基于物联网的家庭便携式血压监测系统

尹立强,赵欣

（河南科技学院,河南新乡453003）

远程医疗主要包括以检查诊断为目的的远程医疗诊断系统、以咨询会诊为目的的远程医疗会诊系统、以教学培训为目的的远程医疗教育系统以及用于家庭病床的远程病床监护系统[1].

远程医疗将医疗技术与计算机技术、多媒体技术、互联网技术相结合,主要是利用物联网技术,构建以患者为中心,基于危急重病患的远程会诊和持续监护服务体系[2].远程医疗监护技术的设计初衷是为了减少患者进医院和诊所的次数.目前,基于互联网的远程医疗系统已经将初期的电视监护、电话远程会诊技术发展到利用高速网络实现实时图像与语音的交互,实现专家与患者、专家与医护人员之间的异地会诊,使患者在原地、原医院即可接受多个地方专家的会诊,并在其指导下进行治疗与护理.同时,远程医疗可以使身处偏僻地区和没有良好医疗条件的患者,也能获得良好的诊断和治疗.远程医疗共享专家知识和医疗资源,可以有效地提高医疗水平.另外,对健康人群的远程监护,可以发现疾病的早期症状,从而达到保健和预防疾病的目的[3].因此,基于物联网的远程医疗技术具有广泛的研究与应用价值.目前市面上的远程血压监测系统大多数需要专门的健康管理手机进行无线传输，并且价格比较昂贵.本文在前人研究的基础上，对物联网的应用进行了分析，设计了一套适用于普通家庭的远程血压监测系统.该系统操作简单，不需要专门的手机终端，具有较高的实用价值.

1 物联网概述

物联网是指通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按照约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[4].

作为计算进程与物理进程发展的统一体,物联网已经成为信息技术发展的新趋势.物联网的通信能力扩张到了人与物、物与物,它是通过在现有技术的基础上,综合运用多种新兴技术,突破了互联网人与人通信的限制来实现的.物联网通过计算进程与物理进程的实时交互,使网络延伸到物体之上,实现对物理系统的实时跟踪,以达到全球信息的交换与共享.随着物联网应用的开展,物联网的影响将不仅仅在技术领域,而且会深入到经济生活、社会生活、文化生活等各个领域,成为新世纪的一场信息革命[5].

物联网的应用领域广泛,遍及智能交通、绿色农业、工业监控、动物标志、远程医疗、智能家居、环境检测、公共安全、食品溯源、城市管理、智能物流、动植物养殖及情报搜集等领域[6].物联网把新一代信息技术应用到各行各业中,实现了人类社会与物理世界的融合,在整个网络中,通过超级计算能力的计算集群对网络内的人员、机器、设备和基础设施实施管理和控制,人们可以以更加精确和灵活的方式管理生产与生活,提高资源的利用率和生产力水平,使人与自然的关系更加和谐,人类的生活环境也更加智能化.物联网的体系架构如图1所示[7].

图1 物联网体系架构Fig.1 Internet of things architecture

2 家庭便携式血压监测系统总体设计原理

2.1 远程血压监测系统原理

基于物联网的便携式血压监测系统主要是完成血压信号采集及处理、数据无线传输到家庭网络终端、通过Internet传输到医院信息中心等一系列过程.其目的就是要远程监控用户血压状况,达到早发现、早预防、早治疗的效果.远程血压检测系统体系结构如图2所示.

图2 远程血压监测系统体系结构Fig.2 Architecture of remote blood pressure monitoring system

本文设计的基于物联网技术的便携式血压计除了具有一般电子血压计的功能外,还具有报警装置、存储记忆功能以及无线传输功能.血压信号通过压力传感器获取,由于采集到的信号非常微弱,因此要经过放大电路,同时要经过带通滤波器滤除干扰信号,然后经过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号,通过LCD显示器显示出来.当用户血压超出正常范围时报警,以提醒用户做好预防及诊治准备.用户血压信息通过无线传输技术传输至家庭网络接入点,如电脑或智能手机,再通过Internet传输至医院信息中心,以便于医护人员远程监测用户血压状态,做到及时发现、及时治疗.

2.2 血压监测系统硬件设计

根据物联网家庭便携式血压监测系统的特点,设计采用MPX5050GP压力传感器进行血压信号的采集与处理,通过CC2430芯片对血压信号进行A/D转换,同时设置报警提示,并通过无线接收电路完成ZigBee技术的无线数据传输功能,将数据传输到家庭网络终端,继而通过网络传输到医疗监护中心,从而完成对用户的远程监护工作.系统总体设计如图3所示.

图3 系统硬件设计Fig.3 Design of system hard ware

在该系统中,血压采集信号设备采用美国Motorola公司生产的MPX5050GP压力传感器.MPX5050GP压力传感器精度与灵敏度很高,传感器内置运算放大器,可以使模拟输出电压正比于所测量的压力值和其正常工作的偏置电压,并且它可以与A/D转换器接口直接相连[8].血压信号经过MPX5050GP传感器的压力传感器获取,并经过运算放大器和调理电路的处理,接下来要将模拟信号转换为数字信号,系统采用CC2430芯片进行A/D转换.

