基于物联网技术的医疗监护网络系统研制

刘 霞， 周 博， 朱运利

(1． 北京电子科技职业学院， 北京 100176； 2． 北京安警技术工程有限公司， 北京 100083)



基于物联网技术的医疗监护网络系统研制

刘 霞1， 周 博2， 朱运利1

(1． 北京电子科技职业学院， 北京 100176； 2． 北京安警技术工程有限公司， 北京 100083)

提出一种基于物联网技术的医疗监护网络系统的体系结构和实现方法，整个系统由嵌入式生理信息采集系统和监护中心主控制系统构成，系统以ATMEL公司最新的A5+FPU双核处理器ATSAMA5D34A作为控制核心，完成ZigBee网络模块、视频与语音模块和多参监护仪模块设计，在监护中心主控制系统中以Java和SQL Server 完成用户应用程序开发，实现人体生理参数在用户终端采集、数据远程传输和监护中心数据二次处理。实验测试表明，系统安装方便，工作稳定，可扩展性强，证实了系统设计的正确性和可靠性。

物联网； 微处理器； 嵌入式系统； 医疗监护

0 引 言

物联网是新一代信息技术的重要组成领域，将能够被独立寻址的普通物理对象通过射频识别、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过有线或无线方式，按约定的协议与互联网连接起来，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。

物联网分为感知层、网络层和应用层。感知层由各种传感器以及传感器网关构成，感知和识别物体以及状态，实时采集和捕获各种使用场景所产生的相关信息，接收并执行各项指令。网络层包括有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等， 将感知层的各种信息传递到应用层， 并将应用层的指令传回感知层。应用层是物联网和用户的接口，与具体需求结合，实现物联网的智能应用。

目前，我国60周岁以上老年人口达到1.94亿，医护人员不足现象严重，医疗机构面临很大压力。面向社区和家庭的远程医疗监护系统研究成为热点，发展“基于物联网技术的医疗监护网络系统”是解决问题的一个理想选择，医疗监护网络系统利用物联网技术实现远距离疾病诊断、疾病治疗和健康护理等医学功能，实时并连续监测人体重要的生命体征参数，将远端生理信息和医学信号传送到监护中心，由专家或专家系统给出诊断结果和意见，对有效预防疾病和医疗诊治具有重要意义。

“基于物联网技术的医疗监护网络系统”方案利用无线传感器网络，具有功耗低和成本低等特点，解决了传统医疗监护系统移动性差和成本高的问题，而且提高了网络系统的扩展性。

1 总体设计方案

基于物联网技术的医疗监护网络系统总体架构图如图1所示。系统由家庭终端模块(内含语音模块)、以太网络模块、视频图像采集模块、无线网络模块和多参监护仪等部分组成。

家庭终端模块的主控制器以ATSAMA5D34A处理器为核心，在系统控制中起主导作用。以太网络模块用于对外数据连接，将核心处理器的数据和计算结果通过以太网向各级终端和服务器发送。语音模块用于语音数据的采集和回放，完成现场对讲功能。视频图像采集模块通过CMOS摄像机采集图像并发送到核心处理器进行处理，处理结果在本地存储或上传到服务器端。无线网络模块用于与室内各传感器和终端设备的无线连接工作。多参监护仪通过对生命体征的多项指标进行监测，将数据回传至核心处理器进行处理，本地存储并上传到服务器端。

2 系统硬件设计

2.1 处理器

本系统以ATSAMA5D34A处理器为核心，外部通过10/100Base-T网口与以太网模块相连接，通过内置程序与远程管理服务器进行通讯。系统的硬件电路架构如图2所示。

架构中可提供4路视频输入，用于家庭用户终端图像采集。采集后进行本地处理和储存，以报警时间为基准进行截图操作，并通过以太网模块上传至远程管理服务器。

板载ZigBee传输模块，与其他的安防传感器及环境传感器进行通信，完成各传感器数据的收集，交给ATSAMA5D34A核心处理器进行处理。

本系统具有二路模拟音频输入和二路模拟音频输出接口，通过本地拾音器和音箱进行半双工通讯，主要用于常规问诊通讯和室内发生紧急情况时的简单对讲和现场情况识别，音频信号采集后，经本地处理和存储后，上传至远程管理服务器。

2.2 ZigBee模块

在医院应用的医疗监护设备对电磁辐射的要求都很高。对于设备来讲，辐射 的电磁波既不能干扰其他设备正常工作，同时也应具有一定的抗干扰能力，不受其他设备辐射出的电磁波干扰。因此，医院或者使用无线通信的家庭医疗设备在 设计时必须对此方面进行考虑。ZigBee是一种用于控制和监视各种系统的低数据速率、低功耗联网无线标准，它支持星形、簇形或网格形组网，非常适合医院病床比较多的特殊环境。

