基于物聯網的遠程健康監護系統的設計與實現

桑世慶++戈秀龍

摘 要：隨著物聯網產業化的推進和行業的延伸，使物聯網技術和醫療電子技術有效整合，形成以信息化、智能化為支撐，以提供健康監護、緊急救援、精神關懷為基本的新型醫療服務系統，隨著人民要求醫療護理水平的不斷提高、人口老齡化問題的加劇，這些技術將勢必得到更廣泛的應用，具有巨大的發展潛力。

關鍵詞：物聯網；遠程醫療；傳感器

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

1概述

物聯網（Internet of Things） 是一種通過感知傳感設備，按約定協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊的新信息技術。這也給醫療技術的發展帶來了新機遇，1971年世界第一套臨床信息系統在美國加州EI Camino醫院誕生，經過幾十年的發展，EI Camino已成功利用無線和條碼等先進技術進一步完善該臨床信息系統，從而發展成為世界知名的“硅谷智能醫院”。

由于無線臨床信息系統的安全、可靠、穩定和先進性，以及在推動醫院信息化建設、加強醫院管理、改進病人安全、提高病人滿意毒所起的重要作用。為新的醫療發展技術發展提供了各種可能，在醫療保健方面利用現有網絡的基礎架構承載無線傳感器網絡，建立信息傳輸的硬件平臺；并在應用前端配置無線實時顯示終端，實現診療實時化和信息移動化。即可降低醫院和醫療中心能夠以更低的成本更有效地采集及管理信息，而且還可以節省了資金和時間，在特殊情況下還挽救了生命。

2設計方案

基于物聯網的遠程健康監護系統主要能夠實現前端采集人體生理參數，利用物聯網及移動通信傳輸技術Zigbee、藍牙傳輸到監護網關，同時利用OLED進行顯示，然后通過GSM將數據傳輸到遠端醫療監控端上，能夠對家人進行提醒和便于醫務人員進行會診。基本架構如圖1所示。

主要設計分為軟件和硬件兩個部分。

2.1硬件功能設計

（1）血壓傳感器節點、體溫傳感器節點、無線報警器節點通過Zigbee 組網連接，自動發送血壓、體溫、報警信息到網關，網關再將傳感器信息通過串口發送到電腦上，并在上位機軟件上顯示。

（2）心電圖通過藍牙將心電、脈搏信息發送到電腦上，并在上位機軟件上顯示。

（3）GSM模塊實現當檢測到異常監護信息時發送報警內容。

2.2軟件功能設計

（1）健康參數監控，實時顯示心電、血壓、脈搏、體溫監控參數。

（2）監護護理功能，根據采集過來的各個參數，分析監控對象的健康狀況，實現異常情況報警。

（3）檢測到無線報警器節點報警按鍵被按下時。觸發報警情況下，向GSM模塊發送命令，實現發送報警內容到120或指定電話號碼的功能。

（4）有簡單的數據庫，實現病人健康數據檔案的簡歷存儲。

3系統實現

系統通過集成血壓、紅外測溫、心電監控傳感器，結合Zigbee網關和Bluetooth網關，組成Zigbee自組織網絡和Bluetooth網絡。通過Zigbee、Bluetooth無線傳感器網絡可以實現對傳感器的實時監控與控制，同時該系統集成了GSM網關和無線手持報警器，當遇到突發情況，由無線手持報警器發送報警信號。

硬件功能實現：

（1）血壓傳感器

血壓傳感器采用德利康公司BP01 型壓力傳感器是為監測血壓而專門設計的，主要用于便攜式電子血壓計。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龍塑料封裝，具有高線性、低噪聲和外界應力小的特點；采用內部標定和溫度補償方式，從而提高了測量的精度、穩定性以及可重復性，在全量程范圍內，精度為±1%，零點失調不大于±300μV。

用BP01構成的便攜式電子血壓計，它由偏置電源電路、前置處理電路、顯示電路（A7）和壓力傳感器（BP01）組成。該血壓計的血壓測量范圍為0Hg～200mmHg，分辨率為0.1mmHg，工作電源為一節9V迭層電池。

