基于物联网的远程健康监护系统的设计与实现
2014-11-12桑世庆戈秀龙
桑世庆++戈秀龙
摘 要:随着物联网产业化的推进和行业的延伸,使物联网技术和医疗电子技术有效整合,形成以信息化、智能化为支撑,以提供健康监护、紧急救援、精神关怀为基本的新型医疗服务系统,随着人民要求医疗护理水平的不断提高、人口老龄化问题的加剧,这些技术将势必得到更广泛的应用,具有巨大的发展潜力。
关键词:物联网;远程医疗;传感器
中图分类号:TP393 文献标识码:A
1概述
物联网(Internet of Things) 是一种通过感知传感设备,按约定协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯的新信息技术。这也给医疗技术的发展带来了新机遇,1971年世界第一套临床信息系统在美国加州EI Camino医院诞生,经过几十年的发展,EI Camino已成功利用无线和条码等先进技术进一步完善该临床信息系统,从而发展成为世界知名的“硅谷智能医院”。
由于无线临床信息系统的安全、可靠、稳定和先进性,以及在推动医院信息化建设、加强医院管理、改进病人安全、提高病人满意毒所起的重要作用。为新的医疗发展技术发展提供了各种可能,在医疗保健方面利用现有网络的基础架构承载无线传感器网络,建立信息传输的硬件平台;并在应用前端配置无线实时显示终端,实现诊疗实时化和信息移动化。即可降低医院和医疗中心能够以更低的成本更有效地采集及管理信息,而且还可以节省了资金和时间,在特殊情况下还挽救了生命。
2设计方案
基于物联网的远程健康监护系统主要能够实现前端采集人体生理参数,利用物联网及移动通信传输技术Zigbee、蓝牙传输到监护网关,同时利用OLED进行显示,然后通过GSM将数据传输到远端医疗监控端上,能够对家人进行提醒和便于医务人员进行会诊。基本架构如图1所示。
主要设计分为软件和硬件两个部分。
2.1硬件功能设计
(1)血压传感器节点、体温传感器节点、无线报警器节点通过Zigbee 组网连接,自动发送血压、体温、报警信息到网关,网关再将传感器信息通过串口发送到电脑上,并在上位机软件上显示。
(2)心电图通过蓝牙将心电、脉搏信息发送到电脑上,并在上位机软件上显示。
(3)GSM模块实现当检测到异常监护信息时发送报警内容。
2.2软件功能设计
(1)健康参数监控,实时显示心电、血压、脉搏、体温监控参数。
(2)监护护理功能,根据采集过来的各个参数,分析监控对象的健康状况,实现异常情况报警。
(3)检测到无线报警器节点报警按键被按下时。触发报警情况下,向GSM模块发送命令,实现发送报警内容到120或指定电话号码的功能。
(4)有简单的数据库,实现病人健康数据档案的简历存储。
3系统实现
系统通过集成血压、红外测温、心电监控传感器,结合Zigbee网关和Bluetooth网关,组成Zigbee自组织网络和Bluetooth网络。通过Zigbee、Bluetooth无线传感器网络可以实现对传感器的实时监控与控制,同时该系统集成了GSM网关和无线手持报警器,当遇到突发情况,由无线手持报警器发送报警信号。
硬件功能实现:
(1)血压传感器
血压传感器采用德利康公司BP01 型压力传感器是为监测血压而专门设计的,主要用于便携式电子血压计。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龙塑料封装,具有高线性、低噪声和外界应力小的特点;采用内部标定和温度补偿方式,从而提高了测量的精度、稳定性以及可重复性,在全量程范围内,精度为±1%,零点失调不大于±300μV。
用BP01构成的便携式电子血压计,它由偏置电源电路、前置处理电路、显示电路(A7)和压力传感器(BP01)组成。该血压计的血压测量范围为0Hg~200mmHg,分辨率为0.1mmHg,工作电源为一节9V迭层电池。
例如:读取血压传感器Zigbee传输数据格式(如图2所示)。
RBP:(READ BLOOD PRESS )读血压传感器
命令:RBP
地址:加入传感器模块地址
数据:通讯过程描述如下
上位机 →→传感器:0XFF 0XCD 0X03 CKSUM 0XA0
上位机←← 传感器(应答):0XFF 0XCD 0X05 CKSUM 0X54 QYH QYL
测量结果:0XFF 0XCD 0X08 CKSUM 0X55 SSYH SSYL SZYH SZYL XL
