基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程慢病監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

摘 要：基于物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、無線通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了一種智能遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，通過模塊設(shè)計(jì)框架來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程慢病網(wǎng)絡(luò)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，并從軟硬件環(huán)境的需求提出符合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的軟件實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷慢病病人特征提供一種可行的醫(yī)療服務(wù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；慢病防治；監(jiān)護(hù)；遠(yuǎn)程醫(yī)療

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

當(dāng)前，我國醫(yī)療資源分布不均及各地域發(fā)展水平不平衡的問題是近一段時期來我國醫(yī)療衛(wèi)生部門面臨的一個突出問題，如何解決廣大人民群眾就醫(yī)公平，已成為一個重大課題。隨著物聯(lián)網(wǎng)、體域網(wǎng)等多種信息技術(shù)的快速發(fā)展，建立一種基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程慢病防治監(jiān)護(hù)平臺，即將醫(yī)療技術(shù)從醫(yī)院延伸到家庭，提供一套具有監(jiān)護(hù)及防護(hù)功能的個人健康信息采集處理并提供遠(yuǎn)程服務(wù)的系統(tǒng)是解決當(dāng)前問題的一個重要步驟。

2 物聯(lián)網(wǎng)及遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)（The internet of things， and

remote monitoring）

物聯(lián)網(wǎng)[1]是延伸和擴(kuò)展的互聯(lián)網(wǎng)。它運(yùn)用信息傳感技術(shù)，實(shí)時采集需要監(jiān)控、連接、互動的物體生物信號及位置等各種需要信息，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來進(jìn)行信息交換和通信。實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、物與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便管理、識別和控制。

在物聯(lián)網(wǎng)的眾多領(lǐng)域當(dāng)中，遠(yuǎn)程醫(yī)療是一個值得人們關(guān)注的熱點(diǎn)，遠(yuǎn)程醫(yī)療[2]可縮小不同區(qū)域醫(yī)療水平的差距，減少病人及家屬的路途奔波時間，提高了醫(yī)療效率和質(zhì)量。遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)是遠(yuǎn)程醫(yī)療的一個重要組成部分，它在患者與醫(yī)院專家之間建立一座橋梁，能夠使患者在任何地點(diǎn)、任何時間接受來自遠(yuǎn)端醫(yī)院專家的診斷，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，病人可以享受遠(yuǎn)程專家的醫(yī)療服務(wù)[3]。它是計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代醫(yī)療多種技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它提供了一套全新的醫(yī)療服務(wù)共享體系。

3 慢病監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能概述（Slow disease

monitoring network system function overview）

基于物聯(lián)網(wǎng)的慢病監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是連接患者與醫(yī)院的紐帶，目標(biāo)是能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：①患者在非醫(yī)療區(qū)域就能享受到醫(yī)療機(jī)構(gòu)的監(jiān)測及護(hù)理指導(dǎo)；②患者在任何地方就能享受到急救服務(wù)；③通過社區(qū)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建立居民的健康檔案資源庫；④醫(yī)護(hù)人員通過健康監(jiān)護(hù)平臺能夠及時獲取患者疾病的信息；⑤醫(yī)院健康監(jiān)護(hù)平臺收集各個社區(qū)醫(yī)療信息并進(jìn)行診斷。

監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作原理：人體基本生理參數(shù)（血壓、心率、血氧）的采集，各路采集數(shù)據(jù)把各路收集到的基本數(shù)據(jù)經(jīng)過控制器合并處理后形成同一路串口輸出數(shù)據(jù)；通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)把收集的人體生理參數(shù)存儲在本地醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)關(guān)（客戶端）；由本地醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)關(guān)來完成人體生理參數(shù)數(shù)據(jù)的解析、處理和顯示；遠(yuǎn)端醫(yī)療監(jiān)護(hù)端（服務(wù)器端）接收客戶端發(fā)來的人體生理數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。服務(wù)器端和客戶端間的數(shù)據(jù)交換和網(wǎng)絡(luò)通信由兩端的ARM6410完成。

