基于物聯網的智能醫護系統的設計與實現

潘玲蓉，毛云川，宋鐵成，沈連豐

(東南大學信息科學與工程學院，江蘇南京 210096)

隨著物聯網技術的發展，物聯網的應用逐漸拓展到社會生活的各個方面，智能醫護也是物聯網的一個重要應用領域［1］。

本文設計了一種基于物聯網技術的智能醫護系統的總體方案，搭建了一個能夠模擬無人值守的自動醫療監護站的硬件實驗平臺。通過合理地設計軟件模塊，可用于區域范圍內重點人群的醫療監護［2］。采用無線通信技術進行醫療數據傳輸，使得醫生不必長期在醫療站坐診，只要定期查看監護報表和查收手機短信息即可獲知患者情況，并對體征異常的患者提供有針對性的診療和藥品等服務。本文提出的醫護系統可用于住宅小區內，既能夠減輕患者在診療費用方面的負擔及往返醫院帶來的不便，又能夠有效提高醫生的診療效率。本系統也能為物聯網的其他智能應用提供一定的借鑒作用［3-4］。

1 智能醫護系統總體方案

為了提供綜合性的醫療服務，本系統設計有如下幾項功能。

(1)通過社區內重點護理人員持有的RFID技術標簽，完成身份驗證功能，自動為待測人員安排位置并給出提示。通過數字化的醫療設備獲取待測人員的實時身體狀況數據和設備的本地信息。

(2)每個診位均將測量數據上傳至物聯網主節點，記錄待測人員的ID標簽號及其各項體征值。

(3)每個侍測人員測量結束后，主節點將數據傳送給計算機存檔，并將結果存儲到數據庫中。若結果異常，則將測試結果發送至指定手機。醫生根據先待測人員身體現狀數據和醫療歷史數據，評估健康水平和身體老化程度［5］。

根據上述功能要求，本文構建了中小型社區診所內的自助型醫療監護聯網系統。系統總體方案如圖1所示。

圖1 基于物聯網的智能醫護系統總體方案圖

本文研制的智能醫護系統由硬件平臺和軟件平臺構成。硬件平臺包括PC機、和PC機用串口相連的物聯網主節點、TD-SCDMA模塊和幾個與主節點相連的從節點。其中一個從節點與RFID模塊相連，其它從節點上都配有數字化醫用傳感器。軟件系統包括物聯網主從節點的燒寫程序和PC機上的上位機程序。

物聯網主從節點共同組成網狀ZigBee網絡以完成無線傳輸。物聯網主節點用于接收數據并向從節點傳輸控制命令，從節點用于傳感器數據和RFID數據的采集。數據匯集至連接主節點的PC機，并由PC機上的上位機程序負責數據的存儲和分析功能。社區內的重點護理人員均持有基于RFID技術的標簽，通過標簽完成身份驗證即可在從節點進行自助式測量。完成測量過程后，系統會自動將測量數據匯總至社區診所的醫療檔案存檔。對于體征不正常者，系統通過與PC機相連的TD-SCDMA模塊將測量記錄以短信形式發送至指定醫師的手機上，醫師會給出治療建議并提供及時的醫療服務。

2 硬件平臺的設計

本系統的硬件設計主要包括三部分:物聯網主從節點構成的ZigBee網絡、RFID讀寫系統和接入3G網絡模塊。

物聯網主從節點負責無線網絡的組建與維護、各種傳感器數據的獲取及傳輸等功能，因此必須具備ZigBee通信模塊和傳感器擴展接口。主要節點以CPU為核心的硬件框圖如圖2所示。

圖2 物聯網主從節點硬件框圖

節點中的IEEE802.15.4收發器和運行于CPU上的ZigBee協議棧共同實現無線組網和數據傳輸功能。主節點電源采用外部電源供電，從節點由于其移動性采用電池供電。CPU和IEEE802.15.4收發器可以選擇英國Jennic的JN5139。這是一款單芯片的ZigBee基帶和射頻模塊，能夠便捷地實現ZigBee無線網絡的組建與管理以及數據的無線傳輸。由于JN5139內置處理器是32位RISC內核，速度高達16MHz，所以可采用此作為節點的CPU，省去了采用獨立CPU的成本，并且簡化了硬件結構。數據傳輸接口采用JN5139自帶的UART端口。主節點通過此端口與PC機連接，上傳數據并接收來自上位機軟件的指令，從節點可通過此端口與RFID讀寫模塊連接，作為RFID系統接入ZigBee網絡的接口。

