基于GSM的遠(yuǎn)程醫(yī)療呼救系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田永毅，盧慶林

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

隨著生存壓力加大和我國(guó)社會(huì)老齡化的加劇，老人家庭“空巢化”成為社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)。當(dāng)空巢老人遇到諸如心臟病、高血壓等疾病突發(fā)時(shí)，多伴有神志不清、無(wú)行為能力、跌倒等癥狀，大多數(shù)情況下，病人無(wú)法自己完成呼救措施，常常因此錯(cuò)過(guò)最佳搶救時(shí)機(jī)而造成不良后果[1-2]。針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于GSM的遠(yuǎn)程醫(yī)療自動(dòng)呼救系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有攜帶方便、可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，能夠解決空巢老人的醫(yī)療救助問(wèn)題。

1 系統(tǒng)描述

基于GSM的遠(yuǎn)程醫(yī)療自動(dòng)呼救系統(tǒng)由多個(gè)從站和一個(gè)主站組成，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。從站系統(tǒng)由若干醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備、控制器和GSM模塊組成，進(jìn)行生命體征的檢測(cè)與無(wú)線傳送。主站通過(guò)GSM模塊與從站進(jìn)行通信，并對(duì)接收到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為后續(xù)的醫(yī)療救護(hù)提供參考。

用戶攜帶的從站系統(tǒng)定時(shí)喚醒醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)用戶進(jìn)行生命體征的檢測(cè)，從站控制器將采集來(lái)的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的正常生命體征值進(jìn)行比對(duì)。一旦超出正常范圍，從站控制器將通過(guò)GSM模塊向主站（醫(yī)療機(jī)構(gòu)）發(fā)送用戶編碼（用于區(qū)分不同用戶）和當(dāng)前生命體征值，同時(shí)向用戶親屬的手機(jī)發(fā)送預(yù)警信息。主站（醫(yī)療機(jī)構(gòu)）可根據(jù)用戶編碼調(diào)出用戶的既往病歷，結(jié)合當(dāng)前的生命體征值制定相應(yīng)的救護(hù)方案。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Frame chart of system network

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

從站系統(tǒng)通常由電子血壓計(jì)、跌倒檢測(cè)模塊、GSM模塊和微處理器（CPU）組成。主站系統(tǒng)由GSM模塊、微處理器（CPU）、顯示與報(bào)警電路（也可通過(guò)串口模塊連接計(jì)算機(jī)）組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig. 2 Frame chart of hardware system

醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備可根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。本文重點(diǎn)考慮老年人中常見(jiàn)的心臟病和高血壓病，故僅選用了電子血壓計(jì)、跌倒檢測(cè)模塊。同時(shí)為了減少能耗，降低更換從站電池的頻率，采用MSP430系列超低功耗微處理器。

2.1 無(wú)線通信模塊

采用西門(mén)子公司的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊TC35，它能可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音傳輸、短消息業(yè)務(wù)。該模塊集射頻電路和基帶于一體，模塊工作電壓為3.3～5.5 V，可工作在900 MHz和1 800 MHz兩個(gè)頻段，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，方便用戶的應(yīng)用開(kāi)發(fā)及設(shè)計(jì)。該模塊還提供RS232數(shù)據(jù)接口，可方便的與單片機(jī)進(jìn)行串口通信。

2.2 微處理器與GSM的接口連接

本系統(tǒng)中的微處理器采用MSP430系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)，可以最大限度降低系統(tǒng)電路的復(fù)雜度，減少了系統(tǒng)的功耗和體積[3]。

單片機(jī)與GSM模塊連接方式如圖3所示。單片機(jī)與GSM模塊通過(guò)串口模塊MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后連接（MAX232具有驅(qū)動(dòng)能力，無(wú)需外加驅(qū)動(dòng)電路）。需要注意的是：主站與從站之間可以進(jìn)行雙向通信，通過(guò)用戶地址碼對(duì)從站加以區(qū)分。從站與從站之間不能直接通信。

