基于無線網(wǎng)絡(luò)的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)構(gòu)建

賁海權(quán)

摘要：針對當前患者信息遠程監(jiān)控的需求，結(jié)合當前的信息技術(shù)，提出一種無線網(wǎng)絡(luò)的遠程醫(yī)療系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，首先對系統(tǒng)的整體架構(gòu)進行設(shè)計，然后分別對系統(tǒng)的終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點等進行詳細，并對協(xié)調(diào)器的通信進行了詳細設(shè)計。通過以上設(shè)計，旨在為智能化遠程診療技術(shù)的發(fā)展提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：遠程醫(yī)療;Zigbee技術(shù);串口通信;上位機

中圖分類號：TP277

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）12-0070-04

1 總體方案設(shè)計

本次研究的遠程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)總體劃分為多個部分，包括遠程監(jiān)控中心、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點以及終端節(jié)點，各個部分需要按照正確的方式進行連接。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）內(nèi)含有較多的路由節(jié)點與終端節(jié)點，并且二者在結(jié)構(gòu)上基本是相同的。終端節(jié)點主要是各種類型的傳感器，可以對人體體溫等參數(shù)進行采集，以此獲取到需要的信息。在應(yīng)用過程中可以結(jié)合具體需求來設(shè)置需要的傳感器。

各個終端節(jié)點在運行過程中無法直接通信，而是需要將采集到的信息傳輸?shù)铰酚晒?jié)點中，此過程中主要利用了無線傳輸技術(shù)。路由節(jié)點將得到的信息進一步通過協(xié)調(diào)器節(jié)點傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。在整個系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點處于核心的地位，一方面需要作為上位機與終端節(jié)點的通信媒介，即以串口的方式將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C中;另一方面還需要對Zig Bee無線網(wǎng)絡(luò)進行管理和維護。

上位機主要位于遠程監(jiān)控中心，用于對系統(tǒng)采集的相關(guān)信息進行展示和處理，總體劃分為2部分，分別是監(jiān)控軟件與數(shù)據(jù)庫，前者主要用于對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，并為用戶展示需要的信息;后者用于存儲相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。

監(jiān)控中心軟件需要對采集到的溫度、血壓等數(shù)據(jù)進行實時處理，如果這些指標超過正常的范圍，則需要通過報警的方式提醒用戶，便于及時采取針對性的治療措施。醫(yī)生可以根據(jù)遠程診療系統(tǒng)中得到的數(shù)據(jù)信息來初步判斷病人的病癥，從而為后續(xù)的治療提供更多的信息。

2 節(jié)點設(shè)計

2.1 終端節(jié)點設(shè)計

在本次設(shè)計中的路由器節(jié)點與終端節(jié)點分別屬于全功能設(shè)備與簡化功能設(shè)備，在滿足功能需求的同時降低了使用的成本，二者的結(jié)構(gòu)基本是一致的，主要包括微控制器、傳感器、無線通信以及電源等多個模塊，二者通過配合可以將采集到的血壓等參數(shù)實時傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心中，在數(shù)據(jù)傳輸過程中利用了高效的Zig Bee技術(shù)。終端節(jié)點的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

協(xié)調(diào)器屬于整個網(wǎng)絡(luò)的核心控制部分，在結(jié)構(gòu)上與終端節(jié)點基本是一致的，但是沒有設(shè)計傳感器模塊。協(xié)調(diào)器需要與上位機之間進行通信，以此可以將采集到的信息以串口方式傳輸?shù)缴衔粰C中進行進一步的處理。

本系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點實質(zhì)上是一個“網(wǎng)關(guān)”，作為上位機與終端節(jié)點的通信媒介，將接收到的血壓等信息實時傳輸?shù)缴衔粰C中。在協(xié)調(diào)器節(jié)點中設(shè)置了串口通信模塊，以此高效將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心上位機中。其具體的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

協(xié)調(diào)器節(jié)點除了需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C之外，還需要對無線傳感器進行維護和管理，因此其功耗相對較高。在串口通信模塊主要采用了MAX3221 CAE電平轉(zhuǎn)換芯片和RS-232串口，基于專用的接口電路實現(xiàn)了與上位機的連接，可以實時將采集到的血壓等生理參數(shù)信息傳輸?shù)缴衔粰C中，保證了信息傳輸?shù)目煽啃耘c時效性，為后續(xù)的處理與診斷奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點通信模塊設(shè)計

在本次設(shè)計中主要利用了串口通信方式完成上位機與協(xié)調(diào)器之間的通信，具體采用的是RS-232接口，其在電平標準上與單片機是不同的，前者的電平標準+15/+13V、-15/- 13V分別代表1、0;后來電平標準TTL電平：+5V、OV分別對應(yīng)著1、0。因此二者之間需要進行電平交換，此過程中主要利用了MAX322IACE芯片，以此可以對CC2430單片機輸出的信號進行轉(zhuǎn)換，并將其傳輸?shù)接嬎銠C中。MAX322IACE的具體電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

