基于云平臺的智能醫療監護系統設計

劉影+王宛+王智霖+王乾壘

摘 要：文中設計了一種基于云平臺的智能醫療系統。該系統利用傳感器采集人體生理參數，使用ZigBee無線通信技術構建無線網絡、傳輸數據，利用GPRS將數據上傳至中國移動OneNet云平臺進行動態顯示，醫生或病人家屬可以通過PC端或移動設備實時查看病人信息，若數據出現異常則自動向監護者發送短信提醒，以應對突發情況。

關鍵詞：ZigBee；智能醫療；OneNet平臺；GPRS

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

隨著我國經濟與衛生事業的快速發展，人民群眾的醫療衛生需求逐步從傳統意義上的疾病預防、診斷和治療轉變為以患者為中心、全方位的智能醫療服務。且隨著當今老齡化現象的加劇，醫療監護的作用更加突出[1]。

目前，醫療監護儀器大多是供醫院內職業醫生或專業技術人員使用的專門儀器，對病人進行生理參數監控，醫院所使用的監護系統大多建立在線纜連接的基礎上，存在體積和功耗較大，不便于攜帶，且患者需放身邊使用等問題，限制了患者和醫護人員的行動，增加了他們的負擔和風險。同時也無法滿足慢性病患者生理參數的實時監測需求。若采取全方位監護，則會耗費大量的醫療資源。因此，發展智能醫療系統勢在必行。

考慮到ZigBee技術可以很好地滿足無線數據傳輸便于攜帶、易操作、易控制、低成本、低功耗等需求，因此文中設計了一款基于ZigBee無線通信技術的智能醫療系統。采用該系統可在醫院病房內建立無線網絡，多項測試項目可在病床上完成，極大地方便了病人看護，并提升了醫院的管理和工作效率。同時，患者也可在家中佩戴該設備，醫生或家屬可通過互聯網看護，免除了患者在家庭與醫院之間奔波的勞苦。

1 系統總體結構設計

基于OneNet的智能醫療監護系統分為人體生理參數采集模塊、數據轉發模塊、網關模塊和監測中心，如圖1所示。其中人體參數采集模塊主要采集人體血壓、體溫、脈搏等生理參數。對治療過程進行動態監測，并通過無線通信的方式，將數據傳輸至上位機。數據轉發模塊主要負責將人體生理參數采集模塊采集到的數據轉發至網關模塊。此外，轉發模塊兼備拓展網絡的功能，可以增大網絡的覆蓋范圍，增加可以攜帶的生理參數采集模塊。網關負責將采集到的數據上傳至OneNet平臺。監測中心通過網頁或者手機App訪問OneNet平臺，當監測指標出現異常時可向監護者發送短信提醒，無論在醫院還是在家中都可實時收集人體狀況信息。

2 系統硬件設計

系統硬件結構框圖如圖2所示，主要由人體參數采集模塊、數據轉發模塊、網關模塊和電源模塊組成。其中人體參數采集模塊主要將采集到的信號進行分析與處理，然后將數據發送到數據轉發模塊，數據轉發模塊再將數據轉發給網關模塊，網關模塊將接收到的數據上傳至OneNet平臺。

2.1 人體生理參數采集模塊

人體生理參數采集模塊的節點框圖如圖3所示。該模塊主要包括核心處理模塊、心率傳感器、體溫傳感器和電源。

核心處理模塊是由TI公司生產的CC2530芯片組成的模塊，主要負責將傳感器采集到的數據加以處理并通過無線方式發送出去。

系統采用Pulse Sensor心率傳感器。該傳感器由光源和光電變換器組成，通過綁帶或夾子固定在病人的手指或耳垂上。光源一般采用對動脈血管中氧和血紅蛋白有選擇性的擁有一定波長（500～700 nm）的發光二極管。當光束透過人體外周血管時，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，將其轉變為電信號并放大、輸出。由于脈搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管容積也呈周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率。該傳感器使用簡單、佩戴方便、可靠性高。

