基于TCP协议的远程脉搏监测与通信系统分析

许　壮，关紫艳，王　鑫，王东辉

（河南理工大学 机械与动力工程学院，河南　焦作　454150）

基于TCP协议的远程脉搏监测与通信系统分析

许壮，关紫艳，王鑫，王东辉

（河南理工大学 机械与动力工程学院，河南焦作454150）

文章设计了一套用于检测偏远地区无法享受大型医院就诊患者脉搏信息的医疗设备。产品基于传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）协议进行数据的传输，上位机用VB进行编写，其主要用winsock控件进行设计。上位机对脉搏波形进行实时的检测与显示，并且医生可以通过上位机进行诊断，然后将诊断说明反馈给患者。下位机采用AT89C51为主控板与W5500模块进行SPI协议的通信，脉搏传感器进行数据采集之后，经过A/D转换传给MCU，最后通过基于W5500模块的TCP协议传给上位机。当医生通过上传到服务端的数据进行诊断后将结果发送给患者，实现患者与医生的远程交互，使偏远地区患者看病难、看病贵的问题得以解决，扩大医疗的普及率。产品创新点在于可以远程监测患者的病情，使患者与医生进行互动，脱离了传统的面对面交流模式。设备成本极低，操作方便，即使老人一人在家也可以使用。

TCP；脉搏；STC89c52；无线；远程通信

1　产品研发背景

我国边远地区看病难、看病贵的问题较为突出。智能化的逐渐普及、互联网医院的上线、网络覆盖率的不断增加、社会老龄化的不断扩大，使得远程医疗有着广阔的市场前景。远程医疗将在我国有较强的实用性发展，在一定程度上缓解了我国专家资源与人口分布极不平衡的现象。利用远程会诊系统可以让欠发达地区的患者也能够接受大医院专家的治疗。远程医疗可以缓解偏远地区患者转诊比例高、额外过度消费的问题［1］。自古以来中医使用“把脉”诊断疾病，原理是利用脉搏信号所呈现出来的强度、速率、形态和节律等信息反映出人体心血管的血流等特征。可以从脉搏信号中提取人体的生理信息作为临床诊断和治疗的依据，因此对脉搏信号的采集和处理具有很高的医学价值和应用前景［2］。

2　下位机硬件设计与分析

2.1脉搏检测传感器（pulse sensor）

Pulse sensor是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器。其可以佩戴于手指、耳垂等处。如图1所示，其可以通过导线连接将采集到的模拟信号传输给单片机转换为数字信号经计算后可得到心率数值，还可将脉搏波形上传到电脑显示，其检测的方法为光电容积法。

光电容积法的原理：对人体组织在血管搏动时造成的不同透光率进行脉搏测量。其使用的传感器由光源和光电变换器组成。光源一般采用对动脉血中氧和血红蛋白有选择性的一定波长的发光二极管，当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动而产生周期性变化的信号，动脉血管容积也形成周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。

图1　脉搏检测传感原理示意

2.2以太网控制模块（W5500）

W5500模块是一款采用全硬件TCP/IP协议栈的嵌入式以太网控制器，它能使嵌入式系统通过SPI（串行外设接口）接口轻松地连接到网络。W5500具有完整的TCP/IP协议栈和10/100Mbps以太网网络层（MAC）和物理层（PHY）。其全硬件的TCP/IP协议栈全程支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE协议，W5500使用32kB缓存作为其数据通信内存。SPI（串行外设接口）提供了一个能轻松与外部MCU连接的接口。W5500支持高达80MHZ的SPI通信速率。为了降低系统功率的消耗，W5500提供了网络唤醒和休眠模式。W5500收到原始以太网数据包形式的magic packet时将被唤醒。

2.3电源模块

文章采用220v转9V的变压器，用桥式电路进行半波整流之后用1000uF的电解电容及104pf电容进行整流与去耦，然后采用7805芯片将9V转化成5V电源，做成简单的电源模块［3］，其结构如图2所示。

