賁海權(quán)

摘要：針對(duì)當(dāng)前患者信息遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，結(jié)合當(dāng)前的信息技術(shù)，提出一種無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，首先對(duì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后分別對(duì)系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行詳細(xì)，并對(duì)協(xié)調(diào)器的通信進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。通過以上設(shè)計(jì)，旨在為智能化遠(yuǎn)程診療技術(shù)的發(fā)展提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程醫(yī)療;Zigbee技術(shù);串口通信;上位機(jī)

中圖分類號(hào)：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）12-0070-04

1 總體方案設(shè)計(jì)

本次研究的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)總體劃分為多個(gè)部分，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn)，各個(gè)部分需要按照正確的方式進(jìn)行連接。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）內(nèi)含有較多的路由節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)，并且二者在結(jié)構(gòu)上基本是相同的。終端節(jié)點(diǎn)主要是各種類型的傳感器，可以對(duì)人體體溫等參數(shù)進(jìn)行采集，以此獲取到需要的信息。在應(yīng)用過程中可以結(jié)合具體需求來設(shè)置需要的傳感器。

各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行過程中無法直接通信，而是需要將采集到的信息傳輸?shù)铰酚晒?jié)點(diǎn)中，此過程中主要利用了無線傳輸技術(shù)。路由節(jié)點(diǎn)將得到的信息進(jìn)一步通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。在整個(gè)系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)處于核心的地位，一方面需要作為上位機(jī)與終端節(jié)點(diǎn)的通信媒介，即以串口的方式將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中;另一方面還需要對(duì)Zig Bee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和維護(hù)。

上位機(jī)主要位于遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，用于對(duì)系統(tǒng)采集的相關(guān)信息進(jìn)行展示和處理，總體劃分為2部分，分別是監(jiān)控軟件與數(shù)據(jù)庫，前者主要用于對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并為用戶展示需要的信息;后者用于存儲(chǔ)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。

監(jiān)控中心軟件需要對(duì)采集到的溫度、血壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，如果這些指標(biāo)超過正常的范圍，則需要通過報(bào)警的方式提醒用戶，便于及時(shí)采取針對(duì)性的治療措施。醫(yī)生可以根據(jù)遠(yuǎn)程診療系統(tǒng)中得到的數(shù)據(jù)信息來初步判斷病人的病癥，從而為后續(xù)的治療提供更多的信息。

2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中的路由器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)分別屬于全功能設(shè)備與簡(jiǎn)化功能設(shè)備，在滿足功能需求的同時(shí)降低了使用的成本，二者的結(jié)構(gòu)基本是一致的，主要包括微控制器、傳感器、無線通信以及電源等多個(gè)模塊，二者通過配合可以將采集到的血壓等參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心中，在數(shù)據(jù)傳輸過程中利用了高效的Zig Bee技術(shù)。終端節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器屬于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心控制部分，在結(jié)構(gòu)上與終端節(jié)點(diǎn)基本是一致的，但是沒有設(shè)計(jì)傳感器模塊。協(xié)調(diào)器需要與上位機(jī)之間進(jìn)行通信，以此可以將采集到的信息以串口方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

本系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)“網(wǎng)關(guān)”，作為上位機(jī)與終端節(jié)點(diǎn)的通信媒介，將接收到的血壓等信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中設(shè)置了串口通信模塊，以此高效將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心上位機(jī)中。其具體的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)除了需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)之外，還需要對(duì)無線傳感器進(jìn)行維護(hù)和管理，因此其功耗相對(duì)較高。在串口通信模塊主要采用了MAX3221 CAE電平轉(zhuǎn)換芯片和RS-232串口，基于專用的接口電路實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的連接，可以實(shí)時(shí)將采集到的血壓等生理參數(shù)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，保證了信息傳輸?shù)目煽啃耘c時(shí)效性，為后續(xù)的處理與診斷奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信模塊設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中主要利用了串口通信方式完成上位機(jī)與協(xié)調(diào)器之間的通信，具體采用的是RS-232接口，其在電平標(biāo)準(zhǔn)上與單片機(jī)是不同的，前者的電平標(biāo)準(zhǔn)+15/+13V、-15/- 13V分別代表1、0;后來電平標(biāo)準(zhǔn)TTL電平：+5V、OV分別對(duì)應(yīng)著1、0。因此二者之間需要進(jìn)行電平交換，此過程中主要利用了MAX322IACE芯片，以此可以對(duì)CC2430單片機(jī)輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將其傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。MAX322IACE的具體電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

基于協(xié)議棧默認(rèn)的方式對(duì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，其中TX、RX端分別是P0_3、PO_2，在連接過程中需要將MAX3221CAE 8腳RIN與PO_2進(jìn)行連接，將TIN與P0_3進(jìn)行連接，以此完成電平轉(zhuǎn)換的過程。電平轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

