引言

隨著物聯網的不斷普及和技術的廣泛推廣，物聯網技術給醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)帶來了深遠的影響?！拔锫摼W醫(yī)學”成為了人們關注的另一個焦點，“物聯網醫(yī)學”是復旦大學附屬中山醫(yī)院在第七屆上海國際呼吸研究研討會上向國內醫(yī)學界提出的。所謂物聯網醫(yī)學，指的是利用傳感技術，將傳感器固定在人體上，傳感器的終端嵌入和連接到醫(yī)療檢測設備里，醫(yī)生可通過手機或電腦連接到該終端，實時地實現對病人全天候、遠程檢測及診斷。

1遠程智能醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)

針對物聯網醫(yī)學提倡的全方位互聯的特點，本文將ZigBee和GPRS技術相結合，充分利用網絡資源，設計了對智能醫(yī)療多監(jiān)護參數進行處理、傳輸和可視化的網關系統(tǒng),在一定范圍內配置一處或者多處血壓、體溫、血氧和脈搏傳感器，組成ZigBee無線傳感器網絡?ZigBee網絡作為低功耗、低復雜度、低成本且可自動組網的無線網絡技術，支持傳感器信息采集、傳輸和處理，可以將不同點的多個傳感器數據利用無線網絡進行通信，同時結合GPRS技術實現遠程監(jiān)控,改變了傳統(tǒng)無線傳感網絡需要依托有線公共網絡進行數據傳輸的限制，解決了同時安裝大量檢測裝置、布線量大、線路維護和更改困難的難題，使網絡顯示出巨大的優(yōu)勢。

圖1  遠程智能醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)架構圖

圖1所示是遠程智能醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)架構圖。該系統(tǒng)將信息通過HTTPPOST數據包上傳到互聯網云端Yeelmk平臺,從而實現對體征數據的實時采集、處理、可視化和遠程監(jiān)測。實際測試結果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，方便擴展、實時性強。

2網關節(jié)點硬件設計

設計實現了一種基于STC12C5A60S2為主控芯片的智能網關系統(tǒng)，單片機負責GPRS與ZigBee網絡之間的雙向數據轉換,網關實際上是一個基于GPRS協議和ZigBee協議的轉換網關。在ZigBee網絡中，網關起到網絡協調器的作用，主要工作包括ZigBee組網組建、監(jiān)聽終端節(jié)點以及與終端節(jié)點之間的雙向通信等；另外，網關節(jié)點還承擔GPRS協議與ZigBee協議間數據的轉換，GPRS網絡數據的接收和發(fā)送,以及處理GSM短信息查詢等任務。

該系統(tǒng)的網關硬件節(jié)點電路分為ZigBee通信模塊、GPRS通信模塊和電源供電模塊。網關硬件結構圖如圖2所示。

圖2網關硬件結構圖

2.1電源供電模塊

因ZigBee模塊和GSM模塊所需電壓分別為3.3V和5.5V，故系統(tǒng)的電源模塊將9V的電壓輸入轉化為3.3V和5.5V這兩種電壓輸出供處理器和其他模塊使用。該方式的特點：一是系統(tǒng)電源模塊能留出足夠的余量，最大可提供3A的電流，從而防止因功率輸出過大造成電源芯片發(fā)熱、燒毀；其二是本系統(tǒng)通過LDO芯片LM2575-5和LM1117-3.3兩級降壓，設計電源精度為98%,紋波為30mV，能滿足系統(tǒng)要求。

ZigBee通信模塊

ZigBee通信模塊是基于TI公司CC2530F256芯片，內部運行ZigBee2007/PRO協議棧，具有ZigBee的全部特性。針對復雜的ZigBee協議，本模塊將協議棧嵌入模塊內部，只留出串口，在與主控芯片通信時無需考慮ZigBee內部協議棧,只需要讀寫串口即可實現數據的無線傳輸，簡單易用，可大大減少開發(fā)周期［9］。ZigBee模塊可通過串口連接到PC,可直接配置參數設置為協調器、路由器和終端節(jié)點。協調器為最初加入網絡的節(jié)點分配網絡地址（16位），每個ZigBee網絡需要唯一的一個協調器；路由器可以接收、轉發(fā)數據，起到路由和中繼的作用；終端節(jié)點通常為電池供電的低功耗設備，用于采集傳感器數據，周期性發(fā)送數據。ZigBee組網狀況使用SensorMonitor軟件觀察。本網關系統(tǒng)采用星型網絡［8］,因此只用到ZigBee協調器和終端節(jié)點。圖3所示是星型網狀的ZigBee組網。

GPRS通信模塊

GPRS模塊使用的是龍尚的A8000,其采用德國英飛凌的基帶芯片，具有超高的接收靈敏度，是一款雙頻900/1800MHz高集成度的GSM/GPRS模塊。內嵌TCP/IP協議模塊，使用簡單，支持GSMRec.07.07/07.05及其特有擴展指令集，通過UART控制，與單片機通過串口直接通信図。