例如：讀取血壓傳感器Zigbee傳輸數據格式（如圖2所示）。

RBP：（READ BLOOD PRESS ）讀血壓傳感器

命令：RBP

地址：加入傳感器模塊地址

數據：通訊過程描述如下

上位機 →→傳感器：0XFF 0XCD 0X03 CKSUM 0XA0

上位機←← 傳感器（應答）：0XFF 0XCD 0X05 CKSUM 0X54 QYH QYL

測量結果：0XFF 0XCD 0X08 CKSUM 0X55 SSYH SSYL SZYH SZYL XL

說明：QYH 測量過程中氣壓輸出高字節，其中QYH.4=1表示有心跳，QYH.4=0表示無心跳；QYL氣壓輸出低字節。SZYH SZYL舒張壓；SSYH、SSYL 收縮壓，其中SSYH.7=1表示心率不齊，SSYH.7=0表示心率正常；XL心率。

（2）紅外測溫傳感器

紅外測溫傳感器采用MLX90614，它是一款無接觸式的紅外線溫度感應芯片，它在同時封裝紅外熱電堆感應器與一款定制的信號調節芯片。MLX90614 是一款由Melexis 研發并生產的測溫器，它包括： 紅外熱電堆感應器MLX81101，MLX90614 在 -40 ?C～125 ?C 環境溫度及-70?C～382.2 ?C 物體溫度范圍內進行出廠校準，并且為了適應醫療應用的要求， MLX90614 還可提供在人體溫度范圍內的高精確度±0.1?C。

讀取紅外測溫傳感器Zigbee傳輸數據格式（圖3）：

AIT：（InfraredTEMP）紅外溫度測溫

上傳命令：AIT，表示上傳紅外測溫數據

地址：傳感器模塊地址

數據：WD+XXX（3字節ASCII碼數據）

（3）無線手持報警器

無線手持報警器的無線部分主要采用了CC2530，它是專門針對IEEE 802.15.4和Zigbee應用的單芯片解決方案，經濟且低功耗。支持無線更新和大型應用程序， 8kB RAM用于更為復雜的應用和Zigbee應用，可編程輸出功率達+4dBm 。在掉電模式下，只有睡眠定時器運行時，僅有不到1uA的電流損耗， 具有強大的地址識別和數據包處理引擎。

支持Zigbee、 Zigbee RF4CE、6LoWPAN和Wireless及其他所有基于802.15.4標準的解決方案；卓越的接收機靈敏度和可編程輸出功率；在接收、發射和多種低功耗的模式下具有極低的電流消耗，能保證較長的電池使用時間。

讀取無線手持報警器Zigbee傳輸數據格式（圖4）：

ARC：（Remote Control）手持遙控報警

命令：ARC，表示遙控器被按下，報警

地址：傳感器模塊地址

數據：WD+XX（2字節ASCII碼數據）

（4）心電監控傳感器

心電采集芯片采用美國德州儀器公司（TI）的解決方案。ADS1298是（ACTIVE）具有集成ECG 前端的8通道24位模數轉換器，主要用于心電圖 （ECG）監控中。DS1294/6/8/4R/6R/8R是多通道，同步采樣24位，三角積分模數轉換器（ADC）系列產品，此產品具有內置的可編程增益放大器（PGA），內部基準，和一個板載振蕩器。ADS1294/6/8/4R/6R/8R包含了所有醫療心電圖應用所通常要求的所有特性。

它的輸出數據位數取決于通道數和每個通道數據位數。對于ADS1298，輸出數據位數是（24狀態位+24位*8通道）=216位。24狀態位的格式是：（1100+LOFF_STATP+LOFF_STATN+GPIO寄存器[4∶7]位）。每個通道數據的格式是兩個補碼和一個MSB。心電監控傳感器采集數據格式中數據流每一個字節代表了生物電的電壓值，取值范圍為0x00～0xFF。心電監控采用藍牙技術傳輸，藍牙通訊的干擾小，可靠性高。藍牙功耗少，它的通訊距離選定在10m范圍內。

（5）GSM網關

GSM網關采用SIM900A是一個2頻的GSM/GPRS模塊，工作頻段為：EGSM 900MHz和DCS 1800MHz。SIM900A支持GPRS multi-slot class 10/class 8（可選）和GPRS編碼格式 CS-1，CS-2，CS-3 and CS-4。SIM900A采用省電技術設計，在SLEEP模式下最低耗流只有1mA，此外，該模塊內嵌TCP/IP協議。模塊與用戶移動應用的物理接口為68個貼片焊盤，本模塊和電路板的所有硬件接口：鍵盤和SPI顯示接口；主串口和調試串口；一路音頻接口，包含一個麥克風輸入和一個揚聲器輸出；可編程通用輸入輸出接口。SIM900A的消息設置見表1。