CC2430不仅可以进行A/D转换,而且还具有无线收发功能.CC2430的无线收发电路设计比较简单,只需要添加一些简单的外围电路就能完成.图4为CC2430的一个无线收发应用电路系统.此电路中应用了不平衡天线,通过不平衡天线连接不平衡变压器,可以使天线性能变得比较好.不平衡变压器由电感L1、L2、L3、电容C4和一个PCB微波传输线构成.不平衡变压器的RF输入/输出阻抗匹配值为50 Q.CC2430内部,在LNA和PA之间,使用了T/R开关电路.R1、R4是偏置电阻,R1保障了32 MHz的晶振电路偏置电流的准确.32 MHz的晶振电路是由C3、C2和32 MHz的石英振荡器XTAL1组成的.32.768 kHz的晶振电路是由C7、C6和32.768 kHz的石英振荡器XTAL2组成的.C1、C5是去耦合电容,目的是进行电源滤波以提高CC2430工作的稳定性.芯片CC2430内部的稳压器配合电容C1和C5为内部电源和引脚提供1.8 V的电压.

图4 CC2430的无线收发电路Fig.4 CC2430 wireless transceiver circuit

CC2430芯片不仅具有无线收发功能,还具有LCD显示功能以及报警功能.经过A/D转换后的数据通过LCD显示器显示出来,同时通过程序控制是否报警.一般收缩压≥140 mmHg、舒张压≥90 mmHg时诊断为高血压.因此,血压计的报警阈值设置为＜140/90 mmHg.当血压超过报警阈值时,LED发光二极管发光,提醒用户及家人注意.

该系统中无线传输协议采用ZigBee技术.ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术.它主要用于距离短、功耗低且传输效率不高的电子设备之间进行数据传输,以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用[9].简单的说,ZigBee是一种高可靠的无线数传网络,类似于CDMA和GSM网络.ZigBee数传模块类似于移动网络基站.通讯距离从标准的75 m到几公里,并且支持无限扩展.

蓝牙和其他网络结构通常分为7层,而ZigBee技术的协议栈结构很简单,仅分为4层,如图5所示.

图5 ZigBee堆栈框架Fig.5 Zig Bee stack frame

ZigBee协议栈的层与层之间相互联系,每层为其上一层提供特定的服务.IEEE802.15.4标准定义了最下面的物理层和媒体接入层,用来实现无线收发射频与相邻设备通信.而ZigBee联盟提供了网络层（NWK）和应用层（APL）框架的设计,包括应用支持子层（APS）以及ZigBee设备对象（ZDO）[10].

2.3 实验结果分析

选取了30名实验对象,经过测试与仿真分析,血压计数据显示小于140/90 mmHg时,系统能够正确报警的比例为99.5%,无线传输部分的误码率为0.001%.实验数据表明,该系统性能表现良好,数据传输稳定、可靠.

3 结语

本文以基于物联网的远程健康监护子系统为例,给出了便携式血压监测系统的工作流程,并且进行了便携式血压计的硬件设计.本文中的便携式血压计设计的特色在于使用了CC2430芯片完成无线数据传输等功能.采用一般电子血压计中使用的MPX5050GP压力传感器实现血压信号的采集及调理,经过处理后的信号通过CC2430芯片完成A/D转换、LCD显示、报警以及无线传输功能.无线传输方式采用ZigBee技术,将数据传输到家庭网络终端,通过网络传输到医疗监护中心,从而完成对用户的远程监护工作.随着物联网技术的发展,物联网安全问题随之产生,数据传输中的安全、用户隐私安全以及医院信息平台数据库安全等都需要进一步的考虑.

[1] 张志彬.远程医疗的应用及发展现状研究[J].医疗装备,2008（12）：99-101.

[2] 中国电信集团公司.走进物联网[M].北京：人民邮电出版社,2010.

[3] 吴成东.物联网技术及应用[M].北京：科学出版社,2012.

[4] 张春红,裘晓峰,夏海轮,等.物联网技术与应用[M].北京：人民邮电出版社,2011.

[5] 刘坚强.基于示波法的电子血压计系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2010（4）：62-65.

[6] 马书慧,李建功.利用物联网实现远程医疗信息化[J].科学与财富,2010（12）：100-101.

[7] 王硕,宫恩浩,于洋,等.基于手机的血压无线监测系统研制及初步应用[J].中国医疗器械杂志研究与论著,2011,35（6）：160-163.

[8] 桑磊.基于物联网的智能医疗系统研究与运用[J].科技与企业,2011（13）：68-70.

[9] Geoff M.The internet of things：Here no wand comingsoon[J].IEEE Internet Computing,2010,14（1）：35.

[10] 周笑.基于无线网络的移动远程医疗监护系统的研究与实现[D].杭州：浙江大学,2010.