基于物联网的远程健康监护系统设计与实现

孙永明，王颖璐，贾 丽

(1．河北省工业和信息化厅，河北 石家庄 050051； 2．河北工程技术学院，河北 石家庄 050091)

基于物联网的远程健康监护系统设计与实现

孙永明1，王颖璐1，贾 丽2

(1．河北省工业和信息化厅，河北 石家庄 050051； 2．河北工程技术学院，河北 石家庄 050091)

针对目前我国慢性病多发的状况，设计一套基于物联网的远程健康监控系统，并对系统的构架和软硬件进行了设计和实现。系统具有动态心电、血压、体温以及血糖等重要生理指标数据的远程实时采集、传输、分析和远程诊断等功能，极大地方便了患者的日常健康监护，同时缓解了医院的监护压力。

健康监护；物联网；蓝牙

随着人们生活水平的提高和膳食结构的调整，近年来高血压、糖尿病、冠心病等慢性病在我国呈现了多发的态势。慢性病人需要长期的监护和治疗，但我国目前的医院监护资源有限[1]，监护成本较高，许多病人无法长期住院接受全面的病情监控与护理。医疗传感设备与物联网的发展为远程监护打下了坚实的基础，各种先进的医疗传感设备组成的远程监护终端可以方便、准确的检测出病人的体温、心率、血压和动态心电等生理指标数据，物联网将这些数据实时地传输到数据中心，应用软件在数据中心对数据进行分析和处理，进而为每个病人建立一个健康模型。通过远程健康监护系统，医生和家属可以及时了解病人的身体状况，为后续治疗提供准确的数据支持，同时也为病情的诊断和治疗提供可靠的依据。

1 远程健康监护系统总体结构设计

在体系结构上，远程健康监护系统采用物联网的三层架构。感知层由血压仪、心电仪、血糖仪、体温计等医学传感设备组成，这些医学传感设备通过蓝牙将测得数据传输给个人网关，由个人网关对数据进行分析、存储、显示和转发；传输层一方面利用现有的互联网或4G网络，将个人网关处理后的数据传输到数据中心，另一方面还要通过GSM将报警信息传输到患者监护人的手机上；应用层负责分析和处理存储在数据中心的各项数据，并为每位患者建立一个健康模型，以方便各授权用户查看患者的健康状况信息。

在功能结构上，远程健康监护系统分为患者工作站、医生工作站和数据中心三个子系统[2]，如图1所示。

1) 患者工作站。患者工作站由Cortex A8网关平台、TC35I短信通知模块、GPS模块和各种医学传感器组成。Cortex A8网关负责接收、处理和显示各医学传感器传来的生理指标数据，并将数据通过网络层传输给数据中心；短信通知和GPS模块用来实现患者生理指标超限时的报警功能。

2) 医生工作站。监护人员可以通过医生工作站从数据中心获取患者的各项生理指标数据，经过分析诊断后，将诊断结果和治疗建议传输到患者工作站供患者参考。

3) 数据中心。数据中心除了存储患者工作站传来的数据外，还要通过分析和建模软件为每位患者建立一个健康模型，以便对患者进行及时准确的诊断和治疗。

图1 移动健康监护系统总体结构图

2 移动健康监护系统硬件设计

移动健康监护系统的硬件部分主要集中在患者工作站子系统中，由各医学传感器、基于Cortex A8个人网关、TC35IGSM模块和锂电池供电模块组成，如图1的患者工作站部分所示。

2.1 个人网关设计

个人网关采用基于ARMv7架构的Cortex A8作为处理器，根据系统开发的需要，拓展了128MB的DDR SDRAM、128MB的Nand Flash和大容量的SD卡存储，RS232、USB和以太网等接口，WiFi/蓝牙、GPS通讯功能及1024*768分辨率的视频输出等功能，结构框图如图2所示。Cortex A8处理器的主频可达600MHz至1GHz，采用64/32位内部总线结构[3]，功耗在300mW以下，运行速度高达2000MIPS，完全符合移动健康监护系统的需求。

图2 个人网关结构框图

2.2 GSM模块设计

TC35i是西门子公司生产的工业级GSM模块，可以工作在900MHz和1800MHz两个频段，支持中文短信息，可以快速可靠地传输移动健康监护系统中产生的数据，实现短信和语音等信息[4]。模块内置了线性电压调节器，将3.3-4.8V的电源电压稳压后提供给GSM基带处理器和GSM射频部分使用[5]，避免了发射期间的大电流(峰值为2.5A)对供电电源的冲击。

图3 TC35I外围电路

TC35i模块设计的非常紧凑, 外围电路比较简单。为了进一步减小体积，模块通过ZIF连接器引出了全部40个引脚，以实现电源的连接和各种数据、控制信号的双向传输。另外，为了方便与天线的连接，TC35i模块引出了50Ω的天线连接器。移动健康监护系统中TC35i模块的外围电路如图3所示。