軟件功能實現：

所有的傳感器數據傳輸到數據中心，通過對傳感器數據的實時分析，可以實現對人員的生命體征和健康狀況進行監控與分析。監控軟件實現的基本功能如下，如圖5所示。

結語

本方案設計的醫療系統集成了物聯網和移動互聯技術，能夠利用終端實時顯示和傳達生理特征信息，當遇到突發情況可以實現通過Zigbee無線傳感器網絡發送到數據中心，再有數據中心向GSM網關發出短信報警命令，可以向目標聯系人發出求救信號，從而保護使用人的生命財產安全。

參考文獻

[1]桑世慶.UHF RFID技術在醫藥物流管理中的應用研究[J].計算機應用與軟件，2013.

[2]王勤，儲海盟，李占川.物聯網技術在醫療行業的應用[J].信息通信，2012（03） .

數據：WD+XXX（3字節ASCII碼數據）

（3）無線手持報警器

無線手持報警器的無線部分主要采用了CC2530，它是專門針對IEEE 802.15.4和Zigbee應用的單芯片解決方案，經濟且低功耗。支持無線更新和大型應用程序， 8kB RAM用于更為復雜的應用和Zigbee應用，可編程輸出功率達+4dBm 。在掉電模式下，只有睡眠定時器運行時，僅有不到1uA的電流損耗， 具有強大的地址識別和數據包處理引擎。

支持Zigbee、 Zigbee RF4CE、6LoWPAN和Wireless及其他所有基于802.15.4標準的解決方案；卓越的接收機靈敏度和可編程輸出功率；在接收、發射和多種低功耗的模式下具有極低的電流消耗，能保證較長的電池使用時間。

讀取無線手持報警器Zigbee傳輸數據格式（圖4）：

ARC：（Remote Control）手持遙控報警

命令：ARC，表示遙控器被按下，報警

地址：傳感器模塊地址

數據：WD+XX（2字節ASCII碼數據）

（4）心電監控傳感器

心電采集芯片采用美國德州儀器公司（TI）的解決方案。ADS1298是（ACTIVE）具有集成ECG 前端的8通道24位模數轉換器，主要用于心電圖 （ECG）監控中。DS1294/6/8/4R/6R/8R是多通道，同步采樣24位，三角積分模數轉換器（ADC）系列產品，此產品具有內置的可編程增益放大器（PGA），內部基準，和一個板載振蕩器。ADS1294/6/8/4R/6R/8R包含了所有醫療心電圖應用所通常要求的所有特性。

它的輸出數據位數取決于通道數和每個通道數據位數。對于ADS1298，輸出數據位數是（24狀態位+24位*8通道）=216位。24狀態位的格式是：（1100+LOFF_STATP+LOFF_STATN+GPIO寄存器[4∶7]位）。每個通道數據的格式是兩個補碼和一個MSB。心電監控傳感器采集數據格式中數據流每一個字節代表了生物電的電壓值，取值范圍為0x00～0xFF。心電監控采用藍牙技術傳輸，藍牙通訊的干擾小，可靠性高。藍牙功耗少，它的通訊距離選定在10m范圍內。

（5）GSM網關

GSM網關采用SIM900A是一個2頻的GSM/GPRS模塊，工作頻段為：EGSM 900MHz和DCS 1800MHz。SIM900A支持GPRS multi-slot class 10/class 8（可選）和GPRS編碼格式 CS-1，CS-2，CS-3 and CS-4。SIM900A采用省電技術設計，在SLEEP模式下最低耗流只有1mA，此外，該模塊內嵌TCP/IP協議。模塊與用戶移動應用的物理接口為68個貼片焊盤，本模塊和電路板的所有硬件接口：鍵盤和SPI顯示接口；主串口和調試串口；一路音頻接口，包含一個麥克風輸入和一個揚聲器輸出；可編程通用輸入輸出接口。SIM900A的消息設置見表1。

軟件功能實現：

所有的傳感器數據傳輸到數據中心，通過對傳感器數據的實時分析，可以實現對人員的生命體征和健康狀況進行監控與分析。監控軟件實現的基本功能如下，如圖5所示。

結語

本方案設計的醫療系統集成了物聯網和移動互聯技術，能夠利用終端實時顯示和傳達生理特征信息，當遇到突發情況可以實現通過Zigbee無線傳感器網絡發送到數據中心，再有數據中心向GSM網關發出短信報警命令，可以向目標聯系人發出求救信號，從而保護使用人的生命財產安全。

參考文獻

[1]桑世慶.UHF RFID技術在醫藥物流管理中的應用研究[J].計算機應用與軟件，2013.