從節點上的板載傳感器包括通用傳感器和醫用傳感器，其中醫用傳感器可選用任何數字化的測試生命體征指標傳感器。我們以華科電子研究所提供的HKX-08A型心率傳感器模塊為例，它是一款將模擬信號處理與數字處理技術集成于一體的檢測心率的電路模塊，從節點可以通過串口獲得其心率數據。此外，為了滿足心率傳感器的處理需要，可添加STC12LE5A56AD微處理器單元。

在本系統中RFID用來標示人員的身份，以驗證其合法性。RFID系統包括讀寫模塊和標簽，本系統中的讀寫模塊選用恒睿電子的RMU900+。這是一款工作于840-960MHz頻段范圍的超小型化的UHF RFID讀寫模塊，集成了PLL、無線發射、無線接收、耦合器以及 MCU等部件，支持 EPC C1GEN2/ISO 18000-6C和ISO/IEC18000-6B等協議，可通過UART與物聯網從節點連接并上傳標簽ID等信息。本系統中的人員身份標簽可選用傳統的卡片式電子標簽。

另外，在本系統中，我們可以使用南京東大移動互聯公司提供的TD-SCDMA模塊將ZigBee網絡接入公網。該模塊對TD－SCDMA的網絡結構和信令交互流程進行深入剖析，實現了3G的基本通話、視頻通話、多媒體彩鈴、多媒體彩信、高速上網及TCP/IP等主流應用功能。通過設定指令可以將數據信息發送給指定的手機號碼。

3 核心軟件的設計與實現

本系統所有軟件包括物聯網主從節點軟件和PC機上的上位機軟件。

物聯網主從節點軟件可以在Jennic公司提供的Codeblocks平臺上用C語言編寫。軟件的主要功能是將從節點上的人員心率數據和ID數據無線傳輸給主節點，主節點再將數據傳輸給與之相連的PC機，對數據進行處理、存儲和分析。

PC機的上位機軟件采用 Delphi語言編寫。Delphi具有豐富而強大的界面實現控件，可以實現出非常友好的用戶操作界面。

上位機軟件具有初始化物聯網主從節點、顯示系統運行時的各種提示信息、顯示和管理各個節點的接入信息和實時狀況、人員身份驗證、進行生命體征指標測量、查看人員記錄、給出診斷信息和將測量結果關鍵數據發送給指定手機等諸多功能。軟件的設計流程為建立物聯網主節點與各個從節點之間的無線網絡后，所有人都可以使用自己的身份卡完成各種體征指標的測量工作，如圖3所示。

圖3 智能醫護系統應用程序流程圖

系統給用戶發放RFID人員身份卡，若標簽ID已存在于數據庫內，說明該用戶是授權用戶。授權用戶一旦進入系統即可被識別身份，系統根據各當前節點的使用情況自動分配一臺醫療設備供其使用。若有空閑節點，系統給出分配節點的提示信息，用戶進入節點進行10秒一次的心率采集，測量時長為兩分鐘;若節點都有人員在測量心率，則提示用戶等待。用戶完成測量后，體征數據立即通過無線網絡傳輸至主節點，主節點將數據交由PC存檔，同時進行初步分析。如果分析認為數據正常，則本次測量完成;如果分析發現有病情隱患，則將用戶身份信息和測量結果通過短信發送至指定醫生手機，使得醫生可以第一時間獲悉病情并聯系用戶采取進一步的診療措施。