在移动健康监护系统中，TC35i模块通过串口与Cortex A8网关连接，连接时需要使用MAX232芯片进行电平转换，转换电路如图4所示。

图4 串口扩展电路

3 移动健康监护系统软件设计

移动健康监护系统除了可以实时获取各医学传感设备传来的各项生理指标数据外，还可以在医生和患者间进行远程会诊。系统软件采用C/S和B/S两种架构。C/S架构用来实现各种数据的检索和远程会诊的功能。B/S架构是为了方便医生和患者在未安装客户端时的操作，主要提供数据检索和及时聊天的功能，使医生和患者可以直接通过浏览器来查看所需的信息，并通过聊天的功能进行交流。

3.1 患者工作站软件设计

患者工作站的主要功能有：患者个人信息的设置和编辑；各医学传感器检测数据的实时获取及上传；GSM报警参数、报警短信及接受号码的设置；请求会诊及会诊过程中实时音频视频的处理、各生理指标数据的传输和即时消息的处理。患者工作站的功能模块图如图5所示。

3.2 医生工作站软件设计

医生工作站的主要功能为：医生个人信息的设置和编辑；检索和查看病人的生理指标数据；接受患者的远程会诊请求及在会诊中接收病人生理指标数据和实时音视频信息；通过即时消息给患者提供诊断结果和治疗建议等。医生工作站的功能模块图如图6所示。

图5 患者工作站功能模块图 图6 医生工作站功能模块图

3.3 数据中心设计

数据中心服务器的功能主要为：接收患者工作站传来的各项生理指标数据并进行分类存储；对接收的数据进行分析和处理，为患者建立健康模型；远程会诊的功能及即时聊天的功能；Web服务器的功能，为B/S架构提供服务。

4 系统测试

移动健康监护系统的硬软件设计实现后，对C/S构架的功能进行了测试。测试过程在局域网环境中进行，以一台安装了患者工作站的客户端软件PC机连接到Cortex A8网关后作为患者的客户端，另两台PC机作为医生工作站的客户端和数据中心服务器。

以血糖测试为例，Cortex A8网关通过蓝牙接收到血糖仪传来的实时测量数据后，首先进行存储、分析和显示，如果测量结果超出报警阈值就会启动GSM模块进行短信报警，然后通过4G或Wi-Fi网络将数据传输到数据中心服务器上。数据中心服务器接收到患者工作站传来的数据后进行存储、分析和处理，然后建立患者健康模型。患者可以申请医生对病情进行会诊，与远程医生进行音视频和即时消息通信，得到诊断结果。患者工作站的测试界面如图7所示。

图7 患者工作站测试界面

医生工作站可以查看指定患者的各项生理指标数据和健康模型，在收到患者的会诊请求后，接受请求建立远程会诊，在会诊过程中，患者或者医生离线，系统均会给出离线提醒。医生工作站的测试界面如图8所示。

图8 医生工作站测试界面

测试结果表明，患者的各项生理指标数据采集和传输实时准确，建立的健康模型符合医学常规规范，会诊过程中患者与医生间的音视频信息实时通畅，系统运行稳定。

5 结束语

本文将传感器技术、短距离无线传输技术[6]、嵌入式技术、数据分析和智能辅助诊断技术相结合，设计并实现一套远程健康监护系统。系统能对患者的体温、血压、血糖及动态心电等重要生理指标数据进行远程实时采集，之后上传到数据中心进行分析、存储并建立健康模型，以便为病情的诊断和治疗提供依据。远程健康监护系统是物联网技术在现代医疗领域的应用，它改变了人们传统的就医方式，使患者足不出户即可接受全面的病情监控与护理。

[1] 陈宇．健康物联网移动监护终端的研制[D]．广州：华南理工大学，2013．

[2] 孙永明．移动健康监护系统的设计与实现[D]．青岛：山东科技大学，2016．

[3] 程海粟,李庆武,俞楷,等．基于Cortex-A8处理器的车牌识别系统设计[J]．计算机与现代化，2014，225(5)：122-125．

[4] 何光禹,李太全．基于TC 35i G SM模块的SMS设计和应用[J]．现代电子技术，2010，327(16)：157-159．

[5] 邬春明,艾闯,李丹．基于TC35i 的小区远程报警系统[J]．计算机技术与应用，2007，(11)：129-132．

[6] 王阳,刘志文．健康监护中可穿戴智能移动终端技术及应用[J]．生命科学仪器,2016，14(8)：3-10．

Design and implementation of remote health monitoring system based on Internet of things

SUN Yong-ming1, WANG Ying-lu1, JIA Li2

(1.IndustryandInformationTechnologyDepartmentofHebeiProvince,ShijiazhuangHebei050051,China；2.HebeiPolytechnicInstitute,ShijiazhuangHebei050091,China)

Aiming at the the current status of multiple chronic diseases in our country, a remote health monitoring system based on internet of things is designed, and the architecture and software and hardware of the system are designed and implemented. The system has many functions, for example, remote real-time acquisition, transmission, analysis and remote diagnosis for important physiological data such as dynamic ECG, blood pressure, body temperature, blood glucose.This is greatly convenient to the patient's daily health care, at the same time ease the pressure of the hospital care.

Health monitoring；Internet of things；Bluetooth

2016-11-25

孙永明(1981-)，男，河北宣化人，硕士，工程师，主要研究领域为嵌入式系统、信息管理与信息系统.

1001-9383(2016)04-0001-06

TP274；TP311.1

A