基于物联网的新型远程医疗监护系统的设计与研究

卫 兵，张 磊，李 斌，侯传宇

1.合肥师范学院计算机科学与技术系，安徽合肥，230009；

2.安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室，安徽合肥，230039；

3.安徽广播电视大学，安徽合肥，230022；4.宿州学院信息工程工程学院，安徽宿州，234000

远程医疗监护是指通过远程通信技术将患者的生理检测数据实时传输到医疗中心，供专业医护人员进行分析诊断，如常见的脉搏、心电、体温、血压、血糖、血氧等，对患者的情况和下一步诊疗给出意见［1］。远程医疗监护使得一些老年人、慢性病患者避免了经常性去医院进行常规检查的不便，满足了忙碌的职场人士对于健康监护问题的需求。同时，远程医疗监护可以不受地域远近的限制，发达地区的医疗资源可以同样为落后偏远地区人群提供诊疗服务，极大地改善了整个社会医疗资源的利用，可以更好地服务大众［1］。

本文针对国内外远程医疗监护的发展现状，研究了该领域的相关技术特点，将无线传感网充分应用到远程医疗监护系统中，采用当前物联网领域常用的系统架构，以近距离无线数据传感和远距离互联网通信相组合的方式，最大限度降低远程医疗监护的实现难度和运营成本，为远程医疗监护领域的研究提供了新的设计思路和方向。

1 远程医疗监护系统架构设计

物联网体系结构上分为感知识别层、网络建构层、管理服务层、应用层。采用这种设计思想，将医疗监护系统从架构上分为三个部分：患者人体生理数据传感网；家庭社区网关平台，包括数据处理器和网关设备；远程医疗控制中心。其中，人体生理数据传感网主要用于测量病人的生理参数，并将采集数据发送出去；数据通信网关主要负责对有线网络或者无线传感网的综合管理，并将生理参数转发到远端平台；远程医疗中心服务端则负责接收汇总从患者生理监护端发送来的数据，进行相关的预处理，供医护人员进行诊断。图1为系统功能架构。

图1 远程医疗系统架构

系统中包括Zigbee无线个域网络和一系列生理传感节点，诸多家庭无线个域网络通过网关控制设备实现与以太网或无线局域网的连接，系统具备极大的可扩展性和应用的灵活性，不同的社区监护系统可以通过互联网组成较大的地区性监护，由地区医疗中心服务器进行数据管理，当地的医疗人员进行病情诊断。不同地区的监护系统可以构建成为全国性的大型远程医疗服务系统，实现大范围的医疗会诊、监护数据查询等医疗资源共享行为。系统也可以接入Internet，进一步实现全社会范围内医疗卫生服务的广泛普及。

2 人体生理数据传感网设计

人体生理数据传感网以Zigbee技术作为传感网平台，结合医疗监护系统应用实际，进行网络拓扑设计，实现人体生理数据的高效实时采集与监护。

2.1 Zigbee技术

Zigbee技术是由IEEE802.15.4标准协议为基础加上Zigbee联盟组织开发的上层协议结合而成的一种适用于低速无线传感网的通信技术［2］。其协议结构图如2所示。Zigbee技术在多个指标上具备强大的优势，Zigbee技术是专为低速无线传感网络所设计的通信协议标准，具有低成本、低复杂性、低功耗等特点，非常适合很多场合下无线传感网对于传感器无线通信的要求［3－4］。目前，在无线传感网应用领域，尤其是一些家庭、楼宇、环境等监控方面，Zigbee技术的应用越来越受众多研究机构和厂商的重视［5］。

图2 Zigbee协议架构

2.2 网络拓扑结构设计

从网络的拓扑结构角度考虑，Zigbee网络的地址分配方式主要有两种：一是星形拓扑结构，二是网状拓扑结构［6－7］。系统针对医疗监护系统的应用环境特点，采用星形网络拓扑结构。图3为Zigbee星型拓扑结构示意图。

星形拓扑结构中，由主节点实现设备的组网、设备路由表的维护、节点的加入与退出、数据报文的转发等任务［8－9］。次节点为传感器终端，负责人体医学生理数据采集与发送任务。主节点为全功能设备（FFD），全功能设备的硬件配置齐全，功能也很完善，例如，运算能力较强、程序存储空间的容量较大，但同时价格昂贵。次节点为精简功能设备（RFD），简化设备的节点，由于硬件配置较少，一般只具备某种单一的功能，成本较低，适合于无线网络的大规模子节点部署，只负责终端设备的数据采集与发送，无线路由功能则靠与全功能设备节点的转发实现。因此，简化设备的节点由于功耗小，采用普通电池作为供电电源，全功能设备节点由于功耗较大，可以考虑采用专用电源进行供电，这样对整个系统的成本花费最为合理。

图3 Zigbee星型拓扑结构示意图

在家庭医疗监护系统的实际使用过程中，考虑被监护个体的数目增加问题，可以进一步增加路由器节点，每个被监护对象的个体生理传感器与路由器节点构成星形拓扑网络，多个路由器节点再与主节点构成星形拓扑网络，就形成一种树状网络结构，可以实现对多个体的生理监护。整个传感网可扩展性较好，感器节点分工明确，具备功能完善、设备成本低等特点，适合医疗监护系统在家庭、社区等场所的应用。

