引 言

　　隨著我國人口老齡化的到來，生態(tài)環(huán)境與疾病譜的改變，居民健康面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。經(jīng)濟的發(fā)展，技術(shù)的進步人們對于醫(yī)療服務質(zhì)量的要求也越來越高，服務的內(nèi)容也從疾病的治療到疾病預防和保健。而醫(yī)院及監(jiān)護中心數(shù)量有限，是必導致醫(yī)患矛盾加劇，利用計算機技術(shù)和遠程通信技術(shù)實現(xiàn)遠距離的疾病診斷、治療和健康護理等多種醫(yī)學功能的遠程醫(yī)療監(jiān)護模式，勢必將成為一種必然。

　　無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）是當前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成，綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信等技術(shù)的前沿研究領(lǐng)域。由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點組成，通過各類微型傳感器節(jié)點對目標信息進行實時監(jiān)測，形成的一個自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，通過無線通信網(wǎng)絡將信息傳送至遠程監(jiān)控終端。目前將無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、Internet技術(shù)相結(jié)合，已成為無線遠程醫(yī)療監(jiān)護研究的熱點。國內(nèi)已經(jīng)有很多企業(yè)和研究機構(gòu)參與無線醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡產(chǎn)品的設計和研發(fā)，重慶大學楊永明設計了基于 Internet 的遠程醫(yī)療監(jiān)護即時通信系統(tǒng)，用于對患者的病情進行遠程在線監(jiān)控；北京生命在線研發(fā)的基于藍牙的遠程家庭健康管理監(jiān)護網(wǎng)絡為患者提供了優(yōu)質(zhì)的居家慢性病管理醫(yī)療服務 ；珠海中立電子集團開發(fā)的心臟病集群監(jiān)護系統(tǒng)，清華大學、深圳大學等高校研究機構(gòu)研制的多參數(shù)監(jiān)護網(wǎng)絡系統(tǒng)已經(jīng)投入各大醫(yī)院使用。為了實現(xiàn)對患者的實時監(jiān)護，系統(tǒng)設計將 ZigBee 和GPRS 技術(shù)相結(jié)合，以 SPCE061A 微控制器、CC2520 射頻芯片為核心器件，構(gòu)建了一個能實現(xiàn)生理參數(shù)的采集和無線傳輸?shù)倪h程醫(yī)療監(jiān)護終端，為監(jiān)護用戶和醫(yī)生提供各種重要的生理參數(shù)變化，有利于對監(jiān)護者健康的實時監(jiān)護和疾病的預警、診斷及治療。

　　1 無線遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的總體設計

　　系統(tǒng)設計由智能監(jiān)護終端、ZigBee 收發(fā)模塊、GPRS 通信模塊（GPRS 網(wǎng)絡）、Internet 、醫(yī)院局域網(wǎng)及醫(yī)院監(jiān)護中心等部分組成，其總體設計框圖如圖 1 所示。該系統(tǒng)將 ZigBee和 GPRS 技術(shù)相結(jié)合，利用 Internet 網(wǎng)絡實現(xiàn)從家庭監(jiān)護、院內(nèi)監(jiān)護到急救現(xiàn)場、社區(qū)醫(yī)院乃至整個城市和全國的醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡的互聯(lián)互通。醫(yī)院監(jiān)護中心服務器端隨時處于監(jiān)聽狀態(tài)，實時響應用戶發(fā)出的連接請求與讀取請求，以實現(xiàn)對監(jiān)護用戶全方位、全天候的實時監(jiān)護。

　　智能監(jiān)護終端由ZigBee生理參數(shù)采集傳感器和ZigBee收發(fā)模塊構(gòu)成，若干個智能監(jiān)護終端可以利用ZigBee靈活組網(wǎng)建立星型、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡的技術(shù)特點，構(gòu)成一個微型監(jiān)護網(wǎng)絡。利用SPCE061A控制器對所需要監(jiān)測的生命指標進行采集，通過ZigBee收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，并利用RS232串口送至與其所連接的PC或由GPRS移動通信網(wǎng)絡以無線的方式連接到Internet。通過Internet網(wǎng)絡可以將 數(shù)據(jù)傳輸至醫(yī)院監(jiān)護中心，由監(jiān)護中心專家對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計 觀察與分析處理，提供必要的咨詢服務，實現(xiàn)遠程醫(yī)療。在 救護車、自然災害救災或戰(zhàn)爭急救現(xiàn)場監(jiān)護終端利用GPRS 模塊連接到I nternet,實現(xiàn)將急救病人、傷病員情況的實時傳送， 以利于醫(yī)院搶救室和遠程指導工作。

