基于TCP協議的遠程脈搏監測與通信系統分析

許　壯，關紫艷，王　鑫，王東輝

（河南理工大學 機械與動力工程學院，河南　焦作　454150）

基于TCP協議的遠程脈搏監測與通信系統分析

許壯，關紫艷，王鑫，王東輝

（河南理工大學 機械與動力工程學院，河南焦作454150）

文章設計了一套用于檢測偏遠地區無法享受大型醫院就診患者脈搏信息的醫療設備。產品基于傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）協議進行數據的傳輸，上位機用VB進行編寫，其主要用winsock控件進行設計。上位機對脈搏波形進行實時的檢測與顯示，并且醫生可以通過上位機進行診斷，然后將診斷說明反饋給患者。下位機采用AT89C51為主控板與W5500模塊進行SPI協議的通信，脈搏傳感器進行數據采集之后，經過A/D轉換傳給MCU，最后通過基于W5500模塊的TCP協議傳給上位機。當醫生通過上傳到服務端的數據進行診斷后將結果發送給患者，實現患者與醫生的遠程交互，使偏遠地區患者看病難、看病貴的問題得以解決，擴大醫療的普及率。產品創新點在于可以遠程監測患者的病情，使患者與醫生進行互動，脫離了傳統的面對面交流模式。設備成本極低，操作方便，即使老人一人在家也可以使用。

TCP；脈搏；STC89c52；無線；遠程通信

1　產品研發背景

我國邊遠地區看病難、看病貴的問題較為突出。智能化的逐漸普及、互聯網醫院的上線、網絡覆蓋率的不斷增加、社會老齡化的不斷擴大，使得遠程醫療有著廣闊的市場前景。遠程醫療將在我國有較強的實用性發展，在一定程度上緩解了我國專家資源與人口分布極不平衡的現象。利用遠程會診系統可以讓欠發達地區的患者也能夠接受大醫院專家的治療。遠程醫療可以緩解偏遠地區患者轉診比例高、額外過度消費的問題［1］。自古以來中醫使用“把脈”診斷疾病，原理是利用脈搏信號所呈現出來的強度、速率、形態和節律等信息反映出人體心血管的血流等特征。可以從脈搏信號中提取人體的生理信息作為臨床診斷和治療的依據，因此對脈搏信號的采集和處理具有很高的醫學價值和應用前景［2］。

2　下位機硬件設計與分析

2.1脈搏檢測傳感器（pulse sensor）

Pulse sensor是一款用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器。其可以佩戴于手指、耳垂等處。如圖1所示，其可以通過導線連接將采集到的模擬信號傳輸給單片機轉換為數字信號經計算后可得到心率數值，還可將脈搏波形上傳到電腦顯示，其檢測的方法為光電容積法。

光電容積法的原理：對人體組織在血管搏動時造成的不同透光率進行脈搏測量。其使用的傳感器由光源和光電變換器組成。光源一般采用對動脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長的發光二極管，當光束透過人體外周血管，由于動脈搏動充血容積變化導致這束光的透光率發生改變，此時由光電變換器接收經人體組織反射的光線，轉變為電信號并將其放大和輸出。由于脈搏是隨心臟的搏動而產生周期性變化的信號，動脈血管容積也形成周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率。

圖1　脈搏檢測傳感原理示意

2.2以太網控制模塊（W5500）

W5500模塊是一款采用全硬件TCP/IP協議棧的嵌入式以太網控制器，它能使嵌入式系統通過SPI（串行外設接口）接口輕松地連接到網絡。W5500具有完整的TCP/IP協議棧和10/100Mbps以太網網絡層（MAC）和物理層（PHY）。其全硬件的TCP/IP協議棧全程支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE協議，W5500使用32kB緩存作為其數據通信內存。SPI（串行外設接口）提供了一個能輕松與外部MCU連接的接口。W5500支持高達80MHZ的SPI通信速率。為了降低系統功率的消耗，W5500提供了網絡喚醒和休眠模式。W5500收到原始以太網數據包形式的magic packet時將被喚醒。

2.3電源模塊

文章采用220v轉9V的變壓器，用橋式電路進行半波整流之后用1000uF的電解電容及104pf電容進行整流與去耦，然后采用7805芯片將9V轉化成5V電源，做成簡單的電源模塊［3］，其結構如圖2所示。