[2]王勤，儲海盟，李占川.物聯網技術在醫療行業的應用[J].信息通信，2012（03） .

數據：WD+XXX（3字節ASCII碼數據）

（3）無線手持報警器

無線手持報警器的無線部分主要采用了CC2530，它是專門針對IEEE 802.15.4和Zigbee應用的單芯片解決方案，經濟且低功耗。支持無線更新和大型應用程序， 8kB RAM用于更為復雜的應用和Zigbee應用，可編程輸出功率達+4dBm 。在掉電模式下，只有睡眠定時器運行時，僅有不到1uA的電流損耗， 具有強大的地址識別和數據包處理引擎。

支持Zigbee、 Zigbee RF4CE、6LoWPAN和Wireless及其他所有基于802.15.4標準的解決方案；卓越的接收機靈敏度和可編程輸出功率；在接收、發射和多種低功耗的模式下具有極低的電流消耗，能保證較長的電池使用時間。

讀取無線手持報警器Zigbee傳輸數據格式（圖4）：

ARC：（Remote Control）手持遙控報警

命令：ARC，表示遙控器被按下，報警

地址：傳感器模塊地址

數據：WD+XX（2字節ASCII碼數據）

（4）心電監控傳感器

心電采集芯片采用美國德州儀器公司（TI）的解決方案。ADS1298是（ACTIVE）具有集成ECG 前端的8通道24位模數轉換器，主要用于心電圖 （ECG）監控中。DS1294/6/8/4R/6R/8R是多通道，同步采樣24位，三角積分模數轉換器（ADC）系列產品，此產品具有內置的可編程增益放大器（PGA），內部基準，和一個板載振蕩器。ADS1294/6/8/4R/6R/8R包含了所有醫療心電圖應用所通常要求的所有特性。

它的輸出數據位數取決于通道數和每個通道數據位數。對于ADS1298，輸出數據位數是（24狀態位+24位*8通道）=216位。24狀態位的格式是：（1100+LOFF_STATP+LOFF_STATN+GPIO寄存器[4∶7]位）。每個通道數據的格式是兩個補碼和一個MSB。心電監控傳感器采集數據格式中數據流每一個字節代表了生物電的電壓值，取值范圍為0x00～0xFF。心電監控采用藍牙技術傳輸，藍牙通訊的干擾小，可靠性高。藍牙功耗少，它的通訊距離選定在10m范圍內。

（5）GSM網關

GSM網關采用SIM900A是一個2頻的GSM/GPRS模塊，工作頻段為：EGSM 900MHz和DCS 1800MHz。SIM900A支持GPRS multi-slot class 10/class 8（可選）和GPRS編碼格式 CS-1，CS-2，CS-3 and CS-4。SIM900A采用省電技術設計，在SLEEP模式下最低耗流只有1mA，此外，該模塊內嵌TCP/IP協議。模塊與用戶移動應用的物理接口為68個貼片焊盤，本模塊和電路板的所有硬件接口：鍵盤和SPI顯示接口；主串口和調試串口；一路音頻接口，包含一個麥克風輸入和一個揚聲器輸出；可編程通用輸入輸出接口。SIM900A的消息設置見表1。

軟件功能實現：

所有的傳感器數據傳輸到數據中心，通過對傳感器數據的實時分析，可以實現對人員的生命體征和健康狀況進行監控與分析。監控軟件實現的基本功能如下，如圖5所示。

結語

本方案設計的醫療系統集成了物聯網和移動互聯技術，能夠利用終端實時顯示和傳達生理特征信息，當遇到突發情況可以實現通過Zigbee無線傳感器網絡發送到數據中心，再有數據中心向GSM網關發出短信報警命令，可以向目標聯系人發出求救信號，從而保護使用人的生命財產安全。

參考文獻

[1]桑世慶.UHF RFID技術在醫藥物流管理中的應用研究[J].計算機應用與軟件，2013.

[2]王勤，儲海盟，李占川.物聯網技術在醫療行業的應用[J].信息通信，2012（03） .