基于物聯(lián)網(wǎng)的智能醫(yī)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

潘玲蓉，毛云川，宋鐵成，沈連豐

(東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210096)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用逐漸拓展到社會(huì)生活的各個(gè)方面，智能醫(yī)護(hù)也是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域［1］。

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能醫(yī)護(hù)系統(tǒng)的總體方案，搭建了一個(gè)能夠模擬無(wú)人值守的自動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)站的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)合理地設(shè)計(jì)軟件模塊，可用于區(qū)域范圍內(nèi)重點(diǎn)人群的醫(yī)療監(jiān)護(hù)［2］。采用無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行醫(yī)療數(shù)據(jù)傳輸，使得醫(yī)生不必長(zhǎng)期在醫(yī)療站坐診，只要定期查看監(jiān)護(hù)報(bào)表和查收手機(jī)短信息即可獲知患者情況，并對(duì)體征異常的患者提供有針對(duì)性的診療和藥品等服務(wù)。本文提出的醫(yī)護(hù)系統(tǒng)可用于住宅小區(qū)內(nèi)，既能夠減輕患者在診療費(fèi)用方面的負(fù)擔(dān)及往返醫(yī)院帶來(lái)的不便，又能夠有效提高醫(yī)生的診療效率。本系統(tǒng)也能為物聯(lián)網(wǎng)的其他智能應(yīng)用提供一定的借鑒作用［3-4］。

1 智能醫(yī)護(hù)系統(tǒng)總體方案

為了提供綜合性的醫(yī)療服務(wù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有如下幾項(xiàng)功能。

(1)通過(guò)社區(qū)內(nèi)重點(diǎn)護(hù)理人員持有的RFID技術(shù)標(biāo)簽，完成身份驗(yàn)證功能，自動(dòng)為待測(cè)人員安排位置并給出提示。通過(guò)數(shù)字化的醫(yī)療設(shè)備獲取待測(cè)人員的實(shí)時(shí)身體狀況數(shù)據(jù)和設(shè)備的本地信息。

(2)每個(gè)診位均將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)，記錄待測(cè)人員的ID標(biāo)簽號(hào)及其各項(xiàng)體征值。

(3)每個(gè)侍測(cè)人員測(cè)量結(jié)束后，主節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)存檔，并將結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。若結(jié)果異常，則將測(cè)試結(jié)果發(fā)送至指定手機(jī)。醫(yī)生根據(jù)先待測(cè)人員身體現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和醫(yī)療歷史數(shù)據(jù)，評(píng)估健康水平和身體老化程度［5］。

根據(jù)上述功能要求，本文構(gòu)建了中小型社區(qū)診所內(nèi)的自助型醫(yī)療監(jiān)護(hù)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能醫(yī)護(hù)系統(tǒng)總體方案圖

本文研制的智能醫(yī)護(hù)系統(tǒng)由硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)構(gòu)成。硬件平臺(tái)包括PC機(jī)、和PC機(jī)用串口相連的物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)、TD-SCDMA模塊和幾個(gè)與主節(jié)點(diǎn)相連的從節(jié)點(diǎn)。其中一個(gè)從節(jié)點(diǎn)與RFID模塊相連，其它從節(jié)點(diǎn)上都配有數(shù)字化醫(yī)用傳感器。軟件系統(tǒng)包括物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點(diǎn)的燒寫程序和PC機(jī)上的上位機(jī)程序。

物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點(diǎn)共同組成網(wǎng)狀ZigBee網(wǎng)絡(luò)以完成無(wú)線傳輸。物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)用于接收數(shù)據(jù)并向從節(jié)點(diǎn)傳輸控制命令，從節(jié)點(diǎn)用于傳感器數(shù)據(jù)和RFID數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)匯集至連接主節(jié)點(diǎn)的PC機(jī)，并由PC機(jī)上的上位機(jī)程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析功能。社區(qū)內(nèi)的重點(diǎn)護(hù)理人員均持有基于RFID技術(shù)的標(biāo)簽，通過(guò)標(biāo)簽完成身份驗(yàn)證即可在從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自助式測(cè)量。完成測(cè)量過(guò)程后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將測(cè)量數(shù)據(jù)匯總至社區(qū)診所的醫(yī)療檔案存檔。對(duì)于體征不正常者，系統(tǒng)通過(guò)與PC機(jī)相連的TD-SCDMA模塊將測(cè)量記錄以短信形式發(fā)送至指定醫(yī)師的手機(jī)上，醫(yī)師會(huì)給出治療建議并提供及時(shí)的醫(yī)療服務(wù)。