3網關節(jié)點軟件設計

軟件設計包括2個部分：網關軟件和監(jiān)控中心管理軟件。網關的軟件開發(fā)平臺為KeilC51,ZigBee內部運行ZigBee2007/PRO協議棧，ZigBee組網監(jiān)控軟件為SensorMonitor,監(jiān)控中心PC服務管理軟件開發(fā)平臺為云端Yeelink。

3.1ZigBee/GPRS網關的程序設計

ZigBee/GPRS網關的程序流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后網關節(jié)點進行初始化操作，接著搜索空閑工作信道、啟動ZigBee網絡并等待終端節(jié)點的連接請求。待所有終端節(jié)點成功加入ZigBee網絡后，進入等待狀態(tài)，直到監(jiān)測平臺發(fā)出數據采集命令，則將該命令經ZigBee網絡轉發(fā)至所有終端節(jié)點。終端節(jié)點根據命令或者定時調用數據采集程序獲取當前生理數據，對數據進行初步處理后上傳至網關節(jié)點。網關節(jié)點收集所有的數據進行分析、處理、融合，得到統(tǒng)一格式的數據包,通過GPRS模塊將數據包上傳互聯網云端Yeelink平臺，平臺完成對數據的處理和分析工作。

3.2ZigBee網絡指令設計

針對系統(tǒng)數據傳輸方式為階段性喚醒查詢方式，ZigBee無線網絡數據傳輸采用點對點數據傳輸方式。點對點數據傳輸可以在網絡內部任意節(jié)點直接通過點對點指令來設置傳輸,指令格式為0XFD+數據長度（用戶自定義）+目標地址+數據,下面以源節(jié)點（地址0x0001）發(fā)送數據010203040506到網關地址（0X143E）為例，源節(jié)點發(fā)送數據格式如圖5所示。

圖5 數據傳送格式

該格式發(fā)送的數據為FD013E1401020304,接收到的數據也為FD013E14010203040506。但需特別注意數據區(qū)的長度，它可自由定義，不一定等于數據區(qū)實際長度，也可以作為其他表示用途。目的地址，低位在前，高位在后，合起來是0X143E。點對點傳輸具有任意節(jié)點之間傳輸的好處,在路由加入網絡后，短地址不會發(fā)生改變。目標地址=FFFF，為廣播發(fā)送；目標地址=0000,則表示發(fā)送給協調器。

GPRS移動網絡指令

Yeelmk物聯網平臺是一個免費的物聯網平臺，允許用戶將設備接入到網站，從而實現對設備的監(jiān)測和控制。利用現成的物聯網平臺可大大節(jié)省開發(fā)周期。以下是單片機發(fā)送AT指令控制GPRS模塊連接互聯網，并向Yeelink物聯網平臺發(fā)送HTTPPOST數據包的部分過程指令：

AT+CGATT=1（GPRS附著狀態(tài)）

AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET"（定義PDP上下文）

AT+CGACT=1,1（接除或者激活PDP移動場景）

AT+CIPSTART="TCP","202.136.56.203"（服務器IP）,80（端口號）

CONNETOK（表示GPRS與互聯網連接成功）

AT+CIPSEND（開啟TCP連接）

發(fā)送httppost:

POST

/1.0/device/2182/sensor/2848/datepointsHTTP/1.1

Host：pi.yeelink，net

Accept：*/*

U-ApiKey：f6dff9e05de8ff0d84c115709a478a6a

Content-Length:14

Content-Type：pplication/x-www-form-urlencoded

Conection:lose

{"value":待發(fā)送參數}

AT+CIPCLOSE（關閉TCP連接）

3.4系統(tǒng)測試

本測試過程中，以測量多點室溫為監(jiān)測量，系統(tǒng)采用階段性的休眠和喚醒狀態(tài)。每個節(jié)點每隔1min被喚醒一次，進行數據的采集，并等待協調器發(fā)出傳輸命令將數據傳送到協調器，然后進入休眠狀態(tài)。系統(tǒng)的一個節(jié)點的溫度在互聯網Yeelink平臺的監(jiān)視界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)測試運行結果

4結語

本設計將ZigBee技術和GPRS技術應用于生理參數智能醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中，實現無人值守時被監(jiān)護人生理參數實時遠程監(jiān)測、異常情況警告和短信查詢等功能，避免人工測量的麻煩，減輕醫(yī)護人員的負擔，保證受監(jiān)護人始終處于監(jiān)控狀態(tài)。本方案在實際運行中穩(wěn)定、可靠，可廣泛應用于各類無人值守遠程智能監(jiān)護系統(tǒng)。

20211106_6186497e18948__基于ZigBee與GPRS智能醫(yī)療監(jiān)護網關設計