行實時監(jiān)測，并通過無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送至主控監(jiān)護平臺，主控監(jiān)護平臺對數(shù)據(jù)進行實時處理和分析。通過主控監(jiān)護平臺的顯示屏隨時了解健康狀況。遠程監(jiān)護借助于ARM處理器、傳感技術和現(xiàn)代無線通信技術，是一種體積小、功耗低、實時安全的便攜式人體健康參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)。對正常人的生理參數(shù)進行監(jiān)護，可以評估個人的健康狀況，適時調(diào)整生活習慣，從而達到預防疾病的目的。

參考文獻

[1] 王惠中，許正海，李春霞.面向智能家庭的遠程健康監(jiān)護系統(tǒng)發(fā)展[J].電氣自動化，2008，30（6）：4?7.

[2] MATOS Andre Cigarro， LOURENCO Andre， NASCIMENTO Jose. Embedded system for individual recognition based on ECG biometrics [J]. Procedia technology， 2014 （17）： 265?272.

[3] MALHI Karandeep， MUKHOPADHYAY Subhas Chandra， SCHNEPPER Julia， et al. A Zigbee?based wearable physiological parameters monitoring system [J]. IEEE sensors journal， 2012， 12（3）： 423?425.

[4] 李亞軍.遠程醫(yī)療在國內(nèi)的應用和發(fā)展[J].醫(yī)學信息（西安上半月），2006，19（1）：39?40.

[5] 牟嵐，金新政.遠程醫(yī)療發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].衛(wèi)生軟科學，2012，26（6）：506?509.

[6] 劉堅強，王永才.基于示波法的電子血壓計系統(tǒng)設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2010（4）：62?65.

[7] CALDARA M， NODARI B， REA V， et al. Miniaturized and low?power blood pressure telemetry system with RFID interface [J]. Procedia engineering， 2014 （87）： 344?347.