基于云平臺(tái)的智能醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉影+王宛+王智霖+王乾壘

摘 要：文中設(shè)計(jì)了一種基于云平臺(tái)的智能醫(yī)療系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用傳感器采集人體生理參數(shù)，使用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、傳輸數(shù)據(jù)，利用GPRS將數(shù)據(jù)上傳至中國(guó)移動(dòng)OneNet云平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，醫(yī)生或病人家屬可以通過(guò)PC端或移動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)查看病人信息，若數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常則自動(dòng)向監(jiān)護(hù)者發(fā)送短信提醒，以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。

關(guān)鍵詞：ZigBee；智能醫(yī)療；OneNet平臺(tái)；GPRS

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與衛(wèi)生事業(yè)的快速發(fā)展，人民群眾的醫(yī)療衛(wèi)生需求逐步從傳統(tǒng)意義上的疾病預(yù)防、診斷和治療轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰颊邽橹行?、全方位的智能醫(yī)療服務(wù)。且隨著當(dāng)今老齡化現(xiàn)象的加劇，醫(yī)療監(jiān)護(hù)的作用更加突出[1]。

目前，醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀器大多是供醫(yī)院內(nèi)職業(yè)醫(yī)生或?qū)I(yè)技術(shù)人員使用的專門儀器，對(duì)病人進(jìn)行生理參數(shù)監(jiān)控，醫(yī)院所使用的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)大多建立在線纜連接的基礎(chǔ)上，存在體積和功耗較大，不便于攜帶，且患者需放身邊使用等問(wèn)題，限制了患者和醫(yī)護(hù)人員的行動(dòng)，增加了他們的負(fù)擔(dān)和風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)也無(wú)法滿足慢性病患者生理參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求。若采取全方位監(jiān)護(hù)，則會(huì)耗費(fèi)大量的醫(yī)療資源。因此，發(fā)展智能醫(yī)療系統(tǒng)勢(shì)在必行。

考慮到ZigBee技術(shù)可以很好地滿足無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸便于攜帶、易操作、易控制、低成本、低功耗等需求，因此文中設(shè)計(jì)了一款基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的智能醫(yī)療系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)可在醫(yī)院病房?jī)?nèi)建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，多項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目可在病床上完成，極大地方便了病人看護(hù)，并提升了醫(yī)院的管理和工作效率。同時(shí)，患者也可在家中佩戴該設(shè)備，醫(yī)生或家屬可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)看護(hù)，免除了患者在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于OneNet的智能醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)分為人體生理參數(shù)采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊、網(wǎng)關(guān)模塊和監(jiān)測(cè)中心，如圖1所示。其中人體參數(shù)采集模塊主要采集人體血壓、體溫、脈搏等生理參數(shù)。對(duì)治療過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)無(wú)線通信的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要負(fù)責(zé)將人體生理參數(shù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)模塊。此外，轉(zhuǎn)發(fā)模塊兼?zhèn)渫卣咕W(wǎng)絡(luò)的功能，可以增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，增加可以攜帶的生理參數(shù)采集模塊。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)上傳至OneNet平臺(tái)。監(jiān)測(cè)中心通過(guò)網(wǎng)頁(yè)或者手機(jī)App訪問(wèn)OneNet平臺(tái)，當(dāng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)出現(xiàn)異常時(shí)可向監(jiān)護(hù)者發(fā)送短信提醒，無(wú)論在醫(yī)院還是在家中都可實(shí)時(shí)收集人體狀況信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由人體參數(shù)采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊、網(wǎng)關(guān)模塊和電源模塊組成。其中人體參數(shù)采集模塊主要將采集到的信號(hào)進(jìn)行分析與處理，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊將接收到的數(shù)據(jù)上傳至OneNet平臺(tái)。

2.1 人體生理參數(shù)采集模塊

人體生理參數(shù)采集模塊的節(jié)點(diǎn)框圖如圖3所示。該模塊主要包括核心處理模塊、心率傳感器、體溫傳感器和電源。

核心處理模塊是由TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片組成的模塊，主要負(fù)責(zé)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)加以處理并通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送出去。

系統(tǒng)采用Pulse Sensor心率傳感器。該傳感器由光源和光電變換器組成，通過(guò)綁帶或夾子固定在病人的手指或耳垂上。光源一般采用對(duì)動(dòng)脈血管中氧和血紅蛋白有選擇性的擁有一定波長(zhǎng)（500～700 nm）的發(fā)光二極管。當(dāng)光束透過(guò)人體外周血管時(shí)，由于動(dòng)脈搏動(dòng)充血，容積變化，導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時(shí)由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并放大、輸出。由于脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號(hào)，動(dòng)脈血管容積也呈周期性變化，因此光電變換器的電信號(hào)變化周期就是脈搏率。該傳感器使用簡(jiǎn)單、佩戴方便、可靠性高。

體溫傳感器采用DS18B20傳感器。DS18B20是一款單總線數(shù)字溫度傳感器，其測(cè)溫范圍為-55～125℃，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)。

2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要負(fù)責(zé)將人體生理參數(shù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)處理模塊。此外，轉(zhuǎn)發(fā)模塊還兼?zhèn)渫卣咕W(wǎng)絡(luò)的功能，可增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，增加便攜的生理參數(shù)采集模塊。

