劉影+王宛+王智霖+王乾壘

摘 要：文中設計了一種基于云平臺的智能醫(yī)療系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用傳感器采集人體生理參數(shù)，使用ZigBee無線通信技術(shù)構(gòu)建無線網(wǎng)絡、傳輸數(shù)據(jù)，利用GPRS將數(shù)據(jù)上傳至中國移動OneNet云平臺進行動態(tài)顯示，醫(yī)生或病人家屬可以通過PC端或移動設備實時查看病人信息，若數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常則自動向監(jiān)護者發(fā)送短信提醒，以應對突發(fā)情況。

關(guān)鍵詞：ZigBee；智能醫(yī)療；OneNet平臺；GPRS

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟與衛(wèi)生事業(yè)的快速發(fā)展，人民群眾的醫(yī)療衛(wèi)生需求逐步從傳統(tǒng)意義上的疾病預防、診斷和治療轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰颊邽橹行?、全方位的智能醫(yī)療服務。且隨著當今老齡化現(xiàn)象的加劇，醫(yī)療監(jiān)護的作用更加突出[1]。

目前，醫(yī)療監(jiān)護儀器大多是供醫(yī)院內(nèi)職業(yè)醫(yī)生或?qū)I(yè)技術(shù)人員使用的專門儀器，對病人進行生理參數(shù)監(jiān)控，醫(yī)院所使用的監(jiān)護系統(tǒng)大多建立在線纜連接的基礎上，存在體積和功耗較大，不便于攜帶，且患者需放身邊使用等問題，限制了患者和醫(yī)護人員的行動，增加了他們的負擔和風險。同時也無法滿足慢性病患者生理參數(shù)的實時監(jiān)測需求。若采取全方位監(jiān)護，則會耗費大量的醫(yī)療資源。因此，發(fā)展智能醫(yī)療系統(tǒng)勢在必行。

考慮到ZigBee技術(shù)可以很好地滿足無線數(shù)據(jù)傳輸便于攜帶、易操作、易控制、低成本、低功耗等需求，因此文中設計了一款基于ZigBee無線通信技術(shù)的智能醫(yī)療系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)可在醫(yī)院病房內(nèi)建立無線網(wǎng)絡，多項測試項目可在病床上完成，極大地方便了病人看護，并提升了醫(yī)院的管理和工作效率。同時，患者也可在家中佩戴該設備，醫(yī)生或家屬可通過互聯(lián)網(wǎng)看護，免除了患者在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

基于OneNet的智能醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)分為人體生理參數(shù)采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊、網(wǎng)關(guān)模塊和監(jiān)測中心，如圖1所示。其中人體參數(shù)采集模塊主要采集人體血壓、體溫、脈搏等生理參數(shù)。對治療過程進行動態(tài)監(jiān)測，并通過無線通信的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至上位機。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要負責將人體生理參數(shù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)模塊。此外，轉(zhuǎn)發(fā)模塊兼?zhèn)渫卣咕W(wǎng)絡的功能，可以增大網(wǎng)絡的覆蓋范圍，增加可以攜帶的生理參數(shù)采集模塊。網(wǎng)關(guān)負責將采集到的數(shù)據(jù)上傳至OneNet平臺。監(jiān)測中心通過網(wǎng)頁或者手機App訪問OneNet平臺，當監(jiān)測指標出現(xiàn)異常時可向監(jiān)護者發(fā)送短信提醒，無論在醫(yī)院還是在家中都可實時收集人體狀況信息。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由人體參數(shù)采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊、網(wǎng)關(guān)模塊和電源模塊組成。其中人體參數(shù)采集模塊主要將采集到的信號進行分析與處理，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊將接收到的數(shù)據(jù)上傳至OneNet平臺。

2.1 人體生理參數(shù)采集模塊

人體生理參數(shù)采集模塊的節(jié)點框圖如圖3所示。該模塊主要包括核心處理模塊、心率傳感器、體溫傳感器和電源。

核心處理模塊是由TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片組成的模塊，主要負責將傳感器采集到的數(shù)據(jù)加以處理并通過無線方式發(fā)送出去。

系統(tǒng)采用Pulse Sensor心率傳感器。該傳感器由光源和光電變換器組成，通過綁帶或夾子固定在病人的手指或耳垂上。光源一般采用對動脈血管中氧和血紅蛋白有選擇性的擁有一定波長（500～700 nm）的發(fā)光二極管。當光束透過人體外周血管時，由于動脈搏動充血，容積變化，導致這束光的透光率發(fā)生改變，此時由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⒎糯?、輸出。由于脈搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管容積也呈周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率。該傳感器使用簡單、佩戴方便、可靠性高。

體溫傳感器采用DS18B20傳感器。DS18B20是一款單總線數(shù)字溫度傳感器，其測溫范圍為-55～125℃，具有體積小、抗干擾能力強、精度高等特點。

2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要負責將人體生理參數(shù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)處理模塊。此外，轉(zhuǎn)發(fā)模塊還兼?zhèn)渫卣咕W(wǎng)絡的功能，可增大網(wǎng)絡的覆蓋范圍，增加便攜的生理參數(shù)采集模塊。