图2　电源模块

2.4 单片机控制电路

本设计采用ATMEL公司的AT89C52单片机作为核心控制器件，如图3所示。单片机AT89C52负责作为A/D转换器AD0804转换的驱动，并且与以太网控制器W5500模块进行SPI协议的通信、数据接收与发送，同时将接收到的信息进行显示，硬件电路的整体设计如图4所示。

3　下位机程序设计分析

程序的初始化是对单片机的寄存器，LCD12864液晶，W5500模块的本机和目的IP及其端口号的初始化。如图5所示，A/D转换是对采集的脉搏信号进行转换将其转换成能被单片机处理的数字信号。发送数据是通过W5500模块与单片机进行SPI协议的通信，同时W5500模块与路由器连接进行数据的实时发送。接收数据是与发送数据基本保持在同步状态，当客户接收到医生的诊断信息后将直接收到信息并将其显示到LCD12864液晶上，客户可以足不出户且快速了解到自己的身体情况。系统运行实时画面如图6所示。

4　上位机设计分析

由于VB具有编写简单、开发周期短的优点，因此上位机采用VB进行编写。上位机采用winsock控件进行TCP协议［5］的编写，实现数据的接收与发送；采用picturebox控件对传输的数据进行波形的显示；采用picturebox的CurrentX和CurrentY属性进行坐标系的绘制，易于观测传输的数值；利用commandbutton组件对数据的发送进行控制；采用textbox进行文本的显示；采用lable组件对各个部分进行标注［4］。

图5　下位机主程序流程

图6　系统运行实时画面

5　产品检测

本系统对医用的脉搏测试仪与自主设计的远程脉搏检测仪进行检测比较。实验对同一名健康人士检测4次，比较结果如表1所示。

表1　产品检测比较结果

通讯功能检测：在上位机的“健康分析”一栏中写入“身体状况良好”，点击send按钮后在下位机的LCD12864上将会显示“身体状况良好”。

［1］张学军.远程与移动医疗的起源、现状及前景［J］.中国医学文摘：皮肤科学，2016（1）：3-7.

［2］甄雪燕，梁永宣，王利敏，等.揭开“脉诊”的神秘面纱［J］.中国卫生人才，2014（2）：90-91.

［3］刘胜利.开关电源设计与制作实践［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［4］黄润发，强莎莎.VB程序设计技术［M］.上海：中国纺织大学出版社，2001.

［5］孙飞显.TCP/IP网络编程技术与实例［M］.北京：国防工业出版社，2014.

［6］费业泰.误差理论与数据处理［M］.北京：机械工业出版社，2010.

Analysis of remote pulse monitoring and communication system based on TCP protocol

Xu Zhuang， Guan Ziyan， Wang Xin， Wang Donghui
（Mechanical and Power Engineering College of Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454150， China）

This paper designs a set of medical equipment for detecting patients' pulse information of remote areas. The product is based on TCP protocol for data transmission， whose host computer uses VB to write， which is mainly used winsock control to design. That upper computer makes a real-time detection on pulse waveform and displays the result， the doctors can diagnosis through it， then gives the diagnosis to patients. The lower computer uses AT89C51 as the main control board and W5500 module to carry out the communication of SPI protocol， after data acquisition，through the A/D conversion to MCU， the pulse sensor passed the result to the host computer through the W5500 module based on the TCP protocol. Doctors make diagnosis and send the result to the patient according to the data uploaded to the sever to implement the remote interaction between the doctors and patients， make the problem that patients in remote areas where it is diffcult and expensive to see a doctor can be solved， expand the access to health care. Innovation point of the product lies in that the patient's condition can be remotely monitored， so that the interaction between patients and doctors can be implemented， which is broken away from the traditional mode of face to face communication. The equipment cost is very low and easy to operate， eventhe elder alone can be able to operate it.

TCP； pulse； STC89c52； wireless； remote communication

许壮（1995— ），男，辽宁锦州，本科；研究方向：测试计量与仪器。