基于GSM的遠程醫療呼救系統設計

田永毅，盧慶林

（陜西工業職業技術學院 電氣工程學院，陜西 咸陽 712000）

隨著生存壓力加大和我國社會老齡化的加劇，老人家庭“空巢化”成為社會發展的趨勢。當空巢老人遇到諸如心臟病、高血壓等疾病突發時，多伴有神志不清、無行為能力、跌倒等癥狀，大多數情況下，病人無法自己完成呼救措施，常常因此錯過最佳搶救時機而造成不良后果[1-2]。針對這一問題，本文設計了一種基于GSM的遠程醫療自動呼救系統。該系統具有攜帶方便、可靠性高、傳輸距離遠的優點，能夠解決空巢老人的醫療救助問題。

1 系統描述

基于GSM的遠程醫療自動呼救系統由多個從站和一個主站組成，其網絡結構如圖1所示。從站系統由若干醫療監測設備、控制器和GSM模塊組成，進行生命體征的檢測與無線傳送。主站通過GSM模塊與從站進行通信，并對接收到的相關數據進行分析，為后續的醫療救護提供參考。

用戶攜帶的從站系統定時喚醒醫療監測設備對用戶進行生命體征的檢測，從站控制器將采集來的數據與預先設定的正常生命體征值進行比對。一旦超出正常范圍，從站控制器將通過GSM模塊向主站（醫療機構）發送用戶編碼（用于區分不同用戶）和當前生命體征值，同時向用戶親屬的手機發送預警信息。主站（醫療機構）可根據用戶編碼調出用戶的既往病歷，結合當前的生命體征值制定相應的救護方案。

圖1 系統網絡結構圖Fig. 1 Frame chart of system network

2 系統硬件設計

從站系統通常由電子血壓計、跌倒檢測模塊、GSM模塊和微處理器（CPU）組成。主站系統由GSM模塊、微處理器（CPU）、顯示與報警電路（也可通過串口模塊連接計算機）組成。系統硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖Fig. 2 Frame chart of hardware system

醫療監測設備可根據監測對象實際情況進行合理選擇。本文重點考慮老年人中常見的心臟病和高血壓病，故僅選用了電子血壓計、跌倒檢測模塊。同時為了減少能耗，降低更換從站電池的頻率，采用MSP430系列超低功耗微處理器。

2.1 無線通信模塊

采用西門子公司的無線數據傳輸模塊TC35，它能可靠地實現數據、語音傳輸、短消息業務。該模塊集射頻電路和基帶于一體，模塊工作電壓為3.3～5.5 V，可工作在900 MHz和1 800 MHz兩個頻段，向用戶提供標準的AT命令接口，方便用戶的應用開發及設計。該模塊還提供RS232數據接口，可方便的與單片機進行串口通信。

2.2 微處理器與GSM的接口連接

本系統中的微處理器采用MSP430系列單片機。該系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，集成了豐富的片內外設，可以最大限度降低系統電路的復雜度，減少了系統的功耗和體積[3]。

單片機與GSM模塊連接方式如圖3所示。單片機與GSM模塊通過串口模塊MAX232進行電平轉換后連接（MAX232具有驅動能力，無需外加驅動電路）。需要注意的是：主站與從站之間可以進行雙向通信，通過用戶地址碼對從站加以區分。從站與從站之間不能直接通信。

圖3 單片機與GSM模塊的接口連接Fig. 3 Interfaces of GSM module and MCU

2.3 跌倒檢測模塊

本系統采用GY-29-ADXL345 數字加速度模塊實現跌倒檢測。該模塊的核心是超低功耗3 軸加速度計ADXL345，其測量范圍達±16 g，數字輸出數據為16 位二進制補碼格式，可通過SPI或I2C 數字接口訪問。它可以在傾斜檢測應用中測量靜態重力加速度，還可以測量運動或沖擊導致的動態加速度，具有極高的分辨率，能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化。

