ZigBee和GPRS在遠程智能醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的應用

為了實現傳感器網絡的遠程監(jiān)護，結合ZigBee和GPRS各自的優(yōu)勢和特點，提出了一種基于ZigBee通信技術和GPRS移動通信網絡相結合的遠程智能醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的設計方案。該方案基于高速低耗的主控單片機來實現ZigBee協議、TCP/IP、GPRS和GSM的協議之間的轉換，可運用于醫(yī)療監(jiān)護及各類需要無線接入物聯網的數據處理轉發(fā)需求，并通過互聯網云端Yeelink平臺實現遠程監(jiān)測數據的功能。實際測試結果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，方便擴展、實時性強。

0 引 言

隨著物聯網的不斷普及和技術的廣泛推廣，物聯網技術給醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)帶來了深遠的影響?！拔锫摼W醫(yī)學” 成為了人們關注的另一個焦點，“物聯網醫(yī)學”是復旦大學附屬中山醫(yī)院在第七屆上海國際呼吸研究研討會上向國內醫(yī)學界提出的。

所謂物聯網醫(yī)學，指的是利用傳感技術，將傳感器固定在人體上，傳感器的終端嵌入和連接到醫(yī)療檢測設備里，醫(yī)生可通過手機或電腦連接到該終端，實時地實現對病人全天候、遠程檢測及診斷。

1 遠程智能醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)

針對物聯網醫(yī)學提倡的全方位互聯的特點，本文將ZigBee 和GPRS 技術相結合，充分利用網絡資源，設計了對智能醫(yī)療多監(jiān)護參數進行處理、傳輸和可視化的網關系統(tǒng)，在一定范圍內配置一處或者多處血壓、體溫、血氧和脈搏傳感器，組成ZigBee無線傳感器網絡。ZigBee網絡作為低功耗、低復雜度、低成本且可自動組網的無線網絡技術，支持傳感器信息采集、傳輸和處理，可以將不同點的多個傳感器數據利用無線網絡進行通信，同時結合GPRS 技術實現遠程監(jiān)控，改變了傳統(tǒng)無線傳感網絡需要依托有線公共網絡進行數據傳輸的限制，解決了同時安裝大量檢測裝置、布線量大、線路維護和更改困難的難題，使網絡顯示出巨大的優(yōu)勢。

圖1 所示是遠程智能醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)架構圖。該系統(tǒng)將信息通過HTTP POST 數據包上傳到互聯網云端Yeelink 平臺，從而實現對體征數據的實時采集、處理、可視化和遠程監(jiān)測。

實際測試結果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，方便擴展、實時性強。

2 網關節(jié)點硬件設計

設計實現了一種基于STC12C5A60S2 為主控芯片的智能網關系統(tǒng)，單片機負責GPRS 與ZigBee 網絡之間的雙向數據轉換，網關實際上是一個基于GPRS 協議和ZigBee 協議的轉換網關。在ZigBee 網絡中，網關起到網絡協調器的作用，主要工作包括ZigBee 組網組建、監(jiān)聽終端節(jié)點以及與終端節(jié)點之間的雙向通信等；另外，網關節(jié)點還承擔GPRS 協議與ZigBee 協議間數據的轉換，GPRS 網絡數據的接收和發(fā)送，以及處理GSM 短信息查詢等任務。

該系統(tǒng)的網關硬件節(jié)點電路分為ZigBee 通信模塊、GPRS 通信模塊和電源供電模塊。網關硬件結構圖如圖2 所示。

2.1 電源供電模塊

因ZigBee 模塊和GSM模塊所需電壓分別為3.3V和5.5 V，故系統(tǒng)的電源模塊將9V 的電壓輸入轉化為3.3V 和5.5 V 這兩種電壓輸出供處理器和其他模塊使用。該方式的特點：一是系統(tǒng)電源模塊能留出足夠的余量，最大可提供3 A 的電流，從而防止因功率輸出過大造成電源芯片發(fā)熱、燒毀；其二是本系統(tǒng)通過LDO 芯片LM2575-5 和LM1117-3.3 兩級降壓，設計電源精度為98%，紋波為30 mV，能滿足系統(tǒng)要求。

2.2 ZigBee 通信模塊

ZigBee 通信模塊是基于TI 公司CC2530F256 芯片，內部運行ZigBee2007/PRO 協議棧，具有ZigBee 的全部特性。針對復雜的ZigBee 協議，本模塊將協議棧嵌入模塊內部，只留出串口，在與主控芯片通信時無需考慮ZigBee 內部協議棧，只需要讀寫串口即可實現數據的無線傳輸，簡單易用，可大大減少開發(fā)周期。ZigBee 模塊可通過串口連接到PC，可直接配置參數設置為協調器、路由器和終端節(jié)點。協調器為最初加入網絡的節(jié)點分配網絡地址（16 位），每個ZigBee 網絡需要唯一的一個協調器；路由器可以接收、轉發(fā)數據，起到路由和中繼的作用；終端節(jié)點通常為電池供電的低功耗設備，用于采集傳感器數據，周期性發(fā)送數據。ZigBee 組網狀況使用Sensor Monitor 軟件觀察。本網關系統(tǒng)采用星型網絡，因此只用到ZigBee 協調器和終端節(jié)點。圖3 所示是星型網狀的ZigBee 組網。