3 系统硬件结构

3.1 传感器节点模块

远程医疗监护系统中人体传感网终端节点负责生理数据的采集，通过无线网络将数据转发至网关控制设备。人体传感网中终端节点主要负责两个功能：数据采集与数据转发。终端节点的设计也分为这两个模块。图4为人体生理传感设备终端节点的结构图。

设备节点中数据转发部分即为Zigbee子节点，负责数据的转发工作，处理器芯片为TI公司的CC2530无线射频芯片，具备低功耗、可靠性高的特性。主节点将收集到的数据转发至网关控制设备处理器。

数据采集部分包含了需要监控的人体生理数据传感器，该部分的微处理器采用ATMEL公司的ATMEGAL128L型单片机作为数据AD转换以及预处理核心部件。该款微处理器具备低功耗特性，可以有效节约系统终端的耗能，是一种8位CMOS型微处理器，属于AVR系列处理器架构。该款处理器的设计中，采用高效率的RISC指令集，ATMEGAL128L单片机的指令执行时间为单周期，整个芯片数据处理能力较强，数据运算吞吐率可以达到1MIPS／MHz，在运行效率上具备很好的低功耗性，可以较好地克服终端嵌入式平台针对数据运算力和功耗之间的困扰。

图4 传感设备终端节点结构图

生理数据采集模块主要指目前常见的各种生理传感器，如体温、血压、血氧等。通常这类生理传感器主要由探测传感元件加上电流信号处理电路以及数据微处理器，其中探测传感元件会感受电流变化，预处理电路对信号进行相应的放大处理，微处理器再进一步进行数据采样，得到标准的数字信号，即为采集的人体生理数据。

3.2 系统网关模块

远程医疗监护系统的家庭、社区终端设备采集的人体生理数据，通过互联网远程传输到医疗中心数据库，中间需要网关平台对数据接口进行综合控制，包括数据综合处理、互联网连接与传输等。系统中的网关设备基于低成本、使用简便、可靠稳定等原则进行设计。网关平台结构上包括以下部分：嵌入式网关模块、外设模块和接口模块等。

嵌入式网关模块是基于ARM9平台的嵌入式系统，主要用于web应用程序运行，网络连接程序的运行。嵌入式网关模块选用三星公司的S3C2440作为主处理器，该芯片是基于ARM9架构的高性能处理器，可以支持多种主流的嵌入式应用系统。网关模块使用linux操作系统，支持MMU功能，可以方便多种应用程序的执行。

外设模块主要用于设备控制器的管理，包括设备寻址和控制等，常见的接口模块包括以太网口、UART串口、USB接口、flash接口等。接口模块可以为外设提供预留的更换升级空间。远程医疗监护系统的网关是以ARM为核心，外围包括以太网控制模块、WiFi无线模块、JTAG编程接口模块、存储器模块、Zigbee无线模块以及其他外围电路。

网关平台的硬件架构框图如图5所示。

图5 网关平台架构框图

从整个硬件结构图中可以看出，网关主处理器为S3C2440芯片，周围的外部设备模块都由主处理器进行控制，外部设备和主处理器之间通过UART串口、USB接口等总线进行控制。

4 系统软件设计

网关平台使用嵌入式linux操作系统，基于ARM9核，针对开发板硬件平台的配置进行相应的系统剪裁，linux系统是完全开源的系统平台，可以很好地兼容很多外设，文件系统方便系统设备的管理工作。网关平台的ARM9嵌入式linux操作系统及其相关软件是通过以上的交叉编译流程实现的。系统开发中，在linux服务器上安装linux交叉编译器，对linux系统源程序和相关软件源程序进行编译，生成可执行镜像文件，通过开发板附带的烧录工具下载到ARM9平台上。编译工具选择“arm－1inux－gcc”交叉编译器，可对基于C语言编写的源程序编译成ARM9处理器的目标文件。

人体传感网设备节点程序采用IAR公司的集成开发环境，该平台可以将Zigbee协议栈程序集成到工程文档中，就可以开发出支持Zigbee无线传感网的嵌入式可执行目标文件。同一份工程源文件可以编译成不同类型的可执行文件。其中，传感网络的主节点可以按照协调器节点类型（COORD）编译，路由器节点可以按照路由器类型（TOUTER）编译，人体生理数据设备节点按照子节点类型（RFD）进行编译。系统交叉编译完成之后，通过仿真器将可执行文件烧写到对应节点模块的CC2530芯片中。此时，不同功能节点模块真正形成，包括主节点、路由器、子节点等。系统设备节点上电复位后，人体传感网各设备节点会依次开始工作，主节点负责与子节点进行校对应答，建立起整个无线网络的架构，并维护相关的连接信息以及与网关控制平台进行数据交换等。图6为人体传感网节点软件运行流程。

图6 人体传感网节点软件运行流程图

5 结束语

本文设计的医疗监护系统充分融合了目前市场上成熟可靠的CC2530无线芯片、高性能的人体生理传感芯片，设计了性能完善的节点模块，以ARM9和Linux操作系统作为网关控制平台，形成一套结构简单、功能全面的远程医疗监护系统方案。适用于未来社区家居生活环境。

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