基于GSM的遠(yuǎn)程醫(yī)療呼救系統(tǒng)設(shè)計

田永毅，盧慶林

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

隨著生存壓力加大和我國社會老齡化的加劇，老人家庭“空巢化”成為社會發(fā)展的趨勢。當(dāng)空巢老人遇到諸如心臟病、高血壓等疾病突發(fā)時，多伴有神志不清、無行為能力、跌倒等癥狀，大多數(shù)情況下，病人無法自己完成呼救措施，常常因此錯過最佳搶救時機(jī)而造成不良后果[1-2]。針對這一問題，本文設(shè)計了一種基于GSM的遠(yuǎn)程醫(yī)療自動呼救系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有攜帶方便、可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，能夠解決空巢老人的醫(yī)療救助問題。

1 系統(tǒng)描述

基于GSM的遠(yuǎn)程醫(yī)療自動呼救系統(tǒng)由多個從站和一個主站組成，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。從站系統(tǒng)由若干醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備、控制器和GSM模塊組成，進(jìn)行生命體征的檢測與無線傳送。主站通過GSM模塊與從站進(jìn)行通信，并對接收到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為后續(xù)的醫(yī)療救護(hù)提供參考。

用戶攜帶的從站系統(tǒng)定時喚醒醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備對用戶進(jìn)行生命體征的檢測，從站控制器將采集來的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的正常生命體征值進(jìn)行比對。一旦超出正常范圍，從站控制器將通過GSM模塊向主站（醫(yī)療機(jī)構(gòu)）發(fā)送用戶編碼（用于區(qū)分不同用戶）和當(dāng)前生命體征值，同時向用戶親屬的手機(jī)發(fā)送預(yù)警信息。主站（醫(yī)療機(jī)構(gòu)）可根據(jù)用戶編碼調(diào)出用戶的既往病歷，結(jié)合當(dāng)前的生命體征值制定相應(yīng)的救護(hù)方案。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Frame chart of system network

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

從站系統(tǒng)通常由電子血壓計、跌倒檢測模塊、GSM模塊和微處理器（CPU）組成。主站系統(tǒng)由GSM模塊、微處理器（CPU）、顯示與報警電路（也可通過串口模塊連接計算機(jī)）組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig. 2 Frame chart of hardware system

醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備可根據(jù)監(jiān)測對象實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。本文重點(diǎn)考慮老年人中常見的心臟病和高血壓病，故僅選用了電子血壓計、跌倒檢測模塊。同時為了減少能耗，降低更換從站電池的頻率，采用MSP430系列超低功耗微處理器。

2.1 無線通信模塊

采用西門子公司的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊TC35，它能可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息業(yè)務(wù)。該模塊集射頻電路和基帶于一體，模塊工作電壓為3.3～5.5 V，可工作在900 MHz和1 800 MHz兩個頻段，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，方便用戶的應(yīng)用開發(fā)及設(shè)計。該模塊還提供RS232數(shù)據(jù)接口，可方便的與單片機(jī)進(jìn)行串口通信。

2.2 微處理器與GSM的接口連接

本系統(tǒng)中的微處理器采用MSP430系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號控制器，集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)，可以最大限度降低系統(tǒng)電路的復(fù)雜度，減少了系統(tǒng)的功耗和體積[3]。

單片機(jī)與GSM模塊連接方式如圖3所示。單片機(jī)與GSM模塊通過串口模塊MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后連接（MAX232具有驅(qū)動能力，無需外加驅(qū)動電路）。需要注意的是：主站與從站之間可以進(jìn)行雙向通信，通過用戶地址碼對從站加以區(qū)分。從站與從站之間不能直接通信。

圖3 單片機(jī)與GSM模塊的接口連接Fig. 3 Interfaces of GSM module and MCU

2.3 跌倒檢測模塊

本系統(tǒng)采用GY-29-ADXL345 數(shù)字加速度模塊實(shí)現(xiàn)跌倒檢測。該模塊的核心是超低功耗3 軸加速度計ADXL345，其測量范圍達(dá)±16 g，數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16 位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過SPI或I2C 數(shù)字接口訪問。它可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運(yùn)動或沖擊導(dǎo)致的動態(tài)加速度，具有極高的分辨率，能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化。

圖4 GSM傳輸數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Fig. 4 Data frame structure of GSM

跌倒檢測的基本原理是通過測量攜帶該模塊的用戶在運(yùn)動過程中3個正交方向的加速度變法來獲得該用戶身體姿態(tài)變化的信息，從而判斷該用戶是否發(fā)生跌倒[4-5]。

2.4 生命體征監(jiān)測

考慮到老人常見的心臟病、高血壓，本系統(tǒng)采用PAL-901腕式電子血壓計來實(shí)現(xiàn)生命體征監(jiān)測。該血壓計可測量心率、高壓、低壓，測量數(shù)據(jù)可通過串口輸出，單次發(fā)送6字節(jié)數(shù)據(jù)，傳輸速率為19 200 bit/s，電平電壓2.8 V。而且該血壓計體積小、供電電源采用干電池，攜帶非常方便。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 通信協(xié)議

在無線傳輸過程中，由于天氣狀況、干擾與噪聲等因素的影響，從站和主站之間的無線通信往往會出現(xiàn)傳輸幀的丟失或數(shù)據(jù)傳輸出錯（誤碼）。為了確保傳輸?shù)目煽啃?，需要制定相?yīng)的通信協(xié)議[6]。

本系統(tǒng)采用的GSM傳輸數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)由幀頭、用戶地址編碼、跌倒標(biāo)識、生命體征數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)部分組成。GSM傳輸數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，噪聲產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為1111111100000000的概率很低，因此發(fā)送數(shù)據(jù)幀以0xFF和0x00為幀頭，以避免數(shù)據(jù)誤接收。用一個字節(jié)地址編碼來區(qū)別不同的用戶從站系統(tǒng)。數(shù)據(jù)檢錯采用CRC校驗(yàn)方式。接收端檢測到0xFF和0x00字節(jié)后，表示收到的數(shù)據(jù)幀有效。如果該幀CRC校驗(yàn)正確，則說明接收正確，否則表示該幀傳輸出錯，丟棄該幀。

3.2 程序流程

基于GSM的遠(yuǎn)程醫(yī)療自動呼救系統(tǒng)程序流程如圖5～6所示。

從站系統(tǒng)定時喚醒電子血壓計對用戶生命體征進(jìn)行檢測，并將采集來的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的正常值進(jìn)行比對。一旦超出正常范圍，則通過GSM模塊向主站（醫(yī)療機(jī)構(gòu)）發(fā)送用戶編碼和當(dāng)前生命體征值，同時向用戶親屬的手機(jī)發(fā)送預(yù)警信息。主站接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效性、可靠性驗(yàn)證。通過驗(yàn)證后，則發(fā)出警報并顯示用戶編碼和生命體征值。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計了一種基于GSM[7]的遠(yuǎn)程醫(yī)療自動呼救系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用加速度傳感器測量跌倒時的信號，提出了意外跌倒的檢測算法。并以電子血壓計監(jiān)測用戶的生命體征，利用GSM無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與報警，具有攜帶方便、可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，能夠在一定程度上解決空巢老人的醫(yī)療救助問題。

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