基于物联网的智能医护系统的设计与实现

潘玲蓉，毛云川，宋铁成，沈连丰

(东南大学信息科学与工程学院，江苏南京 210096)

随着物联网技术的发展，物联网的应用逐渐拓展到社会生活的各个方面，智能医护也是物联网的一个重要应用领域［1］。

本文设计了一种基于物联网技术的智能医护系统的总体方案，搭建了一个能够模拟无人值守的自动医疗监护站的硬件实验平台。通过合理地设计软件模块，可用于区域范围内重点人群的医疗监护［2］。采用无线通信技术进行医疗数据传输，使得医生不必长期在医疗站坐诊，只要定期查看监护报表和查收手机短信息即可获知患者情况，并对体征异常的患者提供有针对性的诊疗和药品等服务。本文提出的医护系统可用于住宅小区内，既能够减轻患者在诊疗费用方面的负担及往返医院带来的不便，又能够有效提高医生的诊疗效率。本系统也能为物联网的其他智能应用提供一定的借鉴作用［3-4］。

1 智能医护系统总体方案

为了提供综合性的医疗服务，本系统设计有如下几项功能。

(1)通过社区内重点护理人员持有的RFID技术标签，完成身份验证功能，自动为待测人员安排位置并给出提示。通过数字化的医疗设备获取待测人员的实时身体状况数据和设备的本地信息。

(2)每个诊位均将测量数据上传至物联网主节点，记录待测人员的ID标签号及其各项体征值。

(3)每个侍测人员测量结束后，主节点将数据传送给计算机存档，并将结果存储到数据库中。若结果异常，则将测试结果发送至指定手机。医生根据先待测人员身体现状数据和医疗历史数据，评估健康水平和身体老化程度［5］。

根据上述功能要求，本文构建了中小型社区诊所内的自助型医疗监护联网系统。系统总体方案如图1所示。

图1 基于物联网的智能医护系统总体方案图

本文研制的智能医护系统由硬件平台和软件平台构成。硬件平台包括PC机、和PC机用串口相连的物联网主节点、TD-SCDMA模块和几个与主节点相连的从节点。其中一个从节点与RFID模块相连，其它从节点上都配有数字化医用传感器。软件系统包括物联网主从节点的烧写程序和PC机上的上位机程序。

物联网主从节点共同组成网状ZigBee网络以完成无线传输。物联网主节点用于接收数据并向从节点传输控制命令，从节点用于传感器数据和RFID数据的采集。数据汇集至连接主节点的PC机，并由PC机上的上位机程序负责数据的存储和分析功能。社区内的重点护理人员均持有基于RFID技术的标签，通过标签完成身份验证即可在从节点进行自助式测量。完成测量过程后，系统会自动将测量数据汇总至社区诊所的医疗档案存档。对于体征不正常者，系统通过与PC机相连的TD-SCDMA模块将测量记录以短信形式发送至指定医师的手机上，医师会给出治疗建议并提供及时的医疗服务。

2 硬件平台的设计

本系统的硬件设计主要包括三部分:物联网主从节点构成的ZigBee网络、RFID读写系统和接入3G网络模块。

物联网主从节点负责无线网络的组建与维护、各种传感器数据的获取及传输等功能，因此必须具备ZigBee通信模块和传感器扩展接口。主要节点以CPU为核心的硬件框图如图2所示。

图2 物联网主从节点硬件框图

节点中的IEEE802.15.4收发器和运行于CPU上的ZigBee协议栈共同实现无线组网和数据传输功能。主节点电源采用外部电源供电，从节点由于其移动性采用电池供电。CPU和IEEE802.15.4收发器可以选择英国Jennic的JN5139。这是一款单芯片的ZigBee基带和射频模块，能够便捷地实现ZigBee无线网络的组建与管理以及数据的无线传输。由于JN5139内置处理器是32位RISC内核，速度高达16MHz，所以可采用此作为节点的CPU，省去了采用独立CPU的成本，并且简化了硬件结构。数据传输接口采用JN5139自带的UART端口。主节点通过此端口与PC机连接，上传数据并接收来自上位机软件的指令，从节点可通过此端口与RFID读写模块连接，作为RFID系统接入ZigBee网络的接口。