说明:QYH 测量过程中气压输出高字节,其中QYH.4=1表示有心跳,QYH.4=0表示无心跳;QYL气压输出低字节。SZYH SZYL舒张压;SSYH、SSYL 收缩压,其中SSYH.7=1表示心率不齐,SSYH.7=0表示心率正常;XL心率。
(2)红外测温传感器
红外测温传感器采用MLX90614,它是一款无接触式的红外线温度感应芯片,它在同时封装红外热电堆感应器与一款定制的信号调节芯片。MLX90614 是一款由Melexis 研发并生产的测温器,它包括: 红外热电堆感应器MLX81101,MLX90614 在 -40 ?C~125 ?C 环境温度及-70?C~382.2 ?C 物体温度范围内进行出厂校准,并且为了适应医疗应用的要求, MLX90614 还可提供在人体温度范围内的高精确度±0.1?C。
读取红外测温传感器Zigbee传输数据格式(图3):
AIT:(InfraredTEMP)红外温度测温
上传命令:AIT,表示上传红外测温数据
地址:传感器模块地址
数据:WD+XXX(3字节ASCII码数据)
(3)无线手持报警器
无线手持报警器的无线部分主要采用了CC2530,它是专门针对IEEE 802.15.4和Zigbee应用的单芯片解决方案,经济且低功耗。支持无线更新和大型应用程序, 8kB RAM用于更为复杂的应用和Zigbee应用,可编程输出功率达+4dBm 。在掉电模式下,只有睡眠定时器运行时,仅有不到1uA的电流损耗, 具有强大的地址识别和数据包处理引擎。
支持Zigbee、 Zigbee RF4CE、6LoWPAN和Wireless及其他所有基于802.15.4标准的解决方案;卓越的接收机灵敏度和可编程输出功率;在接收、发射和多种低功耗的模式下具有极低的电流消耗,能保证较长的电池使用时间。
读取无线手持报警器Zigbee传输数据格式(图4):
ARC:(Remote Control)手持遥控报警
命令:ARC,表示遥控器被按下,报警
地址:传感器模块地址
数据:WD+XX(2字节ASCII码数据)
(4)心电监控传感器
心电采集芯片采用美国德州仪器公司(TI)的解决方案。ADS1298是(ACTIVE)具有集成ECG 前端的8通道24位模数转换器,主要用于心电图 (ECG)监控中。DS1294/6/8/4R/6R/8R是多通道,同步采样24位,三角积分模数转换器(ADC)系列产品,此产品具有内置的可编程增益放大器(PGA),内部基准,和一个板载振荡器。ADS1294/6/8/4R/6R/8R包含了所有医疗心电图应用所通常要求的所有特性。
它的输出数据位数取决于通道数和每个通道数据位数。对于ADS1298,输出数据位数是(24状态位+24位*8通道)=216位。24状态位的格式是:(1100+LOFF_STATP+LOFF_STATN+GPIO寄存器[4∶7]位)。每个通道数据的格式是两个补码和一个MSB。心电监控传感器采集数据格式中数据流每一个字节代表了生物电的电压值,取值范围为0x00~0xFF。心电监控采用蓝牙技术传输,蓝牙通讯的干扰小,可靠性高。蓝牙功耗少,它的通讯距离选定在10m范围内。
(5)GSM网关
GSM网关采用SIM900A是一个2频的GSM/GPRS模块,工作频段为:EGSM 900MHz和DCS 1800MHz。SIM900A支持GPRS multi-slot class 10/class 8(可选)和GPRS编码格式 CS-1,CS-2,CS-3 and CS-4。SIM900A采用省电技术设计,在SLEEP模式下最低耗流只有1mA,此外,该模块内嵌TCP/IP协议。模块与用户移动应用的物理接口为68个贴片焊盘,本模块和电路板的所有硬件接口:键盘和SPI显示接口;主串口和调试串口;一路音频接口,包含一个麦克风输入和一个扬声器输出;可编程通用输入输出接口。SIM900A的消息设置见表1。
软件功能实现:
所有的传感器数据传输到数据中心,通过对传感器数据的实时分析,可以实现对人员的生命体征和健康状况进行监控与分析。监控软件实现的基本功能如下,如图5所示。
结语
本方案设计的医疗系统集成了物联网和移动互联技术,能够利用终端实时显示和传达生理特征信息,当遇到突发情况可以实现通过Zigbee无线传感器网络发送到数据中心,再有数据中心向GSM网关发出短信报警命令,可以向目标联系人发出求救信号,从而保护使用人的生命财产安全。
参考文献
[1]桑世庆.UHF RFID技术在医药物流管理中的应用研究[J].计算机应用与软件,2013.