2.3 網(wǎng)關(guān)模塊

網(wǎng)關(guān)由核心處理模塊、GPRS模塊組成。其中核心處理模塊控制GPRS模塊向OneNet平臺(tái)發(fā)送人體生理參數(shù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，而GPRS模塊則負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)上傳到OneNet平臺(tái)。該部分是內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換的核心， 主要負(fù)責(zé)協(xié)議轉(zhuǎn)換和信息傳遞。用戶可通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)查看該系統(tǒng)采集到的動(dòng)態(tài)信息，從而對(duì)被監(jiān)護(hù)對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由人體生理參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)軟件、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件和監(jiān)測(cè)中心軟件組成。

3.1 人體生理參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

人體參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

開(kāi)啟人體參數(shù)采集模塊后，模塊便會(huì)搜索周圍的網(wǎng)絡(luò)，并請(qǐng)求加入該網(wǎng)絡(luò)。入網(wǎng)后對(duì)搭載的傳感器進(jìn)行初始化，如設(shè)置數(shù)據(jù)采集的IO口等。傳感器開(kāi)始工作，采集人體生理參數(shù)。其中傳感器采集數(shù)據(jù)按照一定的時(shí)間周期進(jìn)行，到達(dá)設(shè)定的時(shí)間就會(huì)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)被開(kāi)啟之后便自動(dòng)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建成功后會(huì)收到附近節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，這時(shí)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)分別為每個(gè)請(qǐng)求入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)分配PANID，以便于識(shí)別。入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)后將其存儲(chǔ)在寄存器中等待發(fā)送，并開(kāi)啟和初始化GPRS模塊。GPRS模塊聯(lián)網(wǎng)成功后，將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS發(fā)送到OneNet平臺(tái)，如果信息異常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向醫(yī)護(hù)人員或家屬的手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。endprint

3.3 監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)計(jì)

文中基于中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)中心軟件。中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)又稱 OneNet 平臺(tái)，不僅可提供免費(fèi)服務(wù)且適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入，可提供豐富的API和應(yīng)用模板以支持各類行業(yè)應(yīng)用和智能硬件的開(kāi)發(fā)，很好地實(shí)現(xiàn)GPRS DTU設(shè)備廠家提供的服務(wù)器的所有功能，同時(shí)還能夠滿足監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)安全及大數(shù)據(jù)分析等平臺(tái)級(jí)服務(wù)需求，為技術(shù)開(kāi)發(fā)人員提供良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境，降低了開(kāi)發(fā)成本和用戶的使用成本[2]。

在OneNet平臺(tái)下，用戶、產(chǎn)品、設(shè)備、APIKey、設(shè)備應(yīng)用、觸發(fā)器、數(shù)據(jù)流的組織結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。

在每個(gè)用戶賬戶下，數(shù)據(jù)管理以項(xiàng)目的形式進(jìn)行封裝，每個(gè)用戶可以創(chuàng)建多個(gè)項(xiàng)目，并對(duì)設(shè)備、APIKey、應(yīng)用、觸發(fā)器等資源進(jìn)行管理，用戶可以在一個(gè)項(xiàng)目下創(chuàng)建多個(gè)設(shè)備、APIKey、應(yīng)用及觸發(fā)器，在單個(gè)設(shè)備下，用戶可以創(chuàng)建多個(gè)數(shù)據(jù)流[3]。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

人體生理參數(shù)采集模塊采集人體生理參數(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊將數(shù)據(jù)上傳到OneNet平臺(tái)，在終端設(shè)備上顯示。圖7和圖8分別表示1號(hào)病人和2號(hào)病人的實(shí)時(shí)信息在電腦上的顯示情況。橫軸表示采集時(shí)間，縱軸表示在某一時(shí)刻監(jiān)測(cè)到的病人信息，采集時(shí)間可自行設(shè)置。圖9和圖10分別表示1號(hào)病人和2號(hào)病人的實(shí)時(shí)信息在手機(jī)端的顯示情況。

當(dāng)監(jiān)測(cè)到指標(biāo)異常時(shí)，及時(shí)向醫(yī)生或監(jiān)護(hù)者發(fā)送報(bào)警短信，如圖11所示，為病人爭(zhēng)取最佳的治療時(shí)間。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的智能醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它可以實(shí)時(shí)測(cè)量病人的心率、體溫等數(shù)據(jù)，醫(yī)生或者監(jiān)護(hù)者可通過(guò)手機(jī)終端或電腦及時(shí)了解被監(jiān)護(hù)對(duì)象的各項(xiàng)指標(biāo)?？紤]到ZigBee具有低功耗、低成本、近距離、易組網(wǎng)、高容量、高安全性等特點(diǎn)，非常適合用于短距離無(wú)線通信，因此采用ZigBee負(fù)責(zé)無(wú)線通信。硬件部分以CC2530射頻芯片為基礎(chǔ)構(gòu)建了智能醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器及終端節(jié)點(diǎn)模塊， 可很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集等功能，能夠適應(yīng)今后智能醫(yī)療的發(fā)展需要。

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