基于云平台的智能医疗监护系统设计

刘影+王宛+王智霖+王乾垒

摘 要：文中设计了一种基于云平台的智能医疗系统。该系统利用传感器采集人体生理参数，使用ZigBee无线通信技术构建无线网络、传输数据，利用GPRS将数据上传至中国移动OneNet云平台进行动态显示，医生或病人家属可以通过PC端或移动设备实时查看病人信息，若数据出现异常则自动向监护者发送短信提醒，以应对突发情况。

关键词：ZigBee；智能医疗；OneNet平台；GPRS

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

随着我国经济与卫生事业的快速发展，人民群众的医疗卫生需求逐步从传统意义上的疾病预防、诊断和治疗转变为以患者为中心、全方位的智能医疗服务。且随着当今老龄化现象的加剧，医疗监护的作用更加突出[1]。

目前，医疗监护仪器大多是供医院内职业医生或专业技术人员使用的专门仪器，对病人进行生理参数监控，医院所使用的监护系统大多建立在线缆连接的基础上，存在体积和功耗较大，不便于携带，且患者需放身边使用等问题，限制了患者和医护人员的行动，增加了他们的负担和风险。同时也无法满足慢性病患者生理参数的实时监测需求。若采取全方位监护，则会耗费大量的医疗资源。因此，发展智能医疗系统势在必行。

考虑到ZigBee技术可以很好地满足无线数据传输便于携带、易操作、易控制、低成本、低功耗等需求，因此文中设计了一款基于ZigBee无线通信技术的智能医疗系统。采用该系统可在医院病房内建立无线网络，多项测试项目可在病床上完成，极大地方便了病人看护，并提升了医院的管理和工作效率。同时，患者也可在家中佩戴该设备，医生或家属可通过互联网看护，免除了患者在家庭与医院之间奔波的劳苦。

1 系统总体结构设计

基于OneNet的智能医疗监护系统分为人体生理参数采集模块、数据转发模块、网关模块和监测中心，如图1所示。其中人体参数采集模块主要采集人体血压、体温、脉搏等生理参数。对治疗过程进行动态监测，并通过无线通信的方式，将数据传输至上位机。数据转发模块主要负责将人体生理参数采集模块采集到的数据转发至网关模块。此外，转发模块兼备拓展网络的功能，可以增大网络的覆盖范围，增加可以携带的生理参数采集模块。网关负责将采集到的数据上传至OneNet平台。监测中心通过网页或者手机App访问OneNet平台，当监测指标出现异常时可向监护者发送短信提醒，无论在医院还是在家中都可实时收集人体状况信息。

2 系统硬件设计

系统硬件结构框图如图2所示，主要由人体参数采集模块、数据转发模块、网关模块和电源模块组成。其中人体参数采集模块主要将采集到的信号进行分析与处理，然后将数据发送到数据转发模块，数据转发模块再将数据转发给网关模块，网关模塊将接收到的数据上传至OneNet平台。

2.1 人体生理参数采集模块

人体生理参数采集模块的节点框图如图3所示。该模块主要包括核心处理模块、心率传感器、体温传感器和电源。

核心处理模块是由TI公司生产的CC2530芯片组成的模块，主要负责将传感器采集到的数据加以处理并通过无线方式发送出去。

系统采用Pulse Sensor心率传感器。该传感器由光源和光电变换器组成，通过绑带或夹子固定在病人的手指或耳垂上。光源一般采用对动脉血管中氧和血红蛋白有选择性的拥有一定波长（500～700 nm）的发光二极管。当光束透过人体外周血管时，由于动脉搏动充血，容积变化，导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，将其转变为电信号并放大、输出。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也呈周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。该传感器使用简单、佩戴方便、可靠性高。

体温传感器采用DS18B20传感器。DS18B20是一款单总线数字温度传感器，其测温范围为-55～125℃，具有体积小、抗干扰能力强、精度高等特点。

2.2 数据转发模块

数据转发模块主要负责将人体生理参数采集模块采集到的数据转发至数据处理模块。此外，转发模块还兼备拓展网络的功能，可增大网络的覆盖范围，增加便携的生理参数采集模块。

2.3 网关模块

网关由核心处理模块、GPRS模块组成。其中核心处理模块控制GPRS模块向OneNet平台发送人体生理参数采集模块采集到的数据，而GPRS模块则负责将数据上传到OneNet平台。该部分是内部网络与外部网络进行信息交换的核心， 主要负责协议转换和信息传递。用户可通过移动通信网络、互联网查看该系统采集到的动态信息，从而对被监护对象进行实时监控。

