引 言

隨著我國人口老齡化的到來，生態(tài)環(huán)境與疾病譜的改變，居民健康面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。經濟的發(fā)展，技術的進步人們對于醫(yī)療服務質量的要求也越來越高，服務的內容也從疾病的治療到疾病預防和保健。而醫(yī)院及監(jiān)護中心數量有限，是必導致醫(yī)患矛盾加劇，利用計算機技術和遠程通信技術實現(xiàn)遠距離的疾病診斷、治療和健康護理等多種醫(yī)學功能的遠程醫(yī)療監(jiān)護模式，勢必將成為一種必然。

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成，綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網絡及無線通信等技術的前沿研究領域。由部署在監(jiān)測區(qū)域內的大量微型傳感器節(jié)點組成，通過各類微型傳感器節(jié)點對目標信息進行實時監(jiān)測，形成的一個自組織的網絡系統(tǒng)，通過無線通信網絡將信息傳送至遠程監(jiān)控終端。目前將無線通信技術、物聯(lián)網技術、Internet技術相結合，已成為無線遠程醫(yī)療監(jiān)護研究的熱點。國內已經有很多企業(yè)和研究機構參與無線醫(yī)療監(jiān)護網絡產品的設計和研發(fā)，重慶大學楊永明設計了基于 Internet 的遠程醫(yī)療監(jiān)護即時通信系統(tǒng)，用于對患者的病情進行遠程在線監(jiān)控；北京生命在線研發(fā)的基于藍牙的遠程家庭健康管理監(jiān)護網絡為患者提供了優(yōu)質的居家慢性病管理醫(yī)療服務 ；珠海中立電子集團開發(fā)的心臟病集群監(jiān)護系統(tǒng)，清華大學、深圳大學等高校研究機構研制的多參數監(jiān)護網絡系統(tǒng)已經投入各大醫(yī)院使用。為了實現(xiàn)對患者的實時監(jiān)護，系統(tǒng)設計將 ZigBee 和GPRS 技術相結合，以 SPCE061A 微控制器、CC2520 射頻芯片為核心器件，構建了一個能實現(xiàn)生理參數的采集和無線傳輸的遠程醫(yī)療監(jiān)護終端，為監(jiān)護用戶和醫(yī)生提供各種重要的生理參數變化，有利于對監(jiān)護者健康的實時監(jiān)護和疾病的預警、診斷及治療。

1 無線遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的總體設計

系統(tǒng)設計由智能監(jiān)護終端、ZigBee 收發(fā)模塊、GPRS 通信模塊（GPRS 網絡）、Internet 、醫(yī)院局域網及醫(yī)院監(jiān)護中心等部分組成，其總體設計框圖如圖 1 所示。該系統(tǒng)將 ZigBee和 GPRS 技術相結合，利用 Internet 網絡實現(xiàn)從家庭監(jiān)護、院內監(jiān)護到急救現(xiàn)場、社區(qū)醫(yī)院乃至整個城市和全國的醫(yī)療監(jiān)護網絡的互聯(lián)互通。醫(yī)院監(jiān)護中心服務器端隨時處于監(jiān)聽狀態(tài)，實時響應用戶發(fā)出的連接請求與讀取請求，以實現(xiàn)對監(jiān)護用戶全方位、全天候的實時監(jiān)護。

智能監(jiān)護終端由ZigBee生理參數采集傳感器和ZigBee收發(fā)模塊構成，若干個智能監(jiān)護終端可以利用ZigBee靈活組網建立星型、樹形和網狀網絡的技術特點，構成一個微型監(jiān)護網絡。利用SPCE061A控制器對所需要監(jiān)測的生命指標進行采集，通過ZigBee收發(fā)模塊將數據發(fā)送至ZigBee協(xié)調器，并利用RS232串口送至與其所連接的PC或由GPRS移動通信網絡以無線的方式連接到Internet。通過Internet網絡可以將 數據傳輸至醫(yī)院監(jiān)護中心，由監(jiān)護中心專家對數據進行統(tǒng)計 觀察與分析處理，提供必要的咨詢服務，實現(xiàn)遠程醫(yī)療。在 救護車、自然災害救災或戰(zhàn)爭急救現(xiàn)場監(jiān)護終端利用GPRS 模塊連接到I nternet,實現(xiàn)將急救病人、傷病員情況的實時傳送, 以利于醫(yī)院搶救室和遠程指導工作。