圖4 GSM傳輸數據幀結構Fig. 4 Data frame structure of GSM

跌倒檢測的基本原理是通過測量攜帶該模塊的用戶在運動過程中3個正交方向的加速度變法來獲得該用戶身體姿態變化的信息，從而判斷該用戶是否發生跌倒[4-5]。

2.4 生命體征監測

考慮到老人常見的心臟病、高血壓，本系統采用PAL-901腕式電子血壓計來實現生命體征監測。該血壓計可測量心率、高壓、低壓，測量數據可通過串口輸出，單次發送6字節數據，傳輸速率為19 200 bit/s，電平電壓2.8 V。而且該血壓計體積小、供電電源采用干電池，攜帶非常方便。

3 系統軟件設計

3.1 通信協議

在無線傳輸過程中，由于天氣狀況、干擾與噪聲等因素的影響，從站和主站之間的無線通信往往會出現傳輸幀的丟失或數據傳輸出錯（誤碼）。為了確保傳輸的可靠性，需要制定相應的通信協議[6]。

本系統采用的GSM傳輸數據幀結構由幀頭、用戶地址編碼、跌倒標識、生命體征數據、CRC校驗部分組成。GSM傳輸數據幀結構如圖4所示。

在實際應用中，噪聲產生的數據為1111111100000000的概率很低，因此發送數據幀以0xFF和0x00為幀頭，以避免數據誤接收。用一個字節地址編碼來區別不同的用戶從站系統。數據檢錯采用CRC校驗方式。接收端檢測到0xFF和0x00字節后，表示收到的數據幀有效。如果該幀CRC校驗正確，則說明接收正確，否則表示該幀傳輸出錯，丟棄該幀。

3.2 程序流程

基于GSM的遠程醫療自動呼救系統程序流程如圖5～6所示。

從站系統定時喚醒電子血壓計對用戶生命體征進行檢測，并將采集來的數據與預先設定的正常值進行比對。一旦超出正常范圍，則通過GSM模塊向主站（醫療機構）發送用戶編碼和當前生命體征值，同時向用戶親屬的手機發送預警信息。主站接收到數據后，進行數據的有效性、可靠性驗證。通過驗證后，則發出警報并顯示用戶編碼和生命體征值。

4 結束語

文中設計了一種基于GSM[7]的遠程醫療自動呼救系統。該系統利用加速度傳感器測量跌倒時的信號，提出了意外跌倒的檢測算法。并以電子血壓計監測用戶的生命體征，利用GSM無線通信模塊進行數據傳輸與報警，具有攜帶方便、可靠性高、傳輸距離遠的優點，能夠在一定程度上解決空巢老人的醫療救助問題。

[1] 周笑,李明,卜佳俊,等.移動遠程醫療監護系統的設計與統[J].農機化研究,2009(8):187-189.GAO Yun, LIANG Xiu-ying, WANG Wei. Multi-channel data acquisition system of greenhouse based on MSP430[J].Agricultural Mechanization Research,2009,8:187-189.

[3] 沈建華,楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[4] 徐民,張 博.基于CP2102/CP2103的RS232接口轉換為USB接口的應用設計[J].國外電子元器件,2008(5)15-17.XU Min, ZHANG Bo.RS232 interface into a USB interface application design based on CP2102/CP2103[J].International Electronic Elements,2008(5):15-17.

[5] 門少杰,王寶珠.基于Nrf905的溫室環境無線測控系統研究[J].電子質量,2010(8):1-3.MEN Shao-jie,WANG Bao-zhu. Wireless greenhouse environment monitoring system based on Nrf905[J]. Electron Mass,2010(8):1-3.

[6]朱學亮.二氧化碳檢測儀[J].電子制作,2009(6):25-27.ZHU Xue-liang.Carbon dioxide detector[J].Electronic Production,2009(6):25-27.

[7] 云中華,白天蕊.基于BH1750FVI的室內光照強度測量儀[J].單片機與嵌入式系統應用,2012(6):27-29.YUN Zhong-hua,BAI Tian-rui. Indoor light intensity measuring instrument based on BH1750FVI[J].Microcontrollers &Embedded Systems Application,2012(6):27-29.

[8] 刁慧琴,朱凌云.基于ZigBee無線傳感網絡技術的污染氣體檢測系統[J].現代電子技術,2011,20(34):171-174.DIAO Hui-qin,ZHU Ling-yun.Pollution gas detection system based on ZigBee wireless sensor network technology[J].Modern Electronic Technology,2011,20(34):171-174.