[2]王勤,储海盟,李占川.物联网技术在医疗行业的应用[J].信息通信,2012(03) .
数据:WD+XXX(3字节ASCII码数据)
(3)无线手持报警器
无线手持报警器的无线部分主要采用了CC2530,它是专门针对IEEE 802.15.4和Zigbee应用的单芯片解决方案,经济且低功耗。支持无线更新和大型应用程序, 8kB RAM用于更为复杂的应用和Zigbee应用,可编程输出功率达+4dBm 。在掉电模式下,只有睡眠定时器运行时,仅有不到1uA的电流损耗, 具有强大的地址识别和数据包处理引擎。
支持Zigbee、 Zigbee RF4CE、6LoWPAN和Wireless及其他所有基于802.15.4标准的解决方案;卓越的接收机灵敏度和可编程输出功率;在接收、发射和多种低功耗的模式下具有极低的电流消耗,能保证较长的电池使用时间。
读取无线手持报警器Zigbee传输数据格式(图4):
ARC:(Remote Control)手持遥控报警
命令:ARC,表示遥控器被按下,报警
地址:传感器模块地址
数据:WD+XX(2字节ASCII码数据)
(4)心电监控传感器
心电采集芯片采用美国德州仪器公司(TI)的解决方案。ADS1298是(ACTIVE)具有集成ECG 前端的8通道24位模数转换器,主要用于心电图 (ECG)监控中。DS1294/6/8/4R/6R/8R是多通道,同步采样24位,三角积分模数转换器(ADC)系列产品,此产品具有内置的可编程增益放大器(PGA),内部基准,和一个板载振荡器。ADS1294/6/8/4R/6R/8R包含了所有医疗心电图应用所通常要求的所有特性。
它的输出数据位数取决于通道数和每个通道数据位数。对于ADS1298,输出数据位数是(24状态位+24位*8通道)=216位。24状态位的格式是:(1100+LOFF_STATP+LOFF_STATN+GPIO寄存器[4∶7]位)。每个通道数据的格式是两个补码和一个MSB。心电监控传感器采集数据格式中数据流每一个字节代表了生物电的电压值,取值范围为0x00~0xFF。心电监控采用蓝牙技术传输,蓝牙通讯的干扰小,可靠性高。蓝牙功耗少,它的通讯距离选定在10m范围内。
(5)GSM网关
GSM网关采用SIM900A是一个2频的GSM/GPRS模块,工作频段为:EGSM 900MHz和DCS 1800MHz。SIM900A支持GPRS multi-slot class 10/class 8(可选)和GPRS编码格式 CS-1,CS-2,CS-3 and CS-4。SIM900A采用省电技术设计,在SLEEP模式下最低耗流只有1mA,此外,该模块内嵌TCP/IP协议。模块与用户移动应用的物理接口为68个贴片焊盘,本模块和电路板的所有硬件接口:键盘和SPI显示接口;主串口和调试串口;一路音频接口,包含一个麦克风输入和一个扬声器输出;可编程通用输入输出接口。SIM900A的消息设置见表1。
软件功能实现:
所有的传感器数据传输到数据中心,通过对传感器数据的实时分析,可以实现对人员的生命体征和健康状况进行监控与分析。监控软件实现的基本功能如下,如图5所示。
结语
本方案设计的医疗系统集成了物联网和移动互联技术,能够利用终端实时显示和传达生理特征信息,当遇到突发情况可以实现通过Zigbee无线传感器网络发送到数据中心,再有数据中心向GSM网关发出短信报警命令,可以向目标联系人发出求救信号,从而保护使用人的生命财产安全。
参考文献
[1]桑世庆.UHF RFID技术在医药物流管理中的应用研究[J].计算机应用与软件,2013.