2監(jiān)護終端的硬件設計

監(jiān)護終端的主要功能為監(jiān)護身份的識別、人體生理指標 數據的采集，并通過無線通信模塊將數據傳輸至ZigBee協(xié)調 器或利用GPRS網絡發(fā)送到監(jiān)護中心。設計主要包括生理參 數采集模塊和無線通信模塊硬件設計和軟件編程。為了實現(xiàn) 低成本、小型化和移動靈活的特點，以SPCE061A為主控芯 片，它是一款具有語音處理功能的u'nSpTM結構的微控制器, u'nSpTM指令系統(tǒng)提供了具有較高運算速度的16位X16位的 乘法運算指令和內積運算指令，為其應用增添了 DSP功能， 方便實現(xiàn)系統(tǒng)的語音和指紋身份識別功能的實現(xiàn)。

本系統(tǒng)將采集模塊和GPRS (General Packet Radio Service)通信模塊、ZigBee模塊相結合來實現(xiàn)生理參數的無 線傳輸。首先由SPCE061A發(fā)出開始監(jiān)測某項生理參數的指令, 對人體生理信號(心電、血壓、血氧、脈搏等)進行采集。該 系統(tǒng)一方面對數據進行處理和顯示，另一方面將結果數據無 線上傳至個人健康數據庫供檢索和回放。圖2所示是本監(jiān)護終 端的硬件結構圖。

2.1生理參數采集模塊

生理參數采集模塊由傳感器、微控制器單元、電源構 成。采集監(jiān)護用戶的血壓、血氧、體溫和心電信號。系統(tǒng)心電 信號的采集，利用心電導聯(lián)線的方式獲取，由信號調理電路 進行放大和濾波，才能滿足系統(tǒng)要求?？焖贆z測并提取清晰 的心電信號是進行監(jiān)護和分析診斷的基礎，由于心電信號屬低 頻的微弱信號，設計采用ADI公司的集成單電源儀表放大器 AD623進行前級放大，再經過后續(xù)的多級放大和濾波后，送 入單片機SPCE061A的ADC接口，完成心電信號的數字化， 并由SPCE061A進行處理和顯示。AD623是一個在無外接電 阻時單增益(G=1),在1和8引腳間外接電阻后可編程設置增 益，增益最高可達1?1 000 dB，且具有很好的線性度和可 靠的溫度穩(wěn)定性。其電路如圖3示。

系統(tǒng)中使用的血氧模塊和血壓模塊分別為北京邁創(chuàng)通元 電子儀器有限公司的BTN602無創(chuàng)血壓模塊和BTN604血氧 模塊。BTN602模塊通過示波法原理來實現(xiàn)收縮壓、舒張壓 及脈搏的測量，收到SPCE061A的指令后，對測量袖帶充氣 加壓，直至肱動脈血流阻斷，減壓放氣，這一過程中會產生一 系列脈搏波，脈搏波的最大值對應平均壓，舒展壓和收縮壓與 脈搏波的最大值成一定的比例關系，就可以完成血壓及脈搏 的測量，返回系統(tǒng)狀態(tài)和相應數據。兩個模塊均采用UART 口與單片機通信，信號電平為TTL電平，與SPCE061 A單片 機可以直接相連，利用單片機普通I/O 口軟件模擬串口與其通信。

2.2指紋識別模塊

指紋識別模塊用于監(jiān)護用戶身份的辨識，無需帳號和密 碼即可自助完成登錄和測量過程，這對于老人、殘疾人群具 有重要意義。指紋是指手指末端正面皮膚上凸凹不平產生的 紋路，不同的人各不相同，在信息處理中稱作“特征”，依靠 特征的唯一性，就可以驗證用戶的真實身份。系統(tǒng)設計 采用臺灣富士通公司的劃擦型指紋傳感器MBF300和MBF300 屬于電容性傳感器，傳感器發(fā)出的電子信號可以穿過手指的表 面和死性皮膚層，達到手指皮膚的真皮層，直接讀取指紋圖案, 從而大大提高了該系統(tǒng)的安全性。MBF300支持三種接口形 式,，即MCU接口模式、SPI接口模式和USB接口模式。系 統(tǒng)采用USB接口模式與SPCE061A單片機直接相連。