本设计采用北京云天创科技有限公司ZigBee模块ATZGB-780Z01。该模块使用的是ATMEL全工业组ZigBee收发芯片AT86RF212B，数据传输速率为20 Kbps～1 Mbps，数据采用128 Bit AES加密，预留所有IO口，便于用户进行系统扩展。该模块通过SPI口和GPIO与主控CPU进行对接，实现对无线数据的收发。

ATZGB-780Z01模块的工作频段选用779～787 MHz，符合IEEE802.15.4c标准，该频段与Wi-Fi、蓝牙所使用频段完全隔开，避免了干扰，同时与GSM频段也是错开的，但拥有与GSM等同的传输特性，非常适合于城市及室内传输，在同等发射功率下，通讯距离是2.4 GHz频段的ZigBee产品的3倍以上。

ATZGB-780Z01模块的电路原理图如图3所示，它通过SPI口和3个GPIO与ATSAMA5D34A处理器进行连接，在ATSAMA5D34A处理器中运行无线通信协议栈，由ATSAMA5D34A处理器实现对整个传感器网络的管理及调度，即该处理器即为整个传感器网的汇聚点。

在整个传感器系统中，除汇聚点外，还有传感器采集设备，每个传感器采集设备均装有ATZGB-780Z01无线模块，并运行低功耗无线组网协议与汇聚点完成数据交互。

2.3 语音模块

语音模块主要用于家庭终端系统当中，实现音频采集与回放、双向对讲功能。通过麦克风组件和音频播放组件完成。

语音模块的音频芯片使用的是WM8904，它是Wolfson Microelectronics (LSE: WLF.L)宣布推出的超低功耗编解码器，带有W类耳机和线路驱动器，它专为提供低功耗并显著延长回放时间而设计，适应于诸如媒体播放器、耳机、录音机和多媒体手机等便携式设备。WM8904集成了欧胜的W类放大器技术，该技术能够智能跟踪实际的音频信号电平，并使用一个自适应双驱动电荷泵来优化功率耗散。其接地参考输出(Ground Referenced Output) 的设计摆脱了对大型隔直流耳机电容的依赖，从而改进了低音响应并且有效节省印刷电路板空间和音频子系统的总物料清单。WM8904还配置SmartDAC技术，这是一种供独特的低功率DAC(数模转换器)电容开关架构，使得DAC转换到耳机的功耗仅为4mW，为耳机负载提供的功率每通道高达30mW。

WM8904包含了一个可提高音频性能的高级动态范围控制器(Dynamic Range Controller; DRC)。当在录音模式时，可对DRC进行灵活配置，以优化录音音质，同时最大限度地防止录音信号失真。Wolfson还采用了快速释放功能，在较大的脉冲噪音存在时提高录音的清晰度。这种功能保证了用户操作的噪音事件完全不会掩盖录音信号。在回放模式下，DRC将输出信号的音量最大化，提升音频数据的感知响度。

2.4 视频图像采集模块

视频图像采集模块完成系统中家庭单元的图像采集功能，视频图像采集模块的电路图如图3所示。

图像传感器采用Aptina公司的1/3-inch的CMOS图像传感器，最大分辨率可达到1280*960，采用并行接口，在最高分辨下可达到45fps帧率。

图像处理单元使用了松翰科技的USB2.0 摄像头控制器SN9C5259。SN9C5259AFG 是 USB 2.0 高速( HS)兼容的摄像头控制器。先进的功耗设计使设备在挂起、待机或运行状态下功耗都极低。低热设计使平台内模块的工作温度始终在合理的范围内。

SN9C5259AFG 支持 10 位并行传感器接口，分辨率可达5MP@15fps；或者支持接入 4 LANE MIPI 接口传感器，最大支持 8M@15FPS。通过 I2S 接口，可以扩展音频兼容性，或者接入数字麦克风。新一代图像信号处理器带来更佳的视觉体验。高性能动态 JPEG 压缩引擎提供不同的压缩比，可满足带宽要求。通过集成的传感器接口和色彩处理引擎，可以支持大多数可用的 CMOS 传感器。由内嵌微控制器控制，内置 3A(AE/AWB/AF)统计。架构灵活，由Mask ROM、内部RAM和外部串行闪存组成，可用于存储自定义代码和参数。

2.5 多参监护仪

多参监护仪具有检查三导联心电、无创血压、血氧、脉率、呼吸、双体温等功能，主要用于家庭医疗监护系统的被监护人自测，测试数据通过以太网络模块上传至远端服务器。本地设备具备图形点阵液晶显示功能，心电波、呼吸波、血氧波可机上实时显示。采用智能分布式电源管理，微功耗，手持机4节AA充电电池可以连续工作时间24 h，通过无线连接方式，与家庭终端进行通讯。

