基于ZigBee和GSM技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)我國遠(yuǎn)程醫(yī)療現(xiàn)狀及其現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本文提出了一種基于ZigBee和GSM技術(shù)、以CC2430為核心多生理參數(shù)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)節(jié)點(diǎn)的軟、硬件設(shè)計(jì)方案。該節(jié)點(diǎn)能夠?qū)θ梭w的脈搏、體溫、心率、血氧飽和度、血壓和血糖濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，經(jīng)過CC2430進(jìn)行相關(guān)處理后，將節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)依靠GSM模塊，通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)端的醫(yī)療監(jiān)控中心，由專家進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷并發(fā)送救治方案。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該節(jié)點(diǎn)具有成本低、功耗小、穩(wěn)定性強(qiáng)、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】遠(yuǎn)程醫(yī)療 多生理參數(shù) ZigBee GSM CC2430

1 引言

當(dāng)下，生活節(jié)奏的加快，工作和生活壓力的增大以及環(huán)境污染等問題，對(duì)人的健康提出了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。隨著人們對(duì)自身健康的日益關(guān)注，遠(yuǎn)程醫(yī)療（Telemedicine）作為一種新的醫(yī)療模式，開始蓬勃發(fā)展。針對(duì)有線通信和單一的無線通信方式存在的一些弊端，綜合利用ZigBee和GSM技術(shù)對(duì)人體的生理參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過GSM網(wǎng)絡(luò)外傳到遠(yuǎn)端的醫(yī)療監(jiān)控中心，對(duì)醫(yī)療資源進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤和整合，免除了患者在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦，省掉監(jiān)護(hù)設(shè)備與醫(yī)用傳感器之間的連線，從而減輕醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度、提高醫(yī)護(hù)人員工作效率和醫(yī)療設(shè)備的利用率、節(jié)省醫(yī)療成本以及增加安全性等。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

基于ZigBee和GSM技術(shù)的多生理參數(shù)無線遠(yuǎn)程醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)（即ZigBee數(shù)據(jù)采集模塊）、無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、GSM網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和用戶五個(gè)部分組成。傳感器節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)用戶脈搏、體溫、心率、血氧飽和度、血壓和血糖濃度的測(cè)量等，其組成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)選用CC2430模塊作為其ZigBee通信模塊，內(nèi)部集成處理器芯片CC2430，它是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心。CC2430芯片整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和8051微控制器，內(nèi)部集成8-14 位 ADC 和符合 IEEE 802. 15. 4 協(xié)議的2. 4 GHz射頻收發(fā)器，具有極高的接收靈敏度和的抗干擾性能。采用0.18umCMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流消耗僅為27mA；在接收和發(fā)射模式下，其電流消耗分別低于27mA或25mA。CC2430還具有休眠模式和以超短的時(shí)間轉(zhuǎn)換至主動(dòng)模式的特性，非常適合人體生理參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量。

硬件節(jié)點(diǎn)為傳感器的擴(kuò)展預(yù)留了豐富的接口，如果需要測(cè)量其他生理參數(shù)信息，如心電、體位等數(shù)據(jù)，則只需要將相應(yīng)的傳感器接入預(yù)留的接口，形成新的傳感器節(jié)點(diǎn)，并開發(fā)相應(yīng)的嵌入式控制和處理軟件，便可以將節(jié)點(diǎn)直接加入到該系統(tǒng)中。

無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是用于連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GSM網(wǎng)絡(luò)的橋梁，主要完成數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)功能，無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的核心組成部分是GSM模塊、ZigBee模塊和電源模塊，GSM模塊和ZigBee模塊之間通過數(shù)據(jù)接收/發(fā)送功能引腳和CC2430的I/O口進(jìn)行連接、并結(jié)合RS232串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其中CC2430的I/O口P0.6用于控制GSM模塊是否工作。

2.2 醫(yī)療傳感器模塊

系統(tǒng)中，醫(yī)療傳感器模塊主要包括脈搏、體溫、心率、血氧飽和度、血壓和血糖濃度的測(cè)量。檢測(cè)人體這些生理參數(shù)的醫(yī)療傳感器大部分輸出的信號(hào)為微弱小信號(hào)（脈沖信號(hào)或直流信號(hào)），首先需要進(jìn)行放大、整形、濾波、比較等信號(hào)調(diào)理電路來處理，然后送CC2430的AD口，所以微弱信號(hào)的處理顯得尤為重要。