2.3 ZigBee與GPRS無線通信模塊

醫(yī)療設備對電磁輻射的要求很高，輻射的電磁波既不 能夠干擾其他設備正常工作，同時也應具有一定的抗干擾能 力，不受其他設備輻射出的電磁波干擾。系統(tǒng)射頻通信采用 TI公司專門針對近距離高速數據傳輸的802.15.4/ZigBee標準 的CC2520無線射頻收發(fā)器，具有出色鏈路預算、高工作溫 度、低工作電壓、遠傳輸距離等出色特性和較高的數據糾錯 和抗干擾能力。SPCE061A可以通過軟件模擬SPI接口來實現(xiàn) 對CC2520的工作參數配置和發(fā)射/接收數據，模擬的關鍵在 于SPI的讀寫時序。GPRS通訊模塊選取Simcom公司研制的內嵌TCP / IP協(xié)議的GPRS模塊SIM300,該模塊功能強大、 操作簡單、性價比高，具有標準的AT指令以及支持GPRS無 線上網的AT指令。兩模塊與SPCE061A的硬件連接電路如 圖4所示。

3健康監(jiān)護終端軟件設計

健康監(jiān)護終端軟件設計采用模塊化的編程思想，使用單片機C語言完成底層程序的開發(fā)，主要包括心電、血氧、血壓、脈搏等生理參數的采集、處理、存儲、報警和顯示以及各項數據的接收和發(fā)送。由數據采集程序、軟串口程序、基于GPRS模塊（GPRS模塊初始化及GPRS內存讀寫等）、ZigBee模塊的通信程序（模塊入網、數據格式的定義、數據發(fā)送、數據接收等）以及數據顯示與存儲程序等模塊組成。其中，ZigBee協(xié)調器負責建立網絡，監(jiān)護終端加入網絡，然后周期性地采集各路信號發(fā)送給ZigBee協(xié)調器，協(xié)調器通過串口發(fā)送給PC機。監(jiān)護終端的數據包使用的是結構體的形式，包含了數據包的頭、尾、該監(jiān)護終端的設備類型、網絡地址、以及采集的傳感器數據，當然還有檢驗信息等。同時，為了降低系統(tǒng)功耗，有效地完成多參數的采集，利用了多種中斷方式來完成系統(tǒng)功能，包括鍵盤輸入中斷、串口中斷、定時中斷等。其程序流程框圖如圖5所示。

4結語

隨著我國衛(wèi)生體制改革的進一步深入，以社區(qū)、家庭為單元的遠程醫(yī)療監(jiān)護模式將得到逐步的興起，基于ZigBee技術、GPRS技術、互聯(lián)網技術及數據庫管理等先進技術的遠程醫(yī)療健康監(jiān)護終端，將在家庭和臨床得到廣泛的應用，對提高人們的生活質量和醫(yī)院的健康管理與服務水平，具有重要的現(xiàn)實意義。系統(tǒng)經過多次調試，基本實現(xiàn)了各項功能，性能穩(wěn)定、數據傳輸可靠。系統(tǒng)設計創(chuàng)新之處：

（1）采用低功耗ZigBee無線傳輸技術，提高了節(jié)能效率；

（2）采用指紋識別模塊用于監(jiān)護用戶身份的辨識，方便了老人、殘疾人群的使用；

（3）應用無線傳感網絡與Interne結合，實現(xiàn)從家庭監(jiān)護、院內監(jiān)護到急救現(xiàn)場、社區(qū)醫(yī)院乃至整個城市和全國的醫(yī)療監(jiān)護網絡的互聯(lián)互通，讓醫(yī)療資源的得以共享。

20211127_61a1ac36ac117__基于ZigBee無線傳感網絡的遠程醫(yī)療健康監(jiān)護終端的設計