3 系统软件设计

系统软件主要由人体生理参数采集节点软件、网关节点软件和监测中心软件组成。

3.1 人体生理参数采集节点软件设计

人体参数采集节点软件设计流程如图4所示。

开启人体参数采集模块后，模块便会搜索周围的网络，并请求加入该网络。入网后对搭载的传感器进行初始化，如设置数据采集的IO口等。传感器开始工作，采集人体生理参数。其中传感器采集数据按照一定的时间周期进行，到达设定的时间就会发送采集到的数据。

3.2 网关节点软件设计

网关节点软件设计流程如图5所示。网关节点被开启之后便自动创建网络，网络创建成功后会收到附近节点的入网请求，这时网关节点会分别为每个请求入网的节点分配PANID，以便于识别。入网节点与网关节点定时进行数据发送和数据接收。网关节点在接收到数据后将其存储在寄存器中等待发送，并开启和初始化GPRS模块。GPRS模块联网成功后，将数据通过GPRS发送到OneNet平台，如果信息异常，系统会自动向医护人员或家属的手机发送报警短信。endprint

3.3 监测中心软件设计

文中基于中国移动物联网开放平台设计了监测中心软件。中国移动物联网开放平台又称 OneNet 平台，不仅可提供免费服务且适配各种网络环境和协议类型，支持各类传感器和智能硬件的快速接入，可提供丰富的API和应用模板以支持各类行业应用和智能硬件的开发，很好地实现GPRS DTU设备厂家提供的服务器的所有功能，同时还能够满足监测网络领域的协议适配、数据存储、数据安全及大数据分析等平台级服务需求，为技术开发人员提供良好的开发环境，降低了开发成本和用户的使用成本[2]。

在OneNet平台下，用户、产品、设备、APIKey、设备应用、触发器、数据流的组织结构形式如图6所示。

在每个用户账户下，数据管理以项目的形式进行封装，每个用户可以创建多个项目，并对设备、APIKey、应用、触发器等资源进行管理，用户可以在一个项目下创建多个设备、APIKey、应用及触发器，在单个设备下，用户可以创建多个数据流[3]。

4 实验验证

人体生理参数采集模块采集人体生理参数，经过数据转发模块转发至网关模块，网关模块将数据上传到OneNet平台，在终端设备上显示。图7和图8分别表示1号病人和2号病人的实时信息在电脑上的显示情况。横轴表示采集时间，纵轴表示在某一时刻监测到的病人信息，采集时间可自行设置。图9和图10分别表示1号病人和2号病人的实时信息在手机端的显示情况。

当监测到指标异常时，及时向医生或监护者发送报警短信，如图11所示，为病人争取最佳的治疗时间。

5 结 语

本文设计了一种基于ZigBee的智能医疗监测系统，它可以实时测量病人的心率、體温等数据，医生或者监护者可通过手机终端或电脑及时了解被监护对象的各项指标。考虑到ZigBee具有低功耗、低成本、近距离、易组网、高容量、高安全性等特点，非常适合用于短距离无线通信，因此采用ZigBee负责无线通信。硬件部分以CC2530射频芯片为基础构建了智能医疗网络的网络协调器及终端节点模块， 可很好地实现数据采集等功能，能够适应今后智能医疗的发展需要。

参考文献

[1]刘海涛，马建，熊永平.物联网技术应用[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]侯杰林，张青春，符骏.基于OneNet平台的水质远程监测系统设计[J].淮阴工学院学报，2016，25（3）：10-13.

[3]中国移动通信集团.资源管理层次结构-中国移动物联网开放平台[EB/OL].[2016-01-08].http：//open.iot.10086.cn/apidoc/accbbb/80.html.

[4]石道生，任毅，罗惠谦.基于ZigBee技术的远程医疗监护系统设计与实现[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2008，30（3）：394-397.

[5]黄敏.基于蓝牙4.0的人体传感网的研究与设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2015.

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[8]皮健肤，黄辰.基于Hadoop的智能医疗分析系统的设计研究[J].物联网技术，2014，4（9）：25-27.endprint