[2]王勤,储海盟,李占川.物联网技术在医疗行业的应用[J].信息通信,2012(03) .
数据:WD+XXX(3字节ASCII码数据)
(3)无线手持报警器
无线手持报警器的无线部分主要采用了CC2530,它是专门针对IEEE 802.15.4和Zigbee应用的单芯片解决方案,经济且低功耗。支持无线更新和大型应用程序, 8kB RAM用于更为复杂的应用和Zigbee应用,可编程输出功率达+4dBm 。在掉电模式下,只有睡眠定时器运行时,仅有不到1uA的电流损耗, 具有强大的地址识别和数据包处理引擎。
支持Zigbee、 Zigbee RF4CE、6LoWPAN和Wireless及其他所有基于802.15.4标准的解决方案;卓越的接收机灵敏度和可编程输出功率;在接收、发射和多种低功耗的模式下具有极低的电流消耗,能保证较长的电池使用时间。
读取无线手持报警器Zigbee传输数据格式(图4):
ARC:(Remote Control)手持遥控报警
命令:ARC,表示遥控器被按下,报警
地址:传感器模块地址
数据:WD+XX(2字节ASCII码数据)
(4)心电监控传感器
心电采集芯片采用美国德州仪器公司(TI)的解决方案。ADS1298是(ACTIVE)具有集成ECG 前端的8通道24位模数转换器,主要用于心电图 (ECG)监控中。DS1294/6/8/4R/6R/8R是多通道,同步采样24位,三角积分模数转换器(ADC)系列产品,此产品具有内置的可编程增益放大器(PGA),内部基准,和一个板载振荡器。ADS1294/6/8/4R/6R/8R包含了所有医疗心电图应用所通常要求的所有特性。
它的输出数据位数取决于通道数和每个通道数据位数。对于ADS1298,输出数据位数是(24状态位+24位*8通道)=216位。24状态位的格式是:(1100+LOFF_STATP+LOFF_STATN+GPIO寄存器[4∶7]位)。每个通道数据的格式是两个补码和一个MSB。心电监控传感器采集数据格式中数据流每一个字节代表了生物电的电压值,取值范围为0x00~0xFF。心电监控采用蓝牙技术传输,蓝牙通讯的干扰小,可靠性高。蓝牙功耗少,它的通讯距离选定在10m范围内。
(5)GSM网关
GSM网关采用SIM900A是一个2频的GSM/GPRS模块,工作频段为:EGSM 900MHz和DCS 1800MHz。SIM900A支持GPRS multi-slot class 10/class 8(可选)和GPRS编码格式 CS-1,CS-2,CS-3 and CS-4。SIM900A采用省电技术设计,在SLEEP模式下最低耗流只有1mA,此外,该模块内嵌TCP/IP协议。模块与用户移动应用的物理接口为68个贴片焊盘,本模块和电路板的所有硬件接口:键盘和SPI显示接口;主串口和调试串口;一路音频接口,包含一个麦克风输入和一个扬声器输出;可编程通用输入输出接口。SIM900A的消息设置见表1。
软件功能实现:
所有的传感器数据传输到数据中心,通过对传感器数据的实时分析,可以实现对人员的生命体征和健康状况进行监控与分析。监控软件实现的基本功能如下,如图5所示。
结语
本方案设计的医疗系统集成了物联网和移动互联技术,能够利用终端实时显示和传达生理特征信息,当遇到突发情况可以实现通过Zigbee无线传感器网络发送到数据中心,再有数据中心向GSM网关发出短信报警命令,可以向目标联系人发出求救信号,从而保护使用人的生命财产安全。
参考文献
[1]桑世庆.UHF RFID技术在医药物流管理中的应用研究[J].计算机应用与软件,2013.
[2]王勤,储海盟,李占川.物联网技术在医疗行业的应用[J].信息通信,2012(03) .