基于可穿戴终端设备的远程健康管理系统研究

张媛 高鹏

【摘要】本系统运用物联网技术实时动态收集和传输老年慢性疾病的健康数据，搭建一个基于智慧医疗理念的远程健康管理系统，系统通过异构无线网关实现蓝牙和WiFi，ZigBee和WiFi间的协议转换，本文主要从蓝牙和WiFi、ZigBee和WiFi间通信协议转换，数据融合转发的机制进行研究。

【关键词】远程医疗;异构网关;协议转换

【基金项目】重庆市教育教学改革项目，项目编号：203529，“新工科背景下基于学科交叉融合视角的人工智能专业课程体系研究”;

重庆市教育科學“十三五”规划课题，项目编号：2019-GX-474，“面向新工科构建电子信息类应用型人才“三三制”培养模式”;

重庆市教委科技研究项目，项目编号：KJQN201802，“基于人工智能健康管理系统的异构无线网关研究”

中图分类号：TN929                    文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.07.030

我国面临严峻的人口老年化的问题，基于“互联网+”的健康管理服务平台是日常健康管理与社区医疗融合的载体，健康管理系统通过对健康数据的远程监护，实现对被监护对象的健康指导和诊断。结合老年人慢性病需要长期监测的需求，研究远程健康管理系统，通过可穿戴医疗设备把测量的生理健康数据实时地传输到云平台，便于监护人员通过智能手机或计算机实现远程监控。

1. 研究内容

健康管理系统采用蓝牙、ZigBee、WiFi、4G异构无线网关，网关通过各种通信协议间的转换，建立和维护异构网络中数据的转换、分发与处理，确保各种设备之间能顺利流畅地实现通信，最终实现可穿戴终端设备和互联网云平台数据通信。通过异构融合，实现多种无线网络技术优势互补，实现各种可穿戴终端设备的入网要求，解决网络可穿戴终端节点要求低功耗、组网灵活、能与个人电脑和手持设备数据通信等功能需求。ZigBee网络功耗低和组网能力强，ZigBee网络可以自主的进行建立和配置，实现多个网络节点灵活管理，且网络规模极大，完全能够满足健康管理的要求。蓝牙可穿戴设备类型多，市场占有率高，满足蓝牙入网要求，提高了系统的应用面。通过WiFi和4G接口，将可以和手机、电脑、平板和其它无线终端连接。利用蓝牙、ZigBee、WiFi、4G的异构融合，实现各类可穿戴终端节点与健康管理平台实现数据传输。

2. 系统结构

2.1 远程健康管理系统框架

本系统利用蓝牙和ZigBee网络收集人体生理健康参数通过WiFi网络发送到互联网云平台进行处理和显示，管理人员通过智能手机和计算机进行简单操作，同时云平台还可以对人体生理健康参数进行处理并自动报警，实现远程健康管理。远程健康管理系统由可穿戴监护终端、异构无线网关和云平台以及终端设备手机和服务器三部分组成，系统框图如图1。

2.2 异构无线网关的结构

远程健康管理系统中的异构无线网关是整个系统的中心，网关负责建立和维护ZigBee网络、蓝牙网络以及连接到WiFi网络，并实现异构网络中数据的转换、分发与处理，确保蓝牙、ZigBee和WiFi设备之间能顺利流畅地实现通信。

异构无线网关由蓝牙协调器、ZigBee协调器、中央控制器、WiFi控制器组成，两部分间通过USART串行接口进行通信，通过协议转换和数据融合方式实现异构网络之间的数据通信。WiFi控制器通过站点模式加入路由建立与互联网中云平台的连接。图2为异构无线网关结构框图。

3. 通信协议转换

3.1 ZigBee-WiFi通信数据协议转换

网关中的网络协议层主要完成从ZigBee-WiFi协议，蓝牙-WiFi协议的相互转换工作，对于从ZigBee设备发送到WiFi的数据，网关需要经过：ZigBee协议单元物理层接收到ZigBee数据，通过逐层拆除数据包首部，达到网关应用层，解读到ZigBee网络的监测数据，通过对监测数据逐层封装上WiFi协议数据包头，通过网关的WiFi协议单元的物理层，无线发送到WiFi终端设备。

3.1.1 ZigBee网络通信程序

本系统中，前端传感器数据采集是由ZigBee网络的终端节点完成，通过ZigBee路由器上传给ZigBee协调器，ZigBee网络通信程序设计保证了系统的正常组网和通信。

3.1.2 WiFi控制器程序

本系统中，WiFi控制器主要连接路由器实现无线网关与互联网云平台的通信、WiFi控制器通过串行接口与ZigBee协调器进行信息交互、WiFi控制器通过协议转换和数据融合方式建立ZigBee网络与互联网云平台数据通信，实现系统数据传输。

3.1.3 协议转换程序设计

系统依靠不同协议之间转换，实现ZigBee网络自定义应用层协议与WiFi控制器应用层HTTP通信协议之间的地址转换和异构数据融合。

ZigBee-WiFi网关的通信协议模型如图3所示。

3.2 蓝牙-WiFi通信数据协议转换

① 蓝牙网络通信程序，主要实现蓝牙网络的建立，终端节点的数据采集、路由节点通信方式、协调器的程序设计。

② WiFi控制器程序，主要实现协议转换和数据传输。

③ 协议转换程序设计，实现蓝牙网络自定义应用层协议与WiFi控制器应用层HTTP通信协议之间的地址转换和异构数据融合。

蓝牙-WiFi在网络层实现互连的协议模型如图4所示。

4. 网络转换的性能分析

MAC层的吞吐量效率分析：ZigBee协议的传输速率为250kbit/s，而WiFi的速率为11Mbps，必须对MAC层协议进行改进，让MAC层吞吐容量的效率变大。提出一种基于MAC层的数据融合机制，减少小数据包的网络开销，把一定量的小数据包融合成一个大数据包发送出去。

作者简介：张媛，重庆人，副教授，硕士，主要从事电子技术应用研究。