3.1 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心系統(tǒng)主要面向終端用戶，可以實(shí)時(shí)展示數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，并為醫(yī)生的診療提供準(zhǔn)確的信息。系統(tǒng)提供了可視化的操作頁面，各種信息以不同的方式進(jìn)行展示，直觀性更強(qiáng)。在終端節(jié)點(diǎn)采集到人體生理數(shù)據(jù)之后，主要通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，在此過程中需要構(gòu)建完善的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，確保通信的質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上以串口方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的上位機(jī)中。此時(shí)可以對(duì)得到的信息進(jìn)行分析和處理，以不同的方式展示處理后的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)超過了正常的范圍則會(huì)及時(shí)報(bào)警，據(jù)此可以對(duì)患者的病癥進(jìn)行診斷，并采取有效的治療措施來緩解病人的癥狀?？紤]到日后在診療過程中仍然需要使用這些數(shù)據(jù)，因此將數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。

在監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)過程中需要考慮到用戶的操作習(xí)慣以及使用要求等，綜合分析本次設(shè)計(jì)中主要利用Visual Basic（簡(jiǎn)稱VB）語言來進(jìn)行可視化界面的開發(fā)，可以將用戶需要的信息實(shí)時(shí)顯示在前端頁面中。監(jiān)控中心具體布局如圖6所示。

監(jiān)控中心布局需要保持較高的合理性，結(jié)合用戶的需求對(duì)監(jiān)控軟件界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證協(xié)調(diào)器與上位機(jī)之間通信的可靠性，以此能夠?yàn)椴“Y診療提供較多的支持。在上位機(jī)中除了有監(jiān)控軟件外，還需要部署數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)信息。因此在監(jiān)控中心中主要?jiǎng)澐譃閿?shù)據(jù)庫、遠(yuǎn)程監(jiān)控以及串口通信3個(gè)模塊。

3.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要完成各項(xiàng)信息的采集功能，主要涉及到了血壓、溫度等人體生理參數(shù)，基于DS18820等傳感器可以將采集到的信息傳輸?shù)铰酚晒?jié)點(diǎn)中。在終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)方面主要利用了IAR編譯環(huán)境。在運(yùn)行過程中需要先對(duì)傳感器電路進(jìn)行初始化，搜索并加入到對(duì)應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)中，由此可以完成數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)墓δ?。該部分的具體流程如圖7所示。

3.3 路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)需要獲取到終端節(jié)點(diǎn)采集到的信息，包括血壓和體溫等信息，然后將得到的信息進(jìn)一步傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器中。在具體傳輸過程中需要先對(duì)芯片上電，然后由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)分配16位短地址，在成功添加到網(wǎng)絡(luò)后可以完成數(shù)據(jù)的接收與傳輸?shù)墓δ堋＞唧w的流程如圖8所示。

3.4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信設(shè)計(jì)

在Zigbee網(wǎng)絡(luò)建立完成之后，協(xié)調(diào)器始終處于運(yùn)行狀態(tài)，可以實(shí)時(shí)獲取到路由節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男畔?，并將其傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。首先需要對(duì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化，然后建立對(duì)應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)，由此可以完成數(shù)據(jù)的接收和傳輸?shù)墓δ?。該部分的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖9所示。

3.5 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)了多個(gè)類來完成對(duì)應(yīng)的功能，具體即為圖9中所示，需要以1s的周期獲取數(shù)據(jù)庫中的人體生理參數(shù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，判斷是否達(dá)到了設(shè)定的閾值。在本次設(shè)計(jì)中主要以溫度參數(shù)處理為例進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)的功能類分別是Temperature Access， Temperature data System， Ac-cess Helper、Temperature data，在各個(gè)類中提供了不同的方法，包括數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)對(duì)比以及報(bào)警等功能。其中，Draw Line（）函數(shù)可以在第一象限中標(biāo)記最新的溫度以及血壓數(shù)據(jù)，并繪制坐標(biāo)軸以及背景，分析數(shù)據(jù)是否處于正常的閾值范圍內(nèi)，根據(jù)對(duì)比結(jié)果來確定警告等級(jí)，如果高于二級(jí)，則及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，并采取有效的治療措施。

4 結(jié)語

通過以上設(shè)計(jì)看出，遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心主要包含2個(gè)方面：①要實(shí)現(xiàn)患者病人相關(guān)信息的采集，包括體溫等;②要實(shí)現(xiàn)采集器與后臺(tái)的通信，并通過后臺(tái)實(shí)時(shí)展示病人的信息。通過以上的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)患者數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，從而為當(dāng)前遠(yuǎn)程無線醫(yī)療提供了參考和借鑒。

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