2.3 GPRS 通信模塊

GPRS 模塊使用的是龍尚的A8000， 其采用德國英飛凌的基帶芯片， 具有超高的接收靈敏度， 是一款雙頻900/1800 MHz 高集成度的GSM/GPRS 模塊。內嵌TCP/IP 協議模塊，使用簡單，支持GSM Rec.07.07/07.05 及其特有擴展指令集，通過UART 控制，與單片機通過串口直接通信。

3 網關節(jié)點軟件設計

軟件設計包括2 個部分：網關軟件和監(jiān)控中心管理軟件。網關的軟件開發(fā)平臺為Keil C51，ZigBee 內部運行ZigBee2007/PRO 協議棧，ZigBee 組網監(jiān)控軟件為SensorMonitor，監(jiān)控中心PC 服務管理軟件開發(fā)平臺為云端Yeelink.

3.1 ZigBee/GPRS 網關的程序設計

ZigBee/GPRS 網關的程序流程如圖4 所示。系統(tǒng)上電后網關節(jié)點進行初始化操作，接著搜索空閑工作信道、啟動ZigBee 網絡并等待終端節(jié)點的連接請求。待所有終端節(jié)點成功加入ZigBee 網絡后，進入等待狀態(tài)，直到監(jiān)測平臺發(fā)出數據采集命令，則將該命令經ZigBee 網絡轉發(fā)至所有終端節(jié)點。

終端節(jié)點根據命令或者定時調用數據采集程序獲取當前生理數據，對數據進行初步處理后上傳至網關節(jié)點。網關節(jié)點收集所有的數據進行分析、處理、融合，得到統(tǒng)一格式的數據包，通過GPRS 模塊將數據包上傳互聯網云端Yeelink 平臺，平臺完成對數據的處理和分析工作。

3.2 ZigBee 網絡指令設計

針對系統(tǒng)數據傳輸方式為階段性喚醒查詢方式，ZigBee無線網絡數據傳輸采用點對點數據傳輸方式。點對點數據傳輸可以在網絡內部任意節(jié)點直接通過點對點指令來設置傳輸，指令格式為0XFD+ 數據長度（ 用戶自定義）+目標地址+ 數據，下面以源節(jié)點（地址0×0001）發(fā)送數據01 02 03 04 05 06 到網關地址（0X143E）為例，源節(jié)點發(fā)送數據格式如圖5 所示。

該格式發(fā)送的數據為FD 01 3E 14 01 02 03 04，接收到的數據也為FD 01 3E 14 01 02 03 04 05 06.但需特別注意數據區(qū)的長度，它可自由定義，不一定等于數據區(qū)實際長度，也可以作為其他表示用途。目的地址，低位在前，高位在后，合起來是0X143E.點對點傳輸具有任意節(jié)點之間傳輸的好處，在路由加入網絡后，短地址不會發(fā)生改變。目標地址=FFFF，為廣播發(fā)送；目標地址=0000，則表示發(fā)送給協調器。

3.3 GPRS 移動網絡指令

Yeelink 物聯網平臺是一個免費的物聯網平臺，允許用戶將設備接入到網站，從而實現對設備的監(jiān)測和控制。利用現成的物聯網平臺可大大節(jié)省開發(fā)周期。以下是單片機發(fā)送AT 指令控制GPRS 模塊連接互聯網，并向Yeelink 物聯網平臺發(fā)送HTTP POST 數據包的部分過程指令：

3.4 系統(tǒng)測試

本測試過程中，以測量多點室溫為監(jiān)測量，系統(tǒng)采用階段性的休眠和喚醒狀態(tài)。每個節(jié)點每隔1 min 被喚醒一次，進行數據的采集，并等待協調器發(fā)出傳輸命令將數據傳送到協調器，然后進入休眠狀態(tài)。系統(tǒng)的一個節(jié)點的溫度在互聯網Yeelink 平臺的監(jiān)視界面如圖6 所示。

4 結 語

本設計方案將ZigBee 技術和GPRS 技術應用于生理參數智能醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中，實現無人值守時被監(jiān)護人生理參數實時遠程監(jiān)測、異常情況警告和短信查詢等功能，避免人工測量的麻煩，減輕醫(yī)護人員的負擔，保證受監(jiān)護人始終處于監(jiān)控狀態(tài)。經驗證，本方案在實際運行中穩(wěn)定、可靠，可廣泛應用于各類無人值守遠程智能監(jiān)護系統(tǒng)。（作者：黃沃彬，陳本紋，張志偉，梁雙斌）