心电测量模块选用丰拓生物的E100蓝牙卡片式心电仪，其采用蓝牙2.0，在10 m半径内无线传输测量结果到系统主机。

无创血压测量模块选用的是丰拓生物的P102蓝牙上臂血压计，其采用蓝牙2.0，在10 m半径内无线传输测量结果到系统主机，数据传输完成或3 min无任何操作，血压计会自动关机，延长电池使用寿命。

图3 视频图像采集模块电路图

同样，血氧测量模块选用的是丰拓生物的F102指夹式蓝牙血氧测量仪，其采用蓝牙2.0，在10 m半径内无线传输测量结果到系统主机。

2.6 电源电路

主控制器单元采用直流供电，外置电源适配器将220 V市电转为5 V直流，通过DC电源插口对主板及主板搭载的各个设备供电。外接无线设备采用电池进行供电。

5 V直流主电源供给主控制器后，分配到各个功能单元：液晶屏显示电路、CPU核心电路、存储器、USB等。电源设计电路图如图4所示。

3 系统软件设计

系统的软件设计，主要包括引导程序的配置和移植，嵌入式Linux的设计，和驱动及上层界面程序开发等几部分。软件设计流程图如图5所示。

上层界面程序开发主要包括监护终端的软件设计和监护中心监控软件的开发。

监护终端软件由C语言编写，主要实现音视频模块、多参监护仪及其他传感器模块的数据采集、显示、存储以及串行口数据的接收和发送。为了实时有效地完成多参数的采集，充分利用了多种单片机中断方式来完成系统功能，包括定时中断、串口中断、键盘输入中断等。

图5 软件设计流程图

监护中心监控软件主要由数据通讯模块、数据处理模块、显示模块、诊断报警模块、数据库模块等组成。监护中心接收监护终端传感器传输来的参数，进行处理与分析，显示结果，如果有异常将给出诊断报警，测量结果可以进行存储，以便日后对比参阅。

4 测试及结论

4.1 负载测试

全部外接设备处于工作情况下，取3个时间点进行测试。测试数据见表1。

表1 负载测试结果

4.2 稳定性测试

样机在常规情况下进行3组连续工作时间测试，测试结果如下：

室温空载待机：连续工作48 h无死机，整体性能降低约1%；

室温满负载：连续工作48 h无死机，整体性能降低约2.5%。

4.3 部件测试

样机探测器各个部件进行针对性测试，测试结果如表2所示。

表2 部件测试结果

通过对本系统样机试制并投入使用，观察和记录得出结论，该系统工作稳定，兼容性良好，整体性能良好。

4 结 语

基于物联网技术的医疗监护网络系统，实现将先进医疗技术和服务扩展到社区和家庭，构建信息交流的网络平台，进行医疗监护网络化管理，形成一种全新的基于网络的医疗体系。医疗监护网络系统有助于缓解我国社区医疗力量薄弱和医疗资源分布不均的矛盾，实现医疗资源共享,对传统医疗监护系统改进有很好的参考价值。

随着物联网技术进一步发展，医疗监护网络系统功能将朝着多元化和智能化方向发展，不仅能完成特定人群监护，并且能对数据做出智能分析和诊断。因此，基于物联网技术的医疗监护网络系统将具有广阔的应用前景和市场，并逐步得到普及和广泛应用。

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Development of Medical Monitoring System Based on Internet of Things

LIUXia1,ZHOUBo2,ZHUYun-li1

(1. Beijing Vocational College of Electronic Science, Beijing 100176, China; 2.Beijing Anjing Technology Engineering Co., Ltd., Beijing 100083, China)

A kind of architecture and implementation method for medical monitoring system is proposed based on the Internet of Things. The whole system consists of embedded physiological data acquisition system and monitoring center master control system. The system takes ATMEL company's latest A5 + FPU ATSAMA5D34A dual-core processor as the control core to complete the design of network module, video and voice module and multi-parameter monitor module. The master control system completes the user application development with Java and SQL Server, which implement the data acquisition of physiological parameters in the user terminal, the data remote transmission and the data secondary processing in the monitoring center. The tests results show that the system has the advantages of convenient installation, stable operation, strong scalability. It also confirms the validity and reliability of the system design.

Internet of Things; microprocessor; embedded system; medical monitoring

2015-05-27

北京市教育委员会人才强教资助项目(2013)

刘 霞(1978-)，女，山东泰安人，工学硕士，讲师，主要研究方向为电子技术、信号与信息处理。

Tel.: 18701445632; E-mail：liuxiahao@163.com

TP 274， TN 92

A

1006-7167(2015)12-0114-05