3.1 軟件平臺的初始化

軟件平臺的初始化包括ZigBee網絡組建、TDSCDMA模塊的初始化和所有授權用戶ID入庫，完成初始化步驟后，才能進行人員心率的監測。

1)ZigBee網絡組建

物聯網主從節點上電后使自動運行程序。主節點接收到上位機發出的初始化命令后，每一個主從節點的IEEE 802.15.4協議棧使對其PHY和MAC層進行初始化的工作。主節點選擇PAN ID、自身的短地址和本網絡的射頻頻率后，就可以通過開放對于加入網絡請求的應答來啟動網絡。從節點進行頻道掃描時，將在特定的頻率通道中發送信標請求。當主節點檢測到該信標請求后，它將回應相應的信標來向設備標識自己。主節點將決定是否具有足夠的資源接受新的設備，并且決定是否接受和拒絕設備加入網絡。如果接受了設備，它將發送一個16位的短地址給設備，作為設備在網絡中的標識。所有設備完成這些步驟后，ZigBee網絡就組建完成了。

2)接入3G網絡的實現

系統中的發送短信功能由TD-SCDMA模塊實現。選擇PC機與TD-SCDMA模塊相連的串口并將模塊成功復位后，上位機軟件即能通過串口向該模塊發送指令啟動模塊。成功啟動該模塊后方能啟用短信提示功能，在“目標號碼文本框”中輸入要發送短信的目標號碼，勾選“啟用短信提示功能”前的方框，則開啟短信提示功能。TD-SCDMA模塊就可通過向3G網絡發送AT指令來完成自動向指定目標號碼發送短信的任務。

3)基于ADO的數據庫鏈接

智能醫護系統的數據庫服務器用于存儲各心率采集節點的數據信息如用戶ID號、姓名、測量記錄值和采樣時間等并對這些信息進行有效的歸納匯總。本系統采用Microsoft SQL Sever作為數據庫管理系統，其中有兩個最重要的數據庫。一個用來存儲用戶ID和用戶姓名，它以用戶ID作為主鍵，每個用戶ID對應一條不重復的記錄，用戶只有在通過認證后才能進入本醫護系統使用系統提供的測試心率的功能;另一個用來記錄用戶每次進行心率測試后得到的醫療數據。

Delphi可以為我們提供三種數據庫連接技術，它們分別是ADO、ODBC和BDE，本系統使用的是ADO技術。Delphi很好地封裝了ADO對象，提供了連接組件和數據集組件，實現數據的各種操作［6］。上位機程序打開后，自動建立對存儲在數據庫服務“PC-201110070979”上的“medical_care”數據庫的鏈接，系統所有的管理功能實現都建立在這個鏈接的基礎之上。

4 聯調與測試

搭建好硬件平臺并將物聯網各個節點的程序燒寫完畢之后，就可以運行上位機軟件對本系統進行初始化操作。初始化操作完成后，我們就能使用上位機程序控制本系統。程序運行時的界面如圖4所示。窗口左上角用于發出初始化物聯網命令，左下部TD-SCDMA設置用于選擇是否開啟自動發送短信的功能和設置發送短信的目標手機號碼。下方的Listview中顯示上位機操作時的各種提示信息。右上部的心率監控主窗體上直觀、實時地顯示用戶在各心率采集節點進行心率測量的信息如已經采集到的心率值個數、當前采集到的心率值和在此節點上測量心率的用戶姓名。通過以上測試，證實了上位機能達到我們預期設計的功能，可以有效管理整個系統的運作。

研制系統已經在一些中小型社區診所內試用，能有效地監測人員的身體健康狀況。本文介紹的系統對其它物聯網應用也有借鑒作用。

圖4 智能醫護系統運行時的上位機界面

［1］StefanovD H，ZeungnamB，BANG W C.The smart house for older persons and persons with physical disabilities:structure，technology arrangements and perspectives［J］.IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering，2004，12(2):228-250.

［2］劉佳，劉柏全，宋鐵成，沈連豐.一種物聯網教學實驗系統的設計與實現［J］.南京:電氣電子教學學報，2010年第06期

［3］成小良，鄧志東.基于ZigBee規范構建大規模無線傳感器網絡［J］.北京:通信學報，2008年第11期:158-164

［4］蘇忠城，尚斐.基于無線傳感器網絡的心電信號監測系統［J］.北京:生命科學儀器，2009年第03期:60-63

［5］楊文茵.基于物聯網的智能家居醫療系統［J］.佛山:佛山科學技術學院學報(自然科學版)，2011年7月第29卷第4期

［6］楊樹林.基于B/S模式的網絡教學系統的設計與實現［J］.北京:北京印刷學院學報，2004.9:15-18