本監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)通過以下五個模塊完成：患者生理數(shù)據(jù)采集傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理控制器模塊、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊、本地及遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)控制模塊。各個模塊之間的聯(lián)系框圖如圖1所示。

圖1 慢病遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)模塊框架圖

Fig.1 Slow disease remote monitoring module frame

以上不同模塊實(shí)現(xiàn)的功能為：①患者生理數(shù)據(jù)采集傳感器模塊：即人體生理參數(shù)OEM模塊，本模塊數(shù)據(jù)輸出為標(biāo)準(zhǔn)的串口數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可直接和單片機(jī)STM32串口相連。②STM32處理模塊：即對從不同串口上讀取的患者基本數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理并傳輸?shù)綗o線模塊上。③無線傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊：選擇一種合適的無線傳輸技術(shù)，將采集的患者生理數(shù)據(jù)通過無線傳輸發(fā)送，接收端接受數(shù)據(jù)并傳送給客戶端，即本地醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)關(guān)模塊。④客戶端醫(yī)療監(jiān)護(hù)控制模塊：采用三星ARM6410開發(fā)平臺，接受來自無線傳輸模塊上傳輸來的患者生理參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)時顯示經(jīng)過解析處理后的數(shù)據(jù)。⑤服務(wù)器端醫(yī)療監(jiān)護(hù)模塊：同樣采用三星ARM6410開發(fā)平臺，利用Socket技術(shù)建立與客戶端醫(yī)療監(jiān)護(hù)控制模塊的聯(lián)系。服務(wù)器端模塊可解析處理客戶端傳送來的患者生理數(shù)據(jù)，服務(wù)器端可實(shí)時對客戶端監(jiān)護(hù)模塊進(jìn)行控制。

4 短距離無線通信方案分析（Short distance wireless

communication scheme selection）

無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要部分，本系統(tǒng)所監(jiān)護(hù)的面向?qū)ο缶哂幸苿有圆⑶冶O(jiān)護(hù)范圍一般面向社區(qū)或家庭，監(jiān)護(hù)區(qū)域比較小。而ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE 802.15.4，它的主要優(yōu)點(diǎn)是：網(wǎng)絡(luò)容量大，安全性高、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的短距離無線通信技術(shù)。并且它的通訊距離可自由擴(kuò)展，從幾米到幾公里范圍都允許，它采用自組網(wǎng)的通信方式，經(jīng)常把它應(yīng)用于傳感控制、自動控制、工業(yè)控制、家居、醫(yī)療等領(lǐng)域。因此，根據(jù)對象的需求以及對短距離ZigBee無線通信優(yōu)勢的分析，本系統(tǒng)無線通信方案選擇ZigBee作為無線傳輸。

5 嵌入式操作系統(tǒng)方案分析（The embedded

operating system scheme selection）

為實(shí)現(xiàn)慢病監(jiān)控系統(tǒng)中各資源得到最有效的利用，選擇合適的嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件資源及任務(wù)分配協(xié)調(diào)是非常必要的。

目前市場上流行的嵌入式操作系統(tǒng)較多，Android系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①提供了從最底層內(nèi)核到最高層應(yīng)用程序的所有軟件，用戶還可以根據(jù)自己需求定制平臺，開發(fā)限制少。②所有的應(yīng)用程序軟件完全平等，部分內(nèi)置的組建也可根據(jù)需要被替換為符合個人需求的版本。③可移植性強(qiáng)，Android平臺上的程序都是基于java語言開發(fā)的，并在虛擬機(jī)Dalvik上執(zhí)行，所以，程序可以很好地移植在ARM X86等不同架構(gòu)上。④優(yōu)質(zhì)的圖形系統(tǒng)和音效。Android平臺自身內(nèi)置了一些常用的標(biāo)準(zhǔn)視頻和音頻編解碼器，結(jié)合2D圖形庫和3D加速的OpenGL，可以得到很好畫質(zhì)和音質(zhì)效果。⑤系統(tǒng)管理應(yīng)用程序穩(wěn)定性好，Android平臺為不同程序之間兼容提供了良好的安全措施，各種應(yīng)用程序的運(yùn)行或關(guān)閉有條不紊地進(jìn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到很好保障。