2 硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括三部分:物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)、RFID讀寫系統(tǒng)和接入3G網(wǎng)絡(luò)模塊。

物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組建與維護(hù)、各種傳感器數(shù)據(jù)的獲取及傳輸?shù)裙δ?，因此必須具備ZigBee通信模塊和傳感器擴(kuò)展接口。主要節(jié)點(diǎn)以CPU為核心的硬件框圖如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點(diǎn)硬件框圖

節(jié)點(diǎn)中的IEEE802.15.4收發(fā)器和運(yùn)行于CPU上的ZigBee協(xié)議棧共同實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸功能。主節(jié)點(diǎn)電源采用外部電源供電，從節(jié)點(diǎn)由于其移動(dòng)性采用電池供電。CPU和IEEE802.15.4收發(fā)器可以選擇英國(guó)Jennic的JN5139。這是一款單芯片的ZigBee基帶和射頻模塊，能夠便捷地實(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組建與管理以及數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。由于JN5139內(nèi)置處理器是32位RISC內(nèi)核，速度高達(dá)16MHz，所以可采用此作為節(jié)點(diǎn)的CPU，省去了采用獨(dú)立CPU的成本，并且簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)傳輸接口采用JN5139自帶的UART端口。主節(jié)點(diǎn)通過(guò)此端口與PC機(jī)連接，上傳數(shù)據(jù)并接收來(lái)自上位機(jī)軟件的指令，從節(jié)點(diǎn)可通過(guò)此端口與RFID讀寫模塊連接，作為RFID系統(tǒng)接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的接口。

從節(jié)點(diǎn)上的板載傳感器包括通用傳感器和醫(yī)用傳感器，其中醫(yī)用傳感器可選用任何數(shù)字化的測(cè)試生命體征指標(biāo)傳感器。我們以華科電子研究所提供的HKX-08A型心率傳感器模塊為例，它是一款將模擬信號(hào)處理與數(shù)字處理技術(shù)集成于一體的檢測(cè)心率的電路模塊，從節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)串口獲得其心率數(shù)據(jù)。此外，為了滿足心率傳感器的處理需要，可添加STC12LE5A56AD微處理器單元。

在本系統(tǒng)中RFID用來(lái)標(biāo)示人員的身份，以驗(yàn)證其合法性。RFID系統(tǒng)包括讀寫模塊和標(biāo)簽，本系統(tǒng)中的讀寫模塊選用恒睿電子的RMU900+。這是一款工作于840-960MHz頻段范圍的超小型化的UHF RFID讀寫模塊，集成了PLL、無(wú)線發(fā)射、無(wú)線接收、耦合器以及 MCU等部件，支持 EPC C1GEN2/ISO 18000-6C和ISO/IEC18000-6B等協(xié)議，可通過(guò)UART與物聯(lián)網(wǎng)從節(jié)點(diǎn)連接并上傳標(biāo)簽ID等信息。本系統(tǒng)中的人員身份標(biāo)簽可選用傳統(tǒng)的卡片式電子標(biāo)簽。

另外，在本系統(tǒng)中，我們可以使用南京東大移動(dòng)互聯(lián)公司提供的TD-SCDMA模塊將ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入公網(wǎng)。該模塊對(duì)TD－SCDMA的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和信令交互流程進(jìn)行深入剖析，實(shí)現(xiàn)了3G的基本通話、視頻通話、多媒體彩鈴、多媒體彩信、高速上網(wǎng)及TCP/IP等主流應(yīng)用功能。通過(guò)設(shè)定指令可以將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給指定的手機(jī)號(hào)碼。

