基于物聯網的遠程慢病監護數據網絡設計

摘 要：基于物聯網、傳感器、無線通信和互聯網技術提出了一種智能遠程醫療監護數據傳輸技術，通過模塊設計框架來實現遠程慢病網絡監護系統，并從軟硬件環境的需求提出符合實現系統要求的軟件實現。為實現遠程診斷慢病病人特征提供一種可行的醫療服務。

關鍵詞：物聯網；慢病防治；監護；遠程醫療

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

當前，我國醫療資源分布不均及各地域發展水平不平衡的問題是近一段時期來我國醫療衛生部門面臨的一個突出問題，如何解決廣大人民群眾就醫公平，已成為一個重大課題。隨著物聯網、體域網等多種信息技術的快速發展，建立一種基于物聯網的遠程慢病防治監護平臺，即將醫療技術從醫院延伸到家庭，提供一套具有監護及防護功能的個人健康信息采集處理并提供遠程服務的系統是解決當前問題的一個重要步驟。

2 物聯網及遠程監護（The internet of things， and

remote monitoring）

物聯網[1]是延伸和擴展的互聯網。它運用信息傳感技術，實時采集需要監控、連接、互動的物體生物信號及位置等各種需要信息，把任何物品與互聯網連接起來進行信息交換和通信。實現物與物、物與人、物與網絡的連接，方便管理、識別和控制。

在物聯網的眾多領域當中，遠程醫療是一個值得人們關注的熱點，遠程醫療[2]可縮小不同區域醫療水平的差距，減少病人及家屬的路途奔波時間，提高了醫療效率和質量。遠程監護是遠程醫療的一個重要組成部分，它在患者與醫院專家之間建立一座橋梁，能夠使患者在任何地點、任何時間接受來自遠端醫院專家的診斷，通過遠程監控數據，病人可以享受遠程專家的醫療服務[3]。它是計算機、通信網絡和現代醫療多種技術相結合的產物，它提供了一套全新的醫療服務共享體系。

3 慢病監護網絡系統功能概述（Slow disease

monitoring network system function overview）

基于物聯網的慢病監護系統是連接患者與醫院的紐帶，目標是能夠實現以下功能：①患者在非醫療區域就能享受到醫療機構的監測及護理指導；②患者在任何地方就能享受到急救服務；③通過社區監護系統數據庫建立居民的健康檔案資源庫；④醫護人員通過健康監護平臺能夠及時獲取患者疾病的信息；⑤醫院健康監護平臺收集各個社區醫療信息并進行診斷。

監護數據傳輸網絡系統工作原理：人體基本生理參數（血壓、心率、血氧）的采集，各路采集數據把各路收集到的基本數據經過控制器合并處理后形成同一路串口輸出數據；通過無線傳輸網絡把收集的人體生理參數存儲在本地醫療監護網關（客戶端）；由本地醫療監護網關來完成人體生理參數數據的解析、處理和顯示；遠端醫療監護端（服務器端）接收客戶端發來的人體生理數據，并對這些數據進行分析處理。服務器端和客戶端間的數據交換和網絡通信由兩端的ARM6410完成。

本監護網絡系統的設計實現通過以下五個模塊完成：患者生理數據采集傳感器模塊、數據處理控制器模塊、無線傳輸網絡模塊、本地及遠程醫療監護控制模塊。各個模塊之間的聯系框圖如圖1所示。

圖1 慢病遠程監護模塊框架圖

Fig.1 Slow disease remote monitoring module frame

以上不同模塊實現的功能為：①患者生理數據采集傳感器模塊：即人體生理參數OEM模塊，本模塊數據輸出為標準的串口數據，數據可直接和單片機STM32串口相連。②STM32處理模塊：即對從不同串口上讀取的患者基本數據進行合并處理并傳輸到無線模塊上。③無線傳輸網絡模塊：選擇一種合適的無線傳輸技術，將采集的患者生理數據通過無線傳輸發送，接收端接受數據并傳送給客戶端，即本地醫療監護網關模塊。④客戶端醫療監護控制模塊：采用三星ARM6410開發平臺，接受來自無線傳輸模塊上傳輸來的患者生理參數數據，實時顯示經