基于ZigBee和GSM技術的遠程醫(yī)療監(jiān)護節(jié)點設計

摘 要：針對我國遠程醫(yī)療現狀及其現有技術存在的不足，本文提出了一種基于ZigBee和GSM技術、以CC2430為核心多生理參數遠程醫(yī)療監(jiān)護節(jié)點的軟、硬件設計方案。該節(jié)點能夠對人體的脈搏、體溫、心率、血氧飽和度、血壓和血糖濃度進行實時監(jiān)測，經過CC2430進行相關處理后，將節(jié)點監(jiān)測數據及時依靠GSM模塊，通過GSM網絡發(fā)送到遠端的醫(yī)療監(jiān)控中心，由專家進行遠程診斷并發(fā)送救治方案。經實驗證明，該節(jié)點具有成本低、功耗小、穩(wěn)定性強、易擴展等優(yōu)點。

【關鍵詞】遠程醫(yī)療 多生理參數 ZigBee GSM CC2430

1 引言

當下，生活節(jié)奏的加快，工作和生活壓力的增大以及環(huán)境污染等問題，對人的健康提出了嚴重挑戰(zhàn)。隨著人們對自身健康的日益關注，遠程醫(yī)療（Telemedicine）作為一種新的醫(yī)療模式，開始蓬勃發(fā)展。針對有線通信和單一的無線通信方式存在的一些弊端，綜合利用ZigBee和GSM技術對人體的生理參數信息進行實時監(jiān)測，通過GSM網絡外傳到遠端的醫(yī)療監(jiān)控中心，對醫(yī)療資源進行實時追蹤和整合，免除了患者在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦，省掉監(jiān)護設備與醫(yī)用傳感器之間的連線，從而減輕醫(yī)護人員的工作強度、提高醫(yī)護人員工作效率和醫(yī)療設備的利用率、節(jié)省醫(yī)療成本以及增加安全性等。

2 硬件設計

2.1 節(jié)點硬件設計

基于ZigBee和GSM技術的多生理參數無線遠程醫(yī)療健康監(jiān)護系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點（即ZigBee數據采集模塊）、無線網關節(jié)點、GSM網絡、遠程監(jiān)控中心和用戶五個部分組成。傳感器節(jié)點主要實現用戶脈搏、體溫、心率、血氧飽和度、血壓和血糖濃度的測量等，其組成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)選用CC2430模塊作為其ZigBee通信模塊，內部集成處理器芯片CC2430，它是整個硬件系統(tǒng)的核心。CC2430芯片整合了ZigBee射頻前端、內存和8051微控制器，內部集成8-14 位 ADC 和符合 IEEE 802. 15. 4 協(xié)議的2. 4 GHz射頻收發(fā)器，具有極高的接收靈敏度和的抗干擾性能。采用0.18umCMOS工藝生產，工作時的電流消耗僅為27mA；在接收和發(fā)射模式下，其電流消耗分別低于27mA或25mA。CC2430還具有休眠模式和以超短的時間轉換至主動模式的特性，非常適合人體生理參數的實時測量。

硬件節(jié)點為傳感器的擴展預留了豐富的接口，如果需要測量其他生理參數信息，如心電、體位等數據，則只需要將相應的傳感器接入預留的接口，形成新的傳感器節(jié)點，并開發(fā)相應的嵌入式控制和處理軟件，便可以將節(jié)點直接加入到該系統(tǒng)中。

無線網關節(jié)點是用于連接ZigBee網絡和GSM網絡的橋梁，主要完成數據的接收和轉發(fā)功能，無線網關節(jié)點的核心組成部分是GSM模塊、ZigBee模塊和電源模塊，GSM模塊和ZigBee模塊之間通過數據接收/發(fā)送功能引腳和CC2430的I/O口進行連接、并結合RS232串口進行數據通信，其中CC2430的I/O口P0.6用于控制GSM模塊是否工作。

