基于ZigBee的遠程智能醫療監護系統設計

0 引 言

隨著物聯網的不斷普及和技術的廣泛推廣，物聯網技術給醫療衛生行業帶來了深遠的影響。“物聯網醫學” 成為了人們關注的另一個焦點，“物聯網醫學”是復旦大學附屬中山醫院在第七屆上海國際呼吸研究研討會上向國內醫學界提出的。

所謂物聯網醫學，指的是利用傳感技術，將傳感器固定在人體上，傳感器的終端嵌入和連接到醫療檢測設備里，醫生可通過手機或電腦連接到該終端，實時地實現對病人全天候、遠程檢測及診斷。

1 遠程智能醫療監護系統

針對物聯網醫學提倡的全方位互聯的特點，本文將ZigBee 和GPRS 技術相結合，充分利用網絡資源，設計了對智能醫療多監護參數進行處理、傳輸和可視化的網關系統，在一定范圍內配置一處或者多處血壓、體溫、血氧和脈搏傳感器，組成ZigBee無線傳感器網絡。ZigBee網絡作為低功耗、低復雜度、低成本且可自動組網的無線網絡技術，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據利用無線網絡進行通信，同時結合GPRS 技術實現遠程監控，改變了傳統無線傳感網絡需要依托有線公共網絡進行數據傳輸的限制，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，使網絡顯示出巨大的優勢。

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圖1 所示是遠程智能醫療監護系統架構圖。該系統將信息通過HTTP POST 數據包上傳到互聯網云端Yeelink 平臺，從而實現對體征數據的實時采集、處理、可視化和遠程監測。

實際測試結果表明，該系統穩定可靠，方便擴展、實時性強。

2 網關節點硬件設計

設計實現了一種基于STC12C5A60S2 為主控芯片的智能網關系統，單片機負責GPRS 與ZigBee 網絡之間的雙向數據轉換，網關實際上是一個基于GPRS 協議和ZigBee 協議的轉換網關。在ZigBee 網絡中，網關起到網絡協調器的作用，主要工作包括ZigBee 組網組建、監聽終端節點以及與終端節點之間的雙向通信等;另外，網關節點還承擔GPRS 協議與ZigBee 協議間數據的轉換，GPRS 網絡數據的接收和發送，以及處理GSM 短信息查詢等任務。

該系統的網關硬件節點電路分為ZigBee 通信模塊、GPRS 通信模塊和電源供電模塊。網關硬件結構圖如圖2 所示。

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

2.2 ZigBee 通信模塊

ZigBee 通信模塊是基于TI 公司CC2530F256 芯片，內部運行ZigBee2007/PRO 協議棧，具有ZigBee 的全部特性。針對復雜的ZigBee 協議，本模塊將協議棧嵌入模塊內部，只留出串口，在與主控芯片通信時無需考慮ZigBee 內部協議棧，只需要讀寫串口即可實現數據的無線傳輸，簡單易用，可大大減少開發周期。ZigBee 模塊可通過串口連接到PC，可直接配置參數設置為協調器、路由器和終端節點。協調器為最初加入網絡的節點分配網絡地址(16 位)，每個ZigBee 網絡需要唯一的一個協調器;路由器可以接收、轉發數據，起到路由和中繼的作用;終端節點通常為電池供電的低功耗設備，用于采集傳感器數據，周期性發送數據。ZigBee 組網狀況使用Sensor Monitor 軟件觀察。本網關系統采用星型網絡，因此只用到ZigBee 協調器和終端節點。圖3 所示是星型網狀的ZigBee 組網。

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2.3 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900/1800 MHz 高集成度的GSM/GPRS 模塊。內嵌TCP/IP 協議模塊，使用簡單，支持GSM Rec.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。

3 網關節點軟件設計

軟件設計包括2 個部分：網關軟件和監控中心管理軟件。網關的軟件開發平臺為Keil C51，ZigBee 內部運行ZigBee2007/PRO 協議棧，ZigBee 組網監控軟件為SensorMonitor，監控中心PC 服務管理軟件開發平臺為云端Yeelink.

3.1 ZigBee/GPRS 網關的程序設計

ZigBee/GPRS 網關的程序流程如圖4 所示。系統上電后網關節點進行初始化操作，接著搜索空閑工作信道、啟動ZigBee 網絡并等待終端節點的連接請求。待所有終端節點成功加入ZigBee 網絡后，進入等待狀態，直到監測平臺發出數據采集命令，則將該命令經ZigBee 網絡轉發至所有終端節點。

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