从节点上的板载传感器包括通用传感器和医用传感器，其中医用传感器可选用任何数字化的测试生命体征指标传感器。我们以华科电子研究所提供的HKX-08A型心率传感器模块为例，它是一款将模拟信号处理与数字处理技术集成于一体的检测心率的电路模块，从节点可以通过串口获得其心率数据。此外，为了满足心率传感器的处理需要，可添加STC12LE5A56AD微处理器单元。

在本系统中RFID用来标示人员的身份，以验证其合法性。RFID系统包括读写模块和标签，本系统中的读写模块选用恒睿电子的RMU900+。这是一款工作于840-960MHz频段范围的超小型化的UHF RFID读写模块，集成了PLL、无线发射、无线接收、耦合器以及 MCU等部件，支持 EPC C1GEN2/ISO 18000-6C和ISO/IEC18000-6B等协议，可通过UART与物联网从节点连接并上传标签ID等信息。本系统中的人员身份标签可选用传统的卡片式电子标签。

另外，在本系统中，我们可以使用南京东大移动互联公司提供的TD-SCDMA模块将ZigBee网络接入公网。该模块对TD－SCDMA的网络结构和信令交互流程进行深入剖析，实现了3G的基本通话、视频通话、多媒体彩铃、多媒体彩信、高速上网及TCP/IP等主流应用功能。通过设定指令可以将数据信息发送给指定的手机号码。

3 核心软件的设计与实现

本系统所有软件包括物联网主从节点软件和PC机上的上位机软件。

物联网主从节点软件可以在Jennic公司提供的Codeblocks平台上用C语言编写。软件的主要功能是将从节点上的人员心率数据和ID数据无线传输给主节点，主节点再将数据传输给与之相连的PC机，对数据进行处理、存储和分析。

PC机的上位机软件采用 Delphi语言编写。Delphi具有丰富而强大的界面实现控件，可以实现出非常友好的用户操作界面。

上位机软件具有初始化物联网主从节点、显示系统运行时的各种提示信息、显示和管理各个节点的接入信息和实时状况、人员身份验证、进行生命体征指标测量、查看人员记录、给出诊断信息和将测量结果关键数据发送给指定手机等诸多功能。软件的设计流程为建立物联网主节点与各个从节点之间的无线网络后，所有人都可以使用自己的身份卡完成各种体征指标的测量工作，如图3所示。

图3 智能医护系统应用程序流程图

系统给用户发放RFID人员身份卡，若标签ID已存在于数据库内，说明该用户是授权用户。授权用户一旦进入系统即可被识别身份，系统根据各当前节点的使用情况自动分配一台医疗设备供其使用。若有空闲节点，系统给出分配节点的提示信息，用户进入节点进行10秒一次的心率采集，测量时长为两分钟;若节点都有人员在测量心率，则提示用户等待。用户完成测量后，体征数据立即通过无线网络传输至主节点，主节点将数据交由PC存档，同时进行初步分析。如果分析认为数据正常，则本次测量完成;如果分析发现有病情隐患，则将用户身份信息和测量结果通过短信发送至指定医生手机，使得医生可以第一时间获悉病情并联系用户采取进一步的诊疗措施。