3 核心軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)所有軟件包括物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點(diǎn)軟件和PC機(jī)上的上位機(jī)軟件。

物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點(diǎn)軟件可以在Jennic公司提供的Codeblocks平臺(tái)上用C語(yǔ)言編寫。軟件的主要功能是將從節(jié)點(diǎn)上的人員心率數(shù)據(jù)和ID數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)傳輸給與之相連的PC機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和分析。

PC機(jī)的上位機(jī)軟件采用 Delphi語(yǔ)言編寫。Delphi具有豐富而強(qiáng)大的界面實(shí)現(xiàn)控件，可以實(shí)現(xiàn)出非常友好的用戶操作界面。

上位機(jī)軟件具有初始化物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點(diǎn)、顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的各種提示信息、顯示和管理各個(gè)節(jié)點(diǎn)的接入信息和實(shí)時(shí)狀況、人員身份驗(yàn)證、進(jìn)行生命體征指標(biāo)測(cè)量、查看人員記錄、給出診斷信息和將測(cè)量結(jié)果關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)送給指定手機(jī)等諸多功能。軟件的設(shè)計(jì)流程為建立物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)與各個(gè)從節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)后，所有人都可以使用自己的身份卡完成各種體征指標(biāo)的測(cè)量工作，如圖3所示。

圖3 智能醫(yī)護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用程序流程圖

系統(tǒng)給用戶發(fā)放RFID人員身份卡，若標(biāo)簽ID已存在于數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，說(shuō)明該用戶是授權(quán)用戶。授權(quán)用戶一旦進(jìn)入系統(tǒng)即可被識(shí)別身份，系統(tǒng)根據(jù)各當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的使用情況自動(dòng)分配一臺(tái)醫(yī)療設(shè)備供其使用。若有空閑節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)給出分配節(jié)點(diǎn)的提示信息，用戶進(jìn)入節(jié)點(diǎn)進(jìn)行10秒一次的心率采集，測(cè)量時(shí)長(zhǎng)為兩分鐘;若節(jié)點(diǎn)都有人員在測(cè)量心率，則提示用戶等待。用戶完成測(cè)量后，體征數(shù)據(jù)立即通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)交由PC存檔，同時(shí)進(jìn)行初步分析。如果分析認(rèn)為數(shù)據(jù)正常，則本次測(cè)量完成;如果分析發(fā)現(xiàn)有病情隱患，則將用戶身份信息和測(cè)量結(jié)果通過(guò)短信發(fā)送至指定醫(yī)生手機(jī)，使得醫(yī)生可以第一時(shí)間獲悉病情并聯(lián)系用戶采取進(jìn)一步的診療措施。

3.1 軟件平臺(tái)的初始化

軟件平臺(tái)的初始化包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建、TDSCDMA模塊的初始化和所有授權(quán)用戶ID入庫(kù)，完成初始化步驟后，才能進(jìn)行人員心率的監(jiān)測(cè)。

1)ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建

物聯(lián)網(wǎng)主從節(jié)點(diǎn)上電后使自動(dòng)運(yùn)行程序。主節(jié)點(diǎn)接收到上位機(jī)發(fā)出的初始化命令后，每一個(gè)主從節(jié)點(diǎn)的IEEE 802.15.4協(xié)議棧使對(duì)其PHY和MAC層進(jìn)行初始化的工作。主節(jié)點(diǎn)選擇PAN ID、自身的短地址和本網(wǎng)絡(luò)的射頻頻率后，就可以通過(guò)開放對(duì)于加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的應(yīng)答來(lái)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行頻道掃描時(shí)，將在特定的頻率通道中發(fā)送信標(biāo)請(qǐng)求。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到該信標(biāo)請(qǐng)求后，它將回應(yīng)相應(yīng)的信標(biāo)來(lái)向設(shè)備標(biāo)識(shí)自己。主節(jié)點(diǎn)將決定是否具有足夠的資源接受新的設(shè)備，并且決定是否接受和拒絕設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。如果接受了設(shè)備，它將發(fā)送一個(gè)16位的短地址給設(shè)備，作為設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)識(shí)。所有設(shè)備完成這些步驟后，ZigBee網(wǎng)絡(luò)就組建完成了。

