基于ZigBee與GPRS智能醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)關(guān)設(shè)計

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷普及和技術(shù)的廣泛推廣，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)帶來了深遠(yuǎn)的影響?！拔锫?lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)”成為了人們關(guān)注的另一個焦點，“物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)”是復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院在第七屆上海國際呼吸研究研討會上向國內(nèi)醫(yī)學(xué)界提出的。所謂物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)，指的是利用傳感技術(shù)，將傳感器固定在人體上，傳感器的終端嵌入和連接到醫(yī)療檢測設(shè)備里，醫(yī)生可通過手機或電腦連接到該終端，實時地實現(xiàn)對病人全天候、遠(yuǎn)程檢測及診斷。

1遠(yuǎn)程智能醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)

針對物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)提倡的全方位互聯(lián)的特點，本文將ZigBee和GPRS技術(shù)相結(jié)合，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，設(shè)計了對智能醫(yī)療多監(jiān)護參數(shù)進行處理、傳輸和可視化的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng),在一定范圍內(nèi)配置一處或者多處血壓、體溫、血氧和脈搏傳感器，組成ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)?ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為低功耗、低復(fù)雜度、低成本且可自動組網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，支持傳感器信息采集、傳輸和處理，可以將不同點的多個傳感器數(shù)據(jù)利用無線網(wǎng)絡(luò)進行通信，同時結(jié)合GPRS技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,改變了傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)需要依托有線公共網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?，解決了同時安裝大量檢測裝置、布線量大、線路維護和更改困難的難題，使網(wǎng)絡(luò)顯示出巨大的優(yōu)勢。

圖1  遠(yuǎn)程智能醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖1所示是遠(yuǎn)程智能醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)架構(gòu)圖。該系統(tǒng)將信息通過HTTPPOST數(shù)據(jù)包上傳到互聯(lián)網(wǎng)云端Yeelmk平臺,從而實現(xiàn)對體征數(shù)據(jù)的實時采集、處理、可視化和遠(yuǎn)程監(jiān)測。實際測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，方便擴展、實時性強。

2網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件設(shè)計

設(shè)計實現(xiàn)了一種基于STC12C5A60S2為主控芯片的智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，單片機負(fù)責(zé)GPRS與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,網(wǎng)關(guān)實際上是一個基于GPRS協(xié)議和ZigBee協(xié)議的轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)起到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的作用，主要工作包括ZigBee組網(wǎng)組建、監(jiān)聽終端節(jié)點以及與終端節(jié)點之間的雙向通信等；另外，網(wǎng)關(guān)節(jié)點還承擔(dān)GPRS協(xié)議與ZigBee協(xié)議間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送,以及處理GSM短信息查詢等任務(wù)。

該系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)硬件節(jié)點電路分為ZigBee通信模塊、GPRS通信模塊和電源供電模塊。網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1電源供電模塊

因ZigBee模塊和GSM模塊所需電壓分別為3.3V和5.5V，故系統(tǒng)的電源模塊將9V的電壓輸入轉(zhuǎn)化為3.3V和5.5V這兩種電壓輸出供處理器和其他模塊使用。該方式的特點：一是系統(tǒng)電源模塊能留出足夠的余量，最大可提供3A的電流，從而防止因功率輸出過大造成電源芯片發(fā)熱、燒毀；其二是本系統(tǒng)通過LDO芯片LM2575-5和LM1117-3.3兩級降壓，設(shè)計電源精度為98%,紋波為30mV，能滿足系統(tǒng)要求。

ZigBee通信模塊

ZigBee通信模塊是基于TI公司CC2530F256芯片，內(nèi)部運行ZigBee2007/PRO協(xié)議棧，具有ZigBee的全部特性。針對復(fù)雜的ZigBee協(xié)議，本模塊將協(xié)議棧嵌入模塊內(nèi)部，只留出串口，在與主控芯片通信時無需考慮ZigBee內(nèi)部協(xié)議棧,只需要讀寫串口即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，簡單易用，可大大減少開發(fā)周期［9］。ZigBee模塊可通過串口連接到PC,可直接配置參數(shù)設(shè)置為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器為最初加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址（16位），每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)需要唯一的一個協(xié)調(diào)器；路由器可以接收、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，起到路由和中繼的作用；終端節(jié)點通常為電池供電的低功耗設(shè)備，用于采集傳感器數(shù)據(jù)，周期性發(fā)送數(shù)據(jù)。ZigBee組網(wǎng)狀況使用SensorMonitor軟件觀察。本網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)［8］,因此只用到ZigBee協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點。圖3所示是星型網(wǎng)狀的ZigBee組網(wǎng)。

GPRS通信模塊

GPRS模塊使用的是龍尚的A8000,其采用德國英飛凌的基帶芯片，具有超高的接收靈敏度，是一款雙頻900/1800MHz高集成度的GSM/GPRS模塊。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議模塊，使用簡單，支持GSMRec.07.07/07.05及其特有擴展指令集，通過UART控制，與單片機通過串口直接通信図。