以血糖濃度傳感器為例，血糖濃度測(cè)量采用虹吸式血糖試片，血液中的葡萄糖與酶電極試片上的氧化酶發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過檢測(cè)回路中血糖電流（一般為幾?A至幾十?A），根據(jù)血糖濃度與血糖電流之間的關(guān)系，從而得出血糖濃度值。其測(cè)量電路如圖2所示。

我們需要對(duì)微安級(jí)的弱電流信號(hào)進(jìn)行放大，所采用的放大芯片是MCP617（輸入偏置電流最小可達(dá)到0.3nA，其噪聲電流可滿足?A級(jí)電流的放大，低噪聲：2.2?V p-p）。測(cè)量電路是通過CC2430的I/O口輸出高低電平，并基于多路模擬開關(guān)4053的功能表來控制MCP617同相端的通斷，從而實(shí)現(xiàn)弱電流的檢測(cè)。

2.3 電源模塊

電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供通用的5V和3.3V電壓，主要采用AMS1117系列穩(wěn)壓芯片來控制；還要根據(jù)GSM模塊MC37i的特殊情況設(shè)計(jì)電路，MC37i模塊的電流要足夠大，必須大于1A，電壓的波動(dòng)范圍不能超過400mv，故采用LM2596系列來進(jìn)行+5V穩(wěn)定電壓的輸出，其輸出電流最大可達(dá)到3A，輸入電壓范圍可達(dá)40V，為了能夠得到穩(wěn)定的電壓，在MC37i電壓接口放置大的電解電容，并提供瞬間大電流。為了保證節(jié)點(diǎn)便于攜帶、電源具有較強(qiáng)的續(xù)航能力和電源能為系統(tǒng)提供較長(zhǎng)時(shí)間的供電，采用2節(jié)可充電的3.7V鋰電池供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)通信

節(jié)點(diǎn)之間的通信（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信）是基于ZigBee協(xié)議來實(shí)現(xiàn)的，是建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)和實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通信的基礎(chǔ)。節(jié)點(diǎn)通信程序主要包括發(fā)送端和接收端程序兩部分，其工作流程圖分別如圖3、圖4所示。

3.2 GSM通信

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的遠(yuǎn)程傳輸，應(yīng)用GSM通信是最為成熟的方案。節(jié)點(diǎn)中的GSM通信模塊為MC37i，相比于其它系列的GSM模塊，MC37i擁有更好的溫度特性，其溫度范圍為-45℃～+80℃，更適合野外的惡劣環(huán)境，擁有過兩個(gè)串口，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)AT指令控制和GPRS通訊，擁有雙排列25 2接口排列，提高通信的穩(wěn)定性和可靠性，在AT指令的實(shí)用上也與TC35I和MC39I相一致。GSM通信主要依靠GSM模塊MC37i來實(shí)現(xiàn)，通過GSM的AT指令，結(jié)合SIM卡，與CC2430的串口相連接，完成信息的遠(yuǎn)程短信傳輸。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的基于ZigBee和GSM技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)節(jié)點(diǎn)能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)得人體脈搏、體溫、心率、血氧飽和度、血壓和血糖濃度，具有較高的測(cè)量精度和可擴(kuò)展性，并通過相應(yīng)的軟件程序和GSM網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了ZigBee節(jié)點(diǎn)無線通信和短消息的收發(fā)。測(cè)試結(jié)果表明，人體生理參數(shù)測(cè)量值精度、節(jié)點(diǎn)功耗、節(jié)點(diǎn)通信速率和距離等技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

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作者簡(jiǎn)介

汪巍巍（1988-），男，湖北省宜昌市人。現(xiàn)為華中光電技術(shù)研究所-武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室助理工程師。主要研究方向?yàn)殡娮与娐吩O(shè)計(jì)和無線通信。

作者單位

華中光電技術(shù)研究所-武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室 湖北省武漢市 430223