圖3 單片機(jī)與GSM模塊的接口連接Fig. 3 Interfaces of GSM module and MCU

2.3 跌倒檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)采用GY-29-ADXL345 數(shù)字加速度模塊實(shí)現(xiàn)跌倒檢測(cè)。該模塊的核心是超低功耗3 軸加速度計(jì)ADXL345，其測(cè)量范圍達(dá)±16 g，數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16 位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過(guò)SPI或I2C 數(shù)字接口訪問(wèn)。它可以在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度，具有極高的分辨率，能夠測(cè)量不到1.0°的傾斜角度變化。

圖4 GSM傳輸數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Fig. 4 Data frame structure of GSM

跌倒檢測(cè)的基本原理是通過(guò)測(cè)量攜帶該模塊的用戶在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中3個(gè)正交方向的加速度變法來(lái)獲得該用戶身體姿態(tài)變化的信息，從而判斷該用戶是否發(fā)生跌倒[4-5]。

2.4 生命體征監(jiān)測(cè)

考慮到老人常見(jiàn)的心臟病、高血壓，本系統(tǒng)采用PAL-901腕式電子血壓計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)生命體征監(jiān)測(cè)。該血壓計(jì)可測(cè)量心率、高壓、低壓，測(cè)量數(shù)據(jù)可通過(guò)串口輸出，單次發(fā)送6字節(jié)數(shù)據(jù)，傳輸速率為19 200 bit/s，電平電壓2.8 V。而且該血壓計(jì)體積小、供電電源采用干電池，攜帶非常方便。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議

在無(wú)線傳輸過(guò)程中，由于天氣狀況、干擾與噪聲等因素的影響，從站和主站之間的無(wú)線通信往往會(huì)出現(xiàn)傳輸幀的丟失或數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)（誤碼）。為了確保傳輸?shù)目煽啃裕枰贫ㄏ鄳?yīng)的通信協(xié)議[6]。

本系統(tǒng)采用的GSM傳輸數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)由幀頭、用戶地址編碼、跌倒標(biāo)識(shí)、生命體征數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)部分組成。GSM傳輸數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，噪聲產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為1111111100000000的概率很低，因此發(fā)送數(shù)據(jù)幀以0xFF和0x00為幀頭，以避免數(shù)據(jù)誤接收。用一個(gè)字節(jié)地址編碼來(lái)區(qū)別不同的用戶從站系統(tǒng)。數(shù)據(jù)檢錯(cuò)采用CRC校驗(yàn)方式。接收端檢測(cè)到0xFF和0x00字節(jié)后，表示收到的數(shù)據(jù)幀有效。如果該幀CRC校驗(yàn)正確，則說(shuō)明接收正確，否則表示該幀傳輸出錯(cuò)，丟棄該幀。

3.2 程序流程

基于GSM的遠(yuǎn)程醫(yī)療自動(dòng)呼救系統(tǒng)程序流程如圖5～6所示。

從站系統(tǒng)定時(shí)喚醒電子血壓計(jì)對(duì)用戶生命體征進(jìn)行檢測(cè)，并將采集來(lái)的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的正常值進(jìn)行比對(duì)。一旦超出正常范圍，則通過(guò)GSM模塊向主站（醫(yī)療機(jī)構(gòu)）發(fā)送用戶編碼和當(dāng)前生命體征值，同時(shí)向用戶親屬的手機(jī)發(fā)送預(yù)警信息。主站接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效性、可靠性驗(yàn)證。通過(guò)驗(yàn)證后，則發(fā)出警報(bào)并顯示用戶編碼和生命體征值。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一種基于GSM[7]的遠(yuǎn)程醫(yī)療自動(dòng)呼救系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用加速度傳感器測(cè)量跌倒時(shí)的信號(hào)，提出了意外跌倒的檢測(cè)算法。并以電子血壓計(jì)監(jiān)測(cè)用戶的生命體征，利用GSM無(wú)線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與報(bào)警，具有攜帶方便、可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，能夠在一定程度上解決空巢老人的醫(yī)療救助問(wèn)題。

[1] 周笑,李明,卜佳俊,等.移動(dòng)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009(8):187-189.GAO Yun, LIANG Xiu-ying, WANG Wei. Multi-channel data acquisition system of greenhouse based on MSP430[J].Agricultural Mechanization Research,2009,8:187-189.

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