3網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括2個部分：網(wǎng)關(guān)軟件和監(jiān)控中心管理軟件。網(wǎng)關(guān)的軟件開發(fā)平臺為KeilC51,ZigBee內(nèi)部運行ZigBee2007/PRO協(xié)議棧，ZigBee組網(wǎng)監(jiān)控軟件為SensorMonitor,監(jiān)控中心PC服務(wù)管理軟件開發(fā)平臺為云端Yeelink。

3.1ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)的程序設(shè)計

ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)的程序流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后網(wǎng)關(guān)節(jié)點進行初始化操作，接著搜索空閑工作信道、啟動ZigBee網(wǎng)絡(luò)并等待終端節(jié)點的連接請求。待所有終端節(jié)點成功加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，進入等待狀態(tài)，直到監(jiān)測平臺發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，則將該命令經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至所有終端節(jié)點。終端節(jié)點根據(jù)命令或者定時調(diào)用數(shù)據(jù)采集程序獲取當(dāng)前生理數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行初步處理后上傳至網(wǎng)關(guān)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點收集所有的數(shù)據(jù)進行分析、處理、融合，得到統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)包,通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)包上傳互聯(lián)網(wǎng)云端Yeelink平臺，平臺完成對數(shù)據(jù)的處理和分析工作。

3.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)指令設(shè)計

針對系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式為階段性喚醒查詢方式，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸采用點對點數(shù)據(jù)傳輸方式。點對點數(shù)據(jù)傳輸可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部任意節(jié)點直接通過點對點指令來設(shè)置傳輸,指令格式為0XFD+數(shù)據(jù)長度（用戶自定義）+目標(biāo)地址+數(shù)據(jù),下面以源節(jié)點（地址0x0001）發(fā)送數(shù)據(jù)010203040506到網(wǎng)關(guān)地址（0X143E）為例，源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)格式如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)傳送格式

該格式發(fā)送的數(shù)據(jù)為FD013E1401020304,接收到的數(shù)據(jù)也為FD013E14010203040506。但需特別注意數(shù)據(jù)區(qū)的長度，它可自由定義，不一定等于數(shù)據(jù)區(qū)實際長度，也可以作為其他表示用途。目的地址，低位在前，高位在后，合起來是0X143E。點對點傳輸具有任意節(jié)點之間傳輸?shù)暮锰?在路由加入網(wǎng)絡(luò)后，短地址不會發(fā)生改變。目標(biāo)地址=FFFF，為廣播發(fā)送；目標(biāo)地址=0000,則表示發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

GPRS移動網(wǎng)絡(luò)指令

Yeelmk物聯(lián)網(wǎng)平臺是一個免費的物聯(lián)網(wǎng)平臺，允許用戶將設(shè)備接入到網(wǎng)站，從而實現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)測和控制。利用現(xiàn)成的物聯(lián)網(wǎng)平臺可大大節(jié)省開發(fā)周期。以下是單片機發(fā)送AT指令控制GPRS模塊連接互聯(lián)網(wǎng)，并向Yeelink物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送HTTPPOST數(shù)據(jù)包的部分過程指令：

AT+CGATT=1（GPRS附著狀態(tài)）

AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET"（定義PDP上下文）

AT+CGACT=1,1（接除或者激活PDP移動場景）

AT+CIPSTART="TCP","202.136.56.203"（服務(wù)器IP）,80（端口號）

CONNETOK（表示GPRS與互聯(lián)網(wǎng)連接成功）

AT+CIPSEND（開啟TCP連接）

發(fā)送httppost:

POST

/1.0/device/2182/sensor/2848/datepointsHTTP/1.1

Host：pi.yeelink，net

Accept：*/*

U-ApiKey：f6dff9e05de8ff0d84c115709a478a6a

Content-Length:14

Content-Type：pplication/x-www-form-urlencoded

Conection:lose

{"value":待發(fā)送參數(shù)}

AT+CIPCLOSE（關(guān)閉TCP連接）

3.4系統(tǒng)測試

本測試過程中，以測量多點室溫為監(jiān)測量，系統(tǒng)采用階段性的休眠和喚醒狀態(tài)。每個節(jié)點每隔1min被喚醒一次，進行數(shù)據(jù)的采集，并等待協(xié)調(diào)器發(fā)出傳輸命令將數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器，然后進入休眠狀態(tài)。系統(tǒng)的一個節(jié)點的溫度在互聯(lián)網(wǎng)Yeelink平臺的監(jiān)視界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)測試運行結(jié)果

4結(jié)語

本設(shè)計將ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)應(yīng)用于生理參數(shù)智能醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中，實現(xiàn)無人值守時被監(jiān)護人生理參數(shù)實時遠(yuǎn)程監(jiān)測、異常情況警告和短信查詢等功能，避免人工測量的麻煩，減輕醫(yī)護人員的負(fù)擔(dān)，保證受監(jiān)護人始終處于監(jiān)控狀態(tài)。本方案在實際運行中穩(wěn)定、可靠，可廣泛應(yīng)用于各類無人值守遠(yuǎn)程智能監(jiān)護系統(tǒng)。

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