圖2　電源模塊

2.4 單片機控制電路

本設計采用ATMEL公司的AT89C52單片機作為核心控制器件，如圖3所示。單片機AT89C52負責作為A/D轉換器AD0804轉換的驅動，并且與以太網控制器W5500模塊進行SPI協議的通信、數據接收與發送，同時將接收到的信息進行顯示，硬件電路的整體設計如圖4所示。

3　下位機程序設計分析

程序的初始化是對單片機的寄存器，LCD12864液晶，W5500模塊的本機和目的IP及其端口號的初始化。如圖5所示，A/D轉換是對采集的脈搏信號進行轉換將其轉換成能被單片機處理的數字信號。發送數據是通過W5500模塊與單片機進行SPI協議的通信，同時W5500模塊與路由器連接進行數據的實時發送。接收數據是與發送數據基本保持在同步狀態，當客戶接收到醫生的診斷信息后將直接收到信息并將其顯示到LCD12864液晶上，客戶可以足不出戶且快速了解到自己的身體情況。系統運行實時畫面如圖6所示。

4　上位機設計分析

由于VB具有編寫簡單、開發周期短的優點，因此上位機采用VB進行編寫。上位機采用winsock控件進行TCP協議［5］的編寫，實現數據的接收與發送；采用picturebox控件對傳輸的數據進行波形的顯示；采用picturebox的CurrentX和CurrentY屬性進行坐標系的繪制，易于觀測傳輸的數值；利用commandbutton組件對數據的發送進行控制；采用textbox進行文本的顯示；采用lable組件對各個部分進行標注［4］。

圖5　下位機主程序流程

圖6　系統運行實時畫面

5　產品檢測

本系統對醫用的脈搏測試儀與自主設計的遠程脈搏檢測儀進行檢測比較。實驗對同一名健康人士檢測4次，比較結果如表1所示。

表1　產品檢測比較結果

通訊功能檢測：在上位機的“健康分析”一欄中寫入“身體狀況良好”，點擊send按鈕后在下位機的LCD12864上將會顯示“身體狀況良好”。

［1］張學軍.遠程與移動醫療的起源、現狀及前景［J］.中國醫學文摘：皮膚科學，2016（1）：3-7.

［2］甄雪燕，梁永宣，王利敏，等.揭開“脈診”的神秘面紗［J］.中國衛生人才，2014（2）：90-91.

［3］劉勝利.開關電源設計與制作實踐［M］.北京：電子工業出版社，2011.

［4］黃潤發，強莎莎.VB程序設計技術［M］.上海：中國紡織大學出版社，2001.

［5］孫飛顯.TCP/IP網絡編程技術與實例［M］.北京：國防工業出版社，2014.

［6］費業泰.誤差理論與數據處理［M］.北京：機械工業出版社，2010.

Analysis of remote pulse monitoring and communication system based on TCP protocol

Xu Zhuang， Guan Ziyan， Wang Xin， Wang Donghui
（Mechanical and Power Engineering College of Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454150， China）

This paper designs a set of medical equipment for detecting patients' pulse information of remote areas. The product is based on TCP protocol for data transmission， whose host computer uses VB to write， which is mainly used winsock control to design. That upper computer makes a real-time detection on pulse waveform and displays the result， the doctors can diagnosis through it， then gives the diagnosis to patients. The lower computer uses AT89C51 as the main control board and W5500 module to carry out the communication of SPI protocol， after data acquisition，through the A/D conversion to MCU， the pulse sensor passed the result to the host computer through the W5500 module based on the TCP protocol. Doctors make diagnosis and send the result to the patient according to the data uploaded to the sever to implement the remote interaction between the doctors and patients， make the problem that patients in remote areas where it is diffcult and expensive to see a doctor can be solved， expand the access to health care. Innovation point of the product lies in that the patient's condition can be remotely monitored， so that the interaction between patients and doctors can be implemented， which is broken away from the traditional mode of face to face communication. The equipment cost is very low and easy to operate， eventhe elder alone can be able to operate it.

TCP； pulse； STC89c52； wireless； remote communication

許壯（1995— ），男，遼寧錦州，本科；研究方向：測試計量與儀器。