基于GSM/GPRS和射頻模塊的人體醫學數據監測樣機設計

摘要：本文采用了單片機控制TC35i和無線射頻模塊nRF24L01，配合便攜式醫學監測設備，基于GSM/GPRS和2.4GHz ISM頻段，實現了近距離和遠程的數據采集、傳輸處理、位置定位和回顯醫療意見的監測樣機。本樣機具有較高的擴展性及性價比，還可適用于其他環境的監測嵌入式應用。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/256091.htm

關鍵詞：醫學數據監測；便攜設備；TC35i；無線射頻模塊nRF24L01；單片機

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.7.007

1 系統的組成及工作原理

該系統分為可移動式信息采集單元、固定信息處理單元和管理中心監控平臺。

其中，每個可移動式信息采集單元包括控制壓力傳感器、心音傳感器、血流傳感器、呼吸傳感器、溫度傳感器等醫用傳感器組成的監測機，一個無線射頻模塊nRF24L01和一個GSM/GPRS模塊TC35i組成的數據中轉單元，以及起主要控制作用的單片機C8051F330。

在監測過程中，由于本設計采用的單片機集成了A/D采樣的功能，可以對采集數據進行存儲且判斷，如果數據不正確則蜂鳴器發出警報后重新采集。正確的數據（包括體溫、脈搏、血壓、心跳變化和呼吸頻率等）一方面可通過LCD進行實時顯示，另一方面，就醫時通過固定信息處理單元中的單片機控制單元中的無線射頻模塊nRF24L01，將數據傳輸到監控中心（PC）。或在遠離醫療點時利用，控制單元中TC35i模塊以短信息的方式，利用通信部門提供的短信業務定時或實時地將以上數據送到管理中心（遠程PC），錄入SQL Sever數據庫，并對錄入的體溫值、脈搏值、血壓值、心跳變化和呼吸頻率等分項實時累計。

管理中心的檢測人員可以隨時查看用戶的實時監測數據，醫生可以通過對用戶的人體醫學數據的了解實現遠程診斷。管理中心還可每天發送天氣預報、健康小常識等內容給用戶，以供用戶參考使用。此外，若發現在某一時間段，用戶持續沒有發送檢測數據到管理中心，檢測人員還可主動向用戶發送信息，給予提醒。當用戶端的采集器處于開機狀態時，用戶端的采集單元可自動發送近期采集到的數據到管理中心，供檢測人員參考。并且，當用戶自身突發疾病時，可啟動設備發出求救信號，盡可能地幫助其及時得到救助。其系統總體結構圖1所示。

2 系統硬件電路設計

2.1 nRF24L01無線射頻模塊[1]

n R F 2 4 L 0 1 是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段免許可使用的單片無線收發器芯片。

nRF24L01數據包處理模式分為SchockBurst模式和增強型SchockBurst模式兩種，由于典型的雙向鏈接——發送方要求終端設備在接收到數據后有應答信號，以便于發送方檢測有無數據丟失，一旦數據丟失，則通過重新發送功能將丟失的數據恢復。并且增強型的SchockBurst模式可以同時控制應答及重發功能而無需增加MCU工作量。因此，本系統采用了后面一種，增強型SchockBurst模式使得雙向鏈接協議執行起來更為容易、有效。

nRF24L01 在接收模式下可以接收6 路不同通道的數據，本系統設計中，采用主—從五的星型網絡結構，功能完全滿足預期要求。

2.2 GSM/GPRS模塊

TC35i模塊是西門子公司推出的一種支持中文短信息的無線通信模塊，它是集射頻電路、基帶于一體，向用戶提供標準的AT 命令接口，為數據、語音、短信息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的開發設計及應用。

2.3 中央處理器

C8051F330具有高速流水線結構的8051兼容的CIP-51內核，最高可達到25MIPS執行速度；全速非侵入式的系統調試接口（片內，C2接口）。此中央處理器具有片內溫度傳感器以及多信號輸入接口，大大增加了系統的實用性和擴展性。