3.1 软件平台的初始化

软件平台的初始化包括ZigBee网络组建、TDSCDMA模块的初始化和所有授权用户ID入库，完成初始化步骤后，才能进行人员心率的监测。

1)ZigBee网络组建

物联网主从节点上电后使自动运行程序。主节点接收到上位机发出的初始化命令后，每一个主从节点的IEEE 802.15.4协议栈使对其PHY和MAC层进行初始化的工作。主节点选择PAN ID、自身的短地址和本网络的射频频率后，就可以通过开放对于加入网络请求的应答来启动网络。从节点进行频道扫描时，将在特定的频率通道中发送信标请求。当主节点检测到该信标请求后，它将回应相应的信标来向设备标识自己。主节点将决定是否具有足够的资源接受新的设备，并且决定是否接受和拒绝设备加入网络。如果接受了设备，它将发送一个16位的短地址给设备，作为设备在网络中的标识。所有设备完成这些步骤后，ZigBee网络就组建完成了。

2)接入3G网络的实现

系统中的发送短信功能由TD-SCDMA模块实现。选择PC机与TD-SCDMA模块相连的串口并将模块成功复位后，上位机软件即能通过串口向该模块发送指令启动模块。成功启动该模块后方能启用短信提示功能，在“目标号码文本框”中输入要发送短信的目标号码，勾选“启用短信提示功能”前的方框，则开启短信提示功能。TD-SCDMA模块就可通过向3G网络发送AT指令来完成自动向指定目标号码发送短信的任务。

3)基于ADO的数据库链接

智能医护系统的数据库服务器用于存储各心率采集节点的数据信息如用户ID号、姓名、测量记录值和采样时间等并对这些信息进行有效的归纳汇总。本系统采用Microsoft SQL Sever作为数据库管理系统，其中有两个最重要的数据库。一个用来存储用户ID和用户姓名，它以用户ID作为主键，每个用户ID对应一条不重复的记录，用户只有在通过认证后才能进入本医护系统使用系统提供的测试心率的功能;另一个用来记录用户每次进行心率测试后得到的医疗数据。

Delphi可以为我们提供三种数据库连接技术，它们分别是ADO、ODBC和BDE，本系统使用的是ADO技术。Delphi很好地封装了ADO对象，提供了连接组件和数据集组件，实现数据的各种操作［6］。上位机程序打开后，自动建立对存储在数据库服务“PC-201110070979”上的“medical_care”数据库的链接，系统所有的管理功能实现都建立在这个链接的基础之上。

4 联调与测试

搭建好硬件平台并将物联网各个节点的程序烧写完毕之后，就可以运行上位机软件对本系统进行初始化操作。初始化操作完成后，我们就能使用上位机程序控制本系统。程序运行时的界面如图4所示。窗口左上角用于发出初始化物联网命令，左下部TD-SCDMA设置用于选择是否开启自动发送短信的功能和设置发送短信的目标手机号码。下方的Listview中显示上位机操作时的各种提示信息。右上部的心率监控主窗体上直观、实时地显示用户在各心率采集节点进行心率测量的信息如已经采集到的心率值个数、当前采集到的心率值和在此节点上测量心率的用户姓名。通过以上测试，证实了上位机能达到我们预期设计的功能，可以有效管理整个系统的运作。

研制系统已经在一些中小型社区诊所内试用，能有效地监测人员的身体健康状况。本文介绍的系统对其它物联网应用也有借鉴作用。

图4 智能医护系统运行时的上位机界面

［1］StefanovD H，ZeungnamB，BANG W C.The smart house for older persons and persons with physical disabilities:structure，technology arrangements and perspectives［J］.IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering，2004，12(2):228-250.

［2］刘佳，刘柏全，宋铁成，沈连丰.一种物联网教学实验系统的设计与实现［J］.南京:电气电子教学学报，2010年第06期

［3］成小良，邓志东.基于ZigBee规范构建大规模无线传感器网络［J］.北京:通信学报，2008年第11期:158-164

［4］苏忠城，尚斐.基于无线传感器网络的心电信号监测系统［J］.北京:生命科学仪器，2009年第03期:60-63

［5］杨文茵.基于物联网的智能家居医疗系统［J］.佛山:佛山科学技术学院学报(自然科学版)，2011年7月第29卷第4期

［6］杨树林.基于B/S模式的网络教学系统的设计与实现［J］.北京:北京印刷学院学报，2004.9:15-18