　　2監(jiān)護終端的硬件設計

　　監(jiān)護終端的主要功能為監(jiān)護身份的識別、人體生理指標 數(shù)據(jù)的采集，并通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至ZigBee協(xié)調(diào) 器或利用GPRS網(wǎng)絡發(fā)送到監(jiān)護中心。設計主要包括生理參 數(shù)采集模塊和無線通信模塊硬件設計和軟件編程。為了實現(xiàn) 低成本、小型化和移動靈活的特點，以SPCE061A為主控芯 片，它是一款具有語音處理功能的u'nSpTM結(jié)構(gòu)的微控制器， u'nSpTM指令系統(tǒng)提供了具有較高運算速度的16位X16位的 乘法運算指令和內(nèi)積運算指令，為其應用增添了 DSP功能， 方便實現(xiàn)系統(tǒng)的語音和指紋身份識別功能的實現(xiàn)。

　　本系統(tǒng)將采集模塊和GPRS （General Packet Radio Service）通信模塊、ZigBee模塊相結(jié)合來實現(xiàn)生理參數(shù)的無 線傳輸。首先由SPCE061A發(fā)出開始監(jiān)測某項生理參數(shù)的指令， 對人體生理信號（心電、血壓、血氧、脈搏等）進行采集。該 系統(tǒng)一方面對數(shù)據(jù)進行處理和顯示，另一方面將結(jié)果數(shù)據(jù)無 線上傳至個人健康數(shù)據(jù)庫供檢索和回放。圖2所示是本監(jiān)護終 端的硬件結(jié)構(gòu)圖。

　　2.1生理參數(shù)采集模塊

　　生理參數(shù)采集模塊由傳感器、微控制器單元、電源構(gòu) 成。采集監(jiān)護用戶的血壓、血氧、體溫和心電信號。系統(tǒng)心電 信號的采集，利用心電導聯(lián)線的方式獲取，由信號調(diào)理電路 進行放大和濾波，才能滿足系統(tǒng)要求?？焖贆z測并提取清晰 的心電信號是進行監(jiān)護和分析診斷的基礎(chǔ)，由于心電信號屬低 頻的微弱信號，設計采用ADI公司的集成單電源儀表放大器 AD623進行前級放大，再經(jīng)過后續(xù)的多級放大和濾波后，送 入單片機SPCE061A的ADC接口，完成心電信號的數(shù)字化， 并由SPCE061A進行處理和顯示。AD623是一個在無外接電 阻時單增益（G=1），在1和8引腳間外接電阻后可編程設置增 益，增益最高可達1?1 000 dB，且具有很好的線性度和可 靠的溫度穩(wěn)定性。其電路如圖3示。

　　系統(tǒng)中使用的血氧模塊和血壓模塊分別為北京邁創(chuàng)通元 電子儀器有限公司的BTN602無創(chuàng)血壓模塊和BTN604血氧 模塊。BTN602模塊通過示波法原理來實現(xiàn)收縮壓、舒張壓 及脈搏的測量，收到SPCE061A的指令后，對測量袖帶充氣 加壓，直至肱動脈血流阻斷，減壓放氣，這一過程中會產(chǎn)生一 系列脈搏波，脈搏波的最大值對應平均壓，舒展壓和收縮壓與 脈搏波的最大值成一定的比例關(guān)系，就可以完成血壓及脈搏 的測量，返回系統(tǒng)狀態(tài)和相應數(shù)據(jù)。兩個模塊均采用UART 口與單片機通信，信號電平為TTL電平，與SPCE061 A單片 機可以直接相連，利用單片機普通I/O 口軟件模擬串口與其通信。