基于協(xié)議棧默認的方式對協(xié)調(diào)器節(jié)點進行配置，其中TX、RX端分別是P0_3、PO_2，在連接過程中需要將MAX3221CAE 8腳RIN與PO_2進行連接，將TIN與P0_3進行連接，以此完成電平轉(zhuǎn)換的過程。電平轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 監(jiān)控中心設(shè)計

3.1 整體架構(gòu)設(shè)計

監(jiān)控中心系統(tǒng)主要面向終端用戶，可以實時展示數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，并為醫(yī)生的診療提供準確的信息。系統(tǒng)提供了可視化的操作頁面，各種信息以不同的方式進行展示，直觀性更強。在終端節(jié)點采集到人體生理數(shù)據(jù)之后，主要通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點，在此過程中需要構(gòu)建完善的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，確保通信的質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上以串口方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的上位機中。此時可以對得到的信息進行分析和處理，以不同的方式展示處理后的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)超過了正常的范圍則會及時報警，據(jù)此可以對患者的病癥進行診斷，并采取有效的治療措施來緩解病人的癥狀?？紤]到日后在診療過程中仍然需要使用這些數(shù)據(jù)，因此將數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在數(shù)據(jù)庫中。

在監(jiān)控軟件設(shè)計過程中需要考慮到用戶的操作習(xí)慣以及使用要求等，綜合分析本次設(shè)計中主要利用Visual Basic（簡稱VB）語言來進行可視化界面的開發(fā)，可以將用戶需要的信息實時顯示在前端頁面中。監(jiān)控中心具體布局如圖6所示。

監(jiān)控中心布局需要保持較高的合理性，結(jié)合用戶的需求對監(jiān)控軟件界面進行設(shè)計，保證協(xié)調(diào)器與上位機之間通信的可靠性，以此能夠為病癥診療提供較多的支持。在上位機中除了有監(jiān)控軟件外，還需要部署數(shù)據(jù)庫，用于存儲采集到的數(shù)據(jù)信息。因此在監(jiān)控中心中主要劃分為數(shù)據(jù)庫、遠程監(jiān)控以及串口通信3個模塊。

3.2 終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點主要完成各項信息的采集功能，主要涉及到了血壓、溫度等人體生理參數(shù)，基于DS18820等傳感器可以將采集到的信息傳輸?shù)铰酚晒?jié)點中。在終端節(jié)點軟件設(shè)計方面主要利用了IAR編譯環(huán)境。在運行過程中需要先對傳感器電路進行初始化，搜索并加入到對應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)中，由此可以完成數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)墓δ?。該部分的具體流程如圖7所示。

3.3 路由節(jié)點軟件設(shè)計

路由節(jié)點需要獲取到終端節(jié)點采集到的信息，包括血壓和體溫等信息，然后將得到的信息進一步傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器中。在具體傳輸過程中需要先對芯片上電，然后由協(xié)調(diào)器節(jié)點分配16位短地址，在成功添加到網(wǎng)絡(luò)后可以完成數(shù)據(jù)的接收與傳輸?shù)墓δ?。具體的流程如圖8所示。

3.4 協(xié)調(diào)器節(jié)點通信設(shè)計

在Zigbee網(wǎng)絡(luò)建立完成之后，協(xié)調(diào)器始終處于運行狀態(tài)，可以實時獲取到路由節(jié)點傳輸?shù)男畔?，并將其傳輸?shù)缴衔粰C中。首先需要對協(xié)調(diào)器節(jié)點進行初始化，然后建立對應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)，由此可以完成數(shù)據(jù)的接收和傳輸?shù)墓δ?。該部分的具體實現(xiàn)流程如圖9所示。

3.5 數(shù)據(jù)實時監(jiān)控模塊設(shè)計

在數(shù)據(jù)實時監(jiān)控模塊設(shè)計了多個類來完成對應(yīng)的功能，具體即為圖9中所示，需要以1s的周期獲取數(shù)據(jù)庫中的人體生理參數(shù)，然后對數(shù)據(jù)進行分析和處理，判斷是否達到了設(shè)定的閾值。在本次設(shè)計中主要以溫度參數(shù)處理為例進行分析，對應(yīng)的功能類分別是Temperature Access， Temperature data System， Ac-cess Helper、Temperature data，在各個類中提供了不同的方法，包括數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)對比以及報警等功能。其中，Draw Line（）函數(shù)可以在第一象限中標記最新的溫度以及血壓數(shù)據(jù)，并繪制坐標軸以及背景，分析數(shù)據(jù)是否處于正常的閾值范圍內(nèi)，根據(jù)對比結(jié)果來確定警告等級，如果高于二級，則及時進行報警，并采取有效的治療措施。

4 結(jié)語

通過以上設(shè)計看出，遠程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的核心主要包含2個方面：①要實現(xiàn)患者病人相關(guān)信息的采集，包括體溫等;②要實現(xiàn)采集器與后臺的通信，并通過后臺實時展示病人的信息。通過以上的設(shè)計，可實現(xiàn)患者數(shù)據(jù)的實時采集，從而為當前遠程無線醫(yī)療提供了參考和借鑒。

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