該樣機中，中央處理器與各部分的接口電路圖如圖2所示。

3 軟件設計

系統程序設計分為近距離數據傳輸和遠程數據傳輸兩個部分。具體過程如下。

在就醫時，無線射頻模塊主要是通過接收單片機的控制指令，然后完成用戶一個月的采樣數據的傳輸任務。系統上電后，首先進行必要的初始化操作，包括設置C8051F330單片機的I/O口工作方式、開中斷等，然后初始化LCD顯示屏，使其顯示相關內容，最后進行無線射頻模塊的初始化，并設置其工作模式為發送模式。單片機進入主程序后，就一直檢測有沒有采樣數據并實時顯示，通過無線射頻模塊發送至固定信息處理單元中的無線射頻模塊，利用其上傳至醫療點PC中。每發送和顯示完一次數據后再檢測是否在有效時間內收到應答信號，如果收到控制信號則認為發送成功。沒有則返回重發相同的數據包，直到收到應答信號或超過了設定值重發次數。流程圖如圖3所示。

遠程數據傳輸中，單片機進入主程序后首先可檢測近程監測的狀態。如果近程傳輸還在繼續，則繼續檢測。若沒有則通過程序中指令自動開啟TC35i或發出警告音提醒用戶手動開啟TC35i，對于采樣后的數據新寫入歷史記錄和臨時緩沖區。然后根據相應的AT指令初始化TC35i，對數據是通過GSM直接發送短信還是選擇GPRS網絡發送短信進行所需要的指令配置，以及發送短信息的格式（TXT或者PDU）指令配置。單片機首先檢測緩沖區內是否有數據，當有PC發來短信或檢測人員打來電話時，程序產生中斷，運行至相應的AT指令段，單片機就接收PC機發送過來的控制短信或電話，對短信或電話進行解碼，從中提取出有用的控制字符并在LCD中顯示，判斷字符內容是否為“請求發送數據”，是的話則檢測緩沖區中數據，發送相應內容短信到遠程管理中心。否則就可以顯示天氣預報，健康提示等內容。當單片機檢測到求救按鈕被按下時，立即響應蜂鳴器同時撥打出求救電話。否則將直接把緩沖區的數據通過GSM或GPRS網絡發送到目的號碼。由于模塊作用于電信移動運營商，可利用運營商的基站對手機的距離測算來確定手機位置。因此，用戶可以周期性地發送位置信息，以便管理中心或親屬對其的位置查找。每當用戶發送的信息被管理中心成功接收后，用戶可以收到短信被成功接收的回執。流程圖如圖4所示。

4 管理中心

管理中心采用VisualBasic和SQL Server數據庫實現的功能——（1）人機交互的實現和完美的用戶界面。（2）監測信息獲取和處理。對收到的信息進行數據分析后，發送健康提示給用戶，例如：“今天身體不錯哦，需要保持哦！”還可實時發送天氣預報、保健知識等給用戶。（3）數據庫的管理與維護。

5 調試與結果

在Keil環境下將工程成功下載至芯片后，將用戶端的監測系統佩戴至某人身上，當佩戴者與固定信息處理單元處于有效距離內，在程序的設定時間內管理中心接收到佩戴者人體醫學數據，且與佩戴者端LCD顯示一致。當佩戴者處于較遠距離，不論在GSM下，還是在GPRS下，均能在程序的設定時間內管理中心接收到佩戴者人體醫學數據，且與佩戴者端 LCD顯示一致。當管理中心（參與實驗的其他人員）撥打佩戴者設備中的號碼或發送其短信時，在程序的設定時間內管理中心接收到佩戴者人體醫學數據。佩戴者產生的“自救警報”功能也同樣正確實現。

該樣本在以后的工作中還可以利用模塊本身具備的功能，集成電話號碼薄的存儲和選擇號碼功能，加入緊急聯絡人的號碼，確保用戶在求救是及時得到救助。

6 結束語

本文所設計的人體醫學數據傳輸系統，利用現有較穩定網絡下，在保證個人信息安全，準確地傳輸到意向目的。能夠滿足一般性近距離及遠程監測、定位的要求，系統構造成本較低，低功耗、性價比高，是基礎醫療管理的有效手段和工具，可提高突發疾病的救助率，有利于醫療保障的科學管理。本系統可作為長期患有心血管、高血壓等疾病人群的好幫手，尤其可作為獨居人群安全保障的輔助設備。

參考文獻：

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