　　2.2指紋識別模塊

　　指紋識別模塊用于監(jiān)護用戶身份的辨識，無需帳號和密 碼即可自助完成登錄和測量過程，這對于老人、殘疾人群具 有重要意義。指紋是指手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的 紋路，不同的人各不相同，在信息處理中稱作“特征”，依靠 特征的唯一性，就可以驗證用戶的真實身份。系統(tǒng)設計 采用臺灣富士通公司的劃擦型指紋傳感器MBF300和MBF300 屬于電容性傳感器，傳感器發(fā)出的電子信號可以穿過手指的表 面和死性皮膚層，達到手指皮膚的真皮層，直接讀取指紋圖案， 從而大大提高了該系統(tǒng)的安全性。MBF300支持三種接口形 式，即MCU接口模式、SPI接口模式和USB接口模式。系 統(tǒng)采用USB接口模式與SPCE061A單片機直接相連。

　　2.3 ZigBee與GPRS無線通信模塊

　　醫(yī)療設備對電磁輻射的要求很高，輻射的電磁波既不 能夠干擾其他設備正常工作，同時也應具有一定的抗干擾能 力，不受其他設備輻射出的電磁波干擾。系統(tǒng)射頻通信采用 TI公司專門針對近距離高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?02.15.4/ZigBee標準 的CC2520無線射頻收發(fā)器，具有出色鏈路預算、高工作溫 度、低工作電壓、遠傳輸距離等出色特性和較高的數(shù)據(jù)糾錯 和抗干擾能力。SPCE061A可以通過軟件模擬SPI接口來實現(xiàn) 對CC2520的工作參數(shù)配置和發(fā)射/接收數(shù)據(jù)，模擬的關(guān)鍵在 于SPI的讀寫時序。GPRS通訊模塊選取Simcom公司研制的內(nèi)嵌TCP / IP協(xié)議的GPRS模塊SIM300,該模塊功能強大、 操作簡單、性價比高，具有標準的AT指令以及支持GPRS無 線上網(wǎng)的AT指令。兩模塊與SPCE061A的硬件連接電路如 圖4所示。

　　3健康監(jiān)護終端軟件設計

　　健康監(jiān)護終端軟件設計采用模塊化的編程思想，使用單片機C語言完成底層程序的開發(fā)，主要包括心電、血氧、血壓、脈搏等生理參數(shù)的采集、處理、存儲、報警和顯示以及各項數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。由數(shù)據(jù)采集程序、軟串口程序、基于GPRS模塊（GPRS模塊初始化及GPRS內(nèi)存讀寫等）、ZigBee模塊的通信程序（模塊入網(wǎng)、數(shù)據(jù)格式的定義、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收等）以及數(shù)據(jù)顯示與存儲程序等模塊組成。其中，ZigBee協(xié)調(diào)器負責建立網(wǎng)絡，監(jiān)護終端加入網(wǎng)絡，然后周期性地采集各路信號發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送給PC機。監(jiān)護終端的數(shù)據(jù)包使用的是結(jié)構(gòu)體的形式，包含了數(shù)據(jù)包的頭、尾、該監(jiān)護終端的設備類型、網(wǎng)絡地址、以及采集的傳感器數(shù)據(jù)，當然還有檢驗信息等。同時，為了降低系統(tǒng)功耗，有效地完成多參數(shù)的采集，利用了多種中斷方式來完成系統(tǒng)功能，包括鍵盤輸入中斷、串口中斷、定時中斷等。其程序流程框圖如圖5所示。

　　4結(jié)語

　　隨著我國衛(wèi)生體制改革的進一步深入，以社區(qū)、家庭為單元的遠程醫(yī)療監(jiān)護模式將得到逐步的興起，基于ZigBee技術(shù)、GPRS技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及數(shù)據(jù)庫管理等先進技術(shù)的遠程醫(yī)療健康監(jiān)護終端，將在家庭和臨床得到廣泛的應用，對提高人們的生活質(zhì)量和醫(yī)院的健康管理與服務水平，具有重要的現(xiàn)實意義。系統(tǒng)經(jīng)過多次調(diào)試，基本實現(xiàn)了各項功能，性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸可靠。系統(tǒng)設計創(chuàng)新之處：

　?。?）采用低功耗ZigBee無線傳輸技術(shù)，提高了節(jié)能效率；

　?。?）采用指紋識別模塊用于監(jiān)護用戶身份的辨識，方便了老人、殘疾人群的使用；

　?。?）應用無線傳感網(wǎng)絡與Interne結(jié)合，實現(xiàn)從家庭監(jiān)護、院內(nèi)監(jiān)護到急救現(xiàn)場、社區(qū)醫(yī)院乃至整個城市和全國的醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，讓醫(yī)療資源的得以共享。