2.2 醫(yī)療傳感器模塊

系統(tǒng)中，醫(yī)療傳感器模塊主要包括脈搏、體溫、心率、血氧飽和度、血壓和血糖濃度的測量。檢測人體這些生理參數的醫(yī)療傳感器大部分輸出的信號為微弱小信號（脈沖信號或直流信號），首先需要進行放大、整形、濾波、比較等信號調理電路來處理，然后送CC2430的AD口，所以微弱信號的處理顯得尤為重要。

以血糖濃度傳感器為例，血糖濃度測量采用虹吸式血糖試片，血液中的葡萄糖與酶電極試片上的氧化酶發(fā)生化學反應，通過檢測回路中血糖電流（一般為幾?A至幾十?A），根據血糖濃度與血糖電流之間的關系，從而得出血糖濃度值。其測量電路如圖2所示。

我們需要對微安級的弱電流信號進行放大，所采用的放大芯片是MCP617（輸入偏置電流最小可達到0.3nA，其噪聲電流可滿足?A級電流的放大，低噪聲：2.2?V p-p）。測量電路是通過CC2430的I/O口輸出高低電平，并基于多路模擬開關4053的功能表來控制MCP617同相端的通斷，從而實現弱電流的檢測。

2.3 電源模塊

電源模塊為整個系統(tǒng)提供通用的5V和3.3V電壓，主要采用AMS1117系列穩(wěn)壓芯片來控制；還要根據GSM模塊MC37i的特殊情況設計電路，MC37i模塊的電流要足夠大，必須大于1A，電壓的波動范圍不能超過400mv，故采用LM2596系列來進行+5V穩(wěn)定電壓的輸出，其輸出電流最大可達到3A，輸入電壓范圍可達40V，為了能夠得到穩(wěn)定的電壓，在MC37i電壓接口放置大的電解電容，并提供瞬間大電流。為了保證節(jié)點便于攜帶、電源具有較強的續(xù)航能力和電源能為系統(tǒng)提供較長時間的供電，采用2節(jié)可充電的3.7V鋰電池供電。

3 軟件設計

3.1 節(jié)點通信

節(jié)點之間的通信（點對點通信）是基于ZigBee協(xié)議來實現的，是建立ZigBee網絡和實現組網通信的基礎。節(jié)點通信程序主要包括發(fā)送端和接收端程序兩部分，其工作流程圖分別如圖3、圖4所示。

3.2 GSM通信

為了實現對信息的遠程傳輸，應用GSM通信是最為成熟的方案。節(jié)點中的GSM通信模塊為MC37i，相比于其它系列的GSM模塊，MC37i擁有更好的溫度特性，其溫度范圍為-45℃～+80℃，更適合野外的惡劣環(huán)境，擁有過兩個串口，可以同時實現AT指令控制和GPRS通訊，擁有雙排列25 2接口排列，提高通信的穩(wěn)定性和可靠性，在AT指令的實用上也與TC35I和MC39I相一致。GSM通信主要依靠GSM模塊MC37i來實現，通過GSM的AT指令，結合SIM卡，與CC2430的串口相連接，完成信息的遠程短信傳輸。

4 結論

本文所設計的基于ZigBee和GSM技術的遠程醫(yī)療監(jiān)護節(jié)點能夠比較準確地測得人體脈搏、體溫、心率、血氧飽和度、血壓和血糖濃度，具有較高的測量精度和可擴展性，并通過相應的軟件程序和GSM網絡，實現了ZigBee節(jié)點無線通信和短消息的收發(fā)。測試結果表明，人體生理參數測量值精度、節(jié)點功耗、節(jié)點通信速率和距離等技術指標滿足設計要求。

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作者簡介

汪巍?。?988-），男，湖北省宜昌市人。現為華中光電技術研究所-武漢光電國家實驗室助理工程師。主要研究方向為電子電路設計和無線通信。

作者單位

華中光電技術研究所-武漢光電國家實驗室 湖北省武漢市 430223