基于以上的分析，Android系統(tǒng)符合監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的需要功能及要求，并且它可對監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行很好的性能優(yōu)化，所以系統(tǒng)選擇Android作為客戶端及服務(wù)器端醫(yī)療監(jiān)護(hù)的操作系統(tǒng)。

6 慢病網(wǎng)絡(luò)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案（Slow disease

network monitoring system hardware design）

慢病監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件主要由以下部分組成：患者基礎(chǔ)生理參數(shù)采集設(shè)備、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、客戶端醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器端醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)四個部分，框架流程如圖2所示。

圖2 慢病監(jiān)護(hù)硬件框架圖

Fig.2 Slow disease monitoring hardware frame

6.1 患者基礎(chǔ)生理參數(shù)采集及無線傳輸網(wǎng)絡(luò)

生理參數(shù)采集采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32芯片并搭載三個生理醫(yī)療傳感器模塊。以STM32作為核心微控制器，因?yàn)樗胸S富的外設(shè)接口，通過三路采集到的患者生理數(shù)據(jù)經(jīng)STM32處理后合并為一路數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)送出去。選擇EWRF3065和CSR GL-6B作為無線傳輸設(shè)備，EWRF3065模塊由時鐘電路、電源電路、天線射頻電路、電平轉(zhuǎn)換電路等組成，GL-6B模塊由電源電路、電平轉(zhuǎn)換電路、天線射頻電路等組成。流程框圖如圖3所示。

圖3 患者生理參數(shù)采集及無線傳輸系統(tǒng)

Fig.3 Patients physiological parameters acquisition and

wireless transmission system

6.2 本地醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)

客戶端監(jiān)護(hù)平臺以Samsung S3C6410 ARM11微處理器作為主CPU，其優(yōu)點(diǎn)是：ARM6410可以提供1GB SDRAM和1GB NANDFlash存儲空間，同時具備高速SD卡存儲設(shè)備、100MB網(wǎng)絡(luò)、USB Host、RS232、RS485和外擴(kuò)GPIO界面等接口，另外配有800×600 7.0英寸高清TFT液晶觸摸屏，并提供寬電壓的電源輸入方式，能方便搭配不同環(huán)境下的電源使用。

客戶端醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)工作主要原理是：患者數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)將患者基本生理數(shù)據(jù)傳送給該子系統(tǒng)，客戶端監(jiān)護(hù)網(wǎng)關(guān)通過DM9000 AE設(shè)備的RJ-45網(wǎng)口將患者基本生理數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器端監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)。本地醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)關(guān)框圖如圖4所示。

圖4 本地醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

Fig.4 Local medical care system

6.3 遠(yuǎn)端醫(yī)療監(jiān)護(hù)端子系統(tǒng)

服務(wù)器端監(jiān)護(hù)系統(tǒng)以ARM 1176JZF-S為內(nèi)核，處理器運(yùn)行速度快，最高可在667MHz主頻上運(yùn)行，平臺配備有豐富的內(nèi)部資源，內(nèi)置硬件加速器，集成了一個支持視頻編解碼MFC，因此它可廣泛應(yīng)用在移動服務(wù)和通信處理等領(lǐng)域。另外，處理器支持多種NAND Flash和Mobile DDR存儲器，集成了CMOS攝像頭、USB HOST、以太網(wǎng)、SD卡、液晶屏觸摸等多種高端接口，這些接口為用戶實(shí)現(xiàn)高端設(shè)計(jì)提供良好的基本條件。

服務(wù)器端監(jiān)控子系統(tǒng)工作情況是：通過DM9000AE的RJ-45接口接收來自客戶端醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)關(guān)通過互聯(lián)網(wǎng)傳送過來的患者基本數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理。另外，它可以把服務(wù)端醫(yī)生或?qū)＜医?jīng)過判斷處理后的結(jié)果及時地發(fā)到客戶端網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控。服務(wù)器端醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)端醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

Fig.5 Remote medical monitoring system

7 慢病監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（Slow disease monitoring

system software design）

7.1 無線傳輸軟件設(shè)計(jì)