2.3 網(wǎng)關(guān)模塊

網(wǎng)關(guān)由核心處理模塊、GPRS模塊組成。其中核心處理模塊控制GPRS模塊向OneNet平臺發(fā)送人體生理參數(shù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，而GPRS模塊則負責將數(shù)據(jù)上傳到OneNet平臺。該部分是內(nèi)部網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡進行信息交換的核心， 主要負責協(xié)議轉(zhuǎn)換和信息傳遞。用戶可通過移動通信網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)查看該系統(tǒng)采集到的動態(tài)信息，從而對被監(jiān)護對象進行實時監(jiān)控。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要由人體生理參數(shù)采集節(jié)點軟件、網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件和監(jiān)測中心軟件組成。

3.1 人體生理參數(shù)采集節(jié)點軟件設計

人體參數(shù)采集節(jié)點軟件設計流程如圖4所示。

開啟人體參數(shù)采集模塊后，模塊便會搜索周圍的網(wǎng)絡，并請求加入該網(wǎng)絡。入網(wǎng)后對搭載的傳感器進行初始化，如設置數(shù)據(jù)采集的IO口等。傳感器開始工作，采集人體生理參數(shù)。其中傳感器采集數(shù)據(jù)按照一定的時間周期進行，到達設定的時間就會發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設計流程如圖5所示。網(wǎng)關(guān)節(jié)點被開啟之后便自動創(chuàng)建網(wǎng)絡，網(wǎng)絡創(chuàng)建成功后會收到附近節(jié)點的入網(wǎng)請求，這時網(wǎng)關(guān)節(jié)點會分別為每個請求入網(wǎng)的節(jié)點分配PANID，以便于識別。入網(wǎng)節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點定時進行數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。網(wǎng)關(guān)節(jié)點在接收到數(shù)據(jù)后將其存儲在寄存器中等待發(fā)送，并開啟和初始化GPRS模塊。GPRS模塊聯(lián)網(wǎng)成功后，將數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送到OneNet平臺，如果信息異常，系統(tǒng)會自動向醫(yī)護人員或家屬的手機發(fā)送報警短信。endprint

3.3 監(jiān)測中心軟件設計

文中基于中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺設計了監(jiān)測中心軟件。中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺又稱 OneNet 平臺，不僅可提供免費服務且適配各種網(wǎng)絡環(huán)境和協(xié)議類型，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入，可提供豐富的API和應用模板以支持各類行業(yè)應用和智能硬件的開發(fā)，很好地實現(xiàn)GPRS DTU設備廠家提供的服務器的所有功能，同時還能夠滿足監(jiān)測網(wǎng)絡領域的協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)安全及大數(shù)據(jù)分析等平臺級服務需求，為技術(shù)開發(fā)人員提供良好的開發(fā)環(huán)境，降低了開發(fā)成本和用戶的使用成本[2]。

在OneNet平臺下，用戶、產(chǎn)品、設備、APIKey、設備應用、觸發(fā)器、數(shù)據(jù)流的組織結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。

在每個用戶賬戶下，數(shù)據(jù)管理以項目的形式進行封裝，每個用戶可以創(chuàng)建多個項目，并對設備、APIKey、應用、觸發(fā)器等資源進行管理，用戶可以在一個項目下創(chuàng)建多個設備、APIKey、應用及觸發(fā)器，在單個設備下，用戶可以創(chuàng)建多個數(shù)據(jù)流[3]。

4 實驗驗證

人體生理參數(shù)采集模塊采集人體生理參數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊將數(shù)據(jù)上傳到OneNet平臺，在終端設備上顯示。圖7和圖8分別表示1號病人和2號病人的實時信息在電腦上的顯示情況。橫軸表示采集時間，縱軸表示在某一時刻監(jiān)測到的病人信息，采集時間可自行設置。圖9和圖10分別表示1號病人和2號病人的實時信息在手機端的顯示情況。

當監(jiān)測到指標異常時，及時向醫(yī)生或監(jiān)護者發(fā)送報警短信，如圖11所示，為病人爭取最佳的治療時間。

5 結(jié) 語

本文設計了一種基于ZigBee的智能醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)，它可以實時測量病人的心率、體溫等數(shù)據(jù)，醫(yī)生或者監(jiān)護者可通過手機終端或電腦及時了解被監(jiān)護對象的各項指標。考慮到ZigBee具有低功耗、低成本、近距離、易組網(wǎng)、高容量、高安全性等特點，非常適合用于短距離無線通信，因此采用ZigBee負責無線通信。硬件部分以CC2530射頻芯片為基礎構(gòu)建了智能醫(yī)療網(wǎng)絡的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器及終端節(jié)點模塊， 可很好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集等功能，能夠適應今后智能醫(yī)療的發(fā)展需要。

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