2)接入3G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中的發(fā)送短信功能由TD-SCDMA模塊實(shí)現(xiàn)。選擇PC機(jī)與TD-SCDMA模塊相連的串口并將模塊成功復(fù)位后，上位機(jī)軟件即能通過(guò)串口向該模塊發(fā)送指令啟動(dòng)模塊。成功啟動(dòng)該模塊后方能啟用短信提示功能，在“目標(biāo)號(hào)碼文本框”中輸入要發(fā)送短信的目標(biāo)號(hào)碼，勾選“啟用短信提示功能”前的方框，則開啟短信提示功能。TD-SCDMA模塊就可通過(guò)向3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送AT指令來(lái)完成自動(dòng)向指定目標(biāo)號(hào)碼發(fā)送短信的任務(wù)。

3)基于ADO的數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接

智能醫(yī)護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)各心率采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息如用戶ID號(hào)、姓名、測(cè)量記錄值和采樣時(shí)間等并對(duì)這些信息進(jìn)行有效的歸納匯總。本系統(tǒng)采用Microsoft SQL Sever作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，其中有兩個(gè)最重要的數(shù)據(jù)庫(kù)。一個(gè)用來(lái)存儲(chǔ)用戶ID和用戶姓名，它以用戶ID作為主鍵，每個(gè)用戶ID對(duì)應(yīng)一條不重復(fù)的記錄，用戶只有在通過(guò)認(rèn)證后才能進(jìn)入本醫(yī)護(hù)系統(tǒng)使用系統(tǒng)提供的測(cè)試心率的功能;另一個(gè)用來(lái)記錄用戶每次進(jìn)行心率測(cè)試后得到的醫(yī)療數(shù)據(jù)。

Delphi可以為我們提供三種數(shù)據(jù)庫(kù)連接技術(shù)，它們分別是ADO、ODBC和BDE，本系統(tǒng)使用的是ADO技術(shù)。Delphi很好地封裝了ADO對(duì)象，提供了連接組件和數(shù)據(jù)集組件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的各種操作［6］。上位機(jī)程序打開后，自動(dòng)建立對(duì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)“PC-201110070979”上的“medical_care”數(shù)據(jù)庫(kù)的鏈接，系統(tǒng)所有的管理功能實(shí)現(xiàn)都建立在這個(gè)鏈接的基礎(chǔ)之上。

4 聯(lián)調(diào)與測(cè)試

搭建好硬件平臺(tái)并將物聯(lián)網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的程序燒寫完畢之后，就可以運(yùn)行上位機(jī)軟件對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作。初始化操作完成后，我們就能使用上位機(jī)程序控制本系統(tǒng)。程序運(yùn)行時(shí)的界面如圖4所示。窗口左上角用于發(fā)出初始化物聯(lián)網(wǎng)命令，左下部TD-SCDMA設(shè)置用于選擇是否開啟自動(dòng)發(fā)送短信的功能和設(shè)置發(fā)送短信的目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼。下方的Listview中顯示上位機(jī)操作時(shí)的各種提示信息。右上部的心率監(jiān)控主窗體上直觀、實(shí)時(shí)地顯示用戶在各心率采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行心率測(cè)量的信息如已經(jīng)采集到的心率值個(gè)數(shù)、當(dāng)前采集到的心率值和在此節(jié)點(diǎn)上測(cè)量心率的用戶姓名。通過(guò)以上測(cè)試，證實(shí)了上位機(jī)能達(dá)到我們預(yù)期設(shè)計(jì)的功能，可以有效管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。

研制系統(tǒng)已經(jīng)在一些中小型社區(qū)診所內(nèi)試用，能有效地監(jiān)測(cè)人員的身體健康狀況。本文介紹的系統(tǒng)對(duì)其它物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也有借鑒作用。

圖4 智能醫(yī)護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的上位機(jī)界面

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