通過以上無線通訊方案的選擇，首先對它實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)，由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)分別定義Coordinator（協(xié)調(diào)器）、Router（路由器）和End Device（終端設(shè)備）三種網(wǎng)絡(luò)角色。各角色之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

Fig.6 ZigBee network data transmission

Coordinator負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)建立和網(wǎng)絡(luò)地址分配，Router負(fù)責(zé)尋找、建立、修復(fù)及傳送數(shù)據(jù)包，End Device加入網(wǎng)絡(luò)并可以傳送數(shù)據(jù)。通過分析不同角色的功能，因此在軟件設(shè)計(jì)過程中，分別以兩種傳輸方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

①數(shù)據(jù)透明傳輸。該傳輸方式以可變的透明數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行傳輸，如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谝唤M不是0xFC、0xFD或0xFE，那么從端口接收的數(shù)據(jù)就自動發(fā)送給其他所有的節(jié)點(diǎn)，接收到的節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)自動發(fā)給Coordinator；如果兩個設(shè)備是通過串口連接，那么可用兩個ZigBee CC2530模塊通信來實(shí)現(xiàn)透明數(shù)據(jù)傳輸。

②點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)之間都可以通過格式：“0xFD+數(shù)據(jù)長度+目標(biāo)地址+數(shù)據(jù)”傳送數(shù)據(jù)長度可變的數(shù)據(jù)包。

7.2 本地醫(yī)療監(jiān)護(hù)軟件設(shè)計(jì)

客戶端監(jiān)護(hù)軟件設(shè)計(jì)主要完成宿主機(jī)上Android開發(fā)環(huán)境和編譯環(huán)境的搭建，實(shí)現(xiàn)本地醫(yī)療監(jiān)護(hù)軟件功能。軟件設(shè)計(jì)由以下兩個方面組成：

（1）搭建符合要求的編譯環(huán)境，安裝交叉編譯工具，對Android源碼進(jìn)行編譯，把Android系統(tǒng)移植到客戶端ARM6410上，并做功能測試。

（2）配置Eclipse、Android SDK、JDK等開發(fā)環(huán)境，客戶端醫(yī)療監(jiān)護(hù)軟件采用Java和C同步開發(fā)設(shè)計(jì)，底層Linux讀寫串口數(shù)據(jù)由C程序設(shè)計(jì)完成；高層部分的患者生理數(shù)據(jù)接收、UI界面繪制及顯示、客戶端和服務(wù)器端Socket通信等功能則由Java程序設(shè)計(jì)完成。

7.3 遠(yuǎn)端醫(yī)療監(jiān)護(hù)軟件設(shè)計(jì)

為了程序的兼容性，服務(wù)器端醫(yī)療監(jiān)護(hù)軟件設(shè)計(jì)主機(jī)環(huán)境配置和客戶端監(jiān)護(hù)軟件的配置采取一致的方法。即把客戶端編譯過的Android操作系統(tǒng)直接移植到服務(wù)器端醫(yī)療監(jiān)護(hù)平臺上。服務(wù)器端醫(yī)療監(jiān)護(hù)軟件中的數(shù)據(jù)接受、程序控制、UI界面繪制及顯示、客戶端與服務(wù)器端的Socket通信等功能采用Java語言開發(fā)。

另外，為了提高程序運(yùn)行效率，客戶端和服務(wù)器端監(jiān)護(hù)軟件設(shè)計(jì)均采用多線程編程機(jī)制。

8 結(jié)論（Conclusion）

本文從分析慢病監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的功能需求入手，分不同的模塊設(shè)計(jì)框架來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程慢病網(wǎng)絡(luò)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，并從軟硬件環(huán)境的需求提出符合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的方法。通過本系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，為以后的方案實(shí)現(xiàn)提供明確的研究內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] http：//baike.baidu.com/view/1136308.htm.

[2] http：//baike.baidu.com/view/1241145.htm.

[3] 白凈，張永紅.遠(yuǎn)程醫(yī)療概論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

作者簡介：

李勝旭（1975-），男，碩士，高級實(shí)驗(yàn)師.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)應(yīng)

用，圖像處理.