體溫傳感器采用DS18B20傳感器。DS18B20是一款單總線數字溫度傳感器，其測溫范圍為-55～125℃，具有體積小、抗干擾能力強、精度高等特點。

2.2 數據轉發模塊

數據轉發模塊主要負責將人體生理參數采集模塊采集到的數據轉發至數據處理模塊。此外，轉發模塊還兼備拓展網絡的功能，可增大網絡的覆蓋范圍，增加便攜的生理參數采集模塊。

2.3 網關模塊

網關由核心處理模塊、GPRS模塊組成。其中核心處理模塊控制GPRS模塊向OneNet平臺發送人體生理參數采集模塊采集到的數據，而GPRS模塊則負責將數據上傳到OneNet平臺。該部分是內部網絡與外部網絡進行信息交換的核心， 主要負責協議轉換和信息傳遞。用戶可通過移動通信網絡、互聯網查看該系統采集到的動態信息，從而對被監護對象進行實時監控。

3 系統軟件設計

系統軟件主要由人體生理參數采集節點軟件、網關節點軟件和監測中心軟件組成。

3.1 人體生理參數采集節點軟件設計

人體參數采集節點軟件設計流程如圖4所示。

開啟人體參數采集模塊后，模塊便會搜索周圍的網絡，并請求加入該網絡。入網后對搭載的傳感器進行初始化，如設置數據采集的IO口等。傳感器開始工作，采集人體生理參數。其中傳感器采集數據按照一定的時間周期進行，到達設定的時間就會發送采集到的數據。

3.2 網關節點軟件設計

網關節點軟件設計流程如圖5所示。網關節點被開啟之后便自動創建網絡，網絡創建成功后會收到附近節點的入網請求，這時網關節點會分別為每個請求入網的節點分配PANID，以便于識別。入網節點與網關節點定時進行數據發送和數據接收。網關節點在接收到數據后將其存儲在寄存器中等待發送，并開啟和初始化GPRS模塊。GPRS模塊聯網成功后，將數據通過GPRS發送到OneNet平臺，如果信息異常，系統會自動向醫護人員或家屬的手機發送報警短信。endprint

3.3 監測中心軟件設計

文中基于中國移動物聯網開放平臺設計了監測中心軟件。中國移動物聯網開放平臺又稱 OneNet 平臺，不僅可提供免費服務且適配各種網絡環境和協議類型，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入，可提供豐富的API和應用模板以支持各類行業應用和智能硬件的開發，很好地實現GPRS DTU設備廠家提供的服務器的所有功能，同時還能夠滿足監測網絡領域的協議適配、數據存儲、數據安全及大數據分析等平臺級服務需求，為技術開發人員提供良好的開發環境，降低了開發成本和用戶的使用成本[2]。

在OneNet平臺下，用戶、產品、設備、APIKey、設備應用、觸發器、數據流的組織結構形式如圖6所示。

在每個用戶賬戶下，數據管理以項目的形式進行封裝，每個用戶可以創建多個項目，并對設備、APIKey、應用、觸發器等資源進行管理，用戶可以在一個項目下創建多個設備、APIKey、應用及觸發器，在單個設備下，用戶可以創建多個數據流[3]。

4 實驗驗證

人體生理參數采集模塊采集人體生理參數，經過數據轉發模塊轉發至網關模塊，網關模塊將數據上傳到OneNet平臺，在終端設備上顯示。圖7和圖8分別表示1號病人和2號病人的實時信息在電腦上的顯示情況。橫軸表示采集時間，縱軸表示在某一時刻監測到的病人信息，采集時間可自行設置。圖9和圖10分別表示1號病人和2號病人的實時信息在手機端的顯示情況。

當監測到指標異常時，及時向醫生或監護者發送報警短信，如圖11所示，為病人爭取最佳的治療時間。

5 結 語

本文設計了一種基于ZigBee的智能醫療監測系統，它可以實時測量病人的心率、體溫等數據，醫生或者監護者可通過手機終端或電腦及時了解被監護對象的各項指標。考慮到ZigBee具有低功耗、低成本、近距離、易組網、高容量、高安全性等特點，非常適合用于短距離無線通信，因此采用ZigBee負責無線通信。硬件部分以CC2530射頻芯片為基礎構建了智能醫療網絡的網絡協調器及終端節點模塊， 可很好地實現數據采集等功能，能夠適應今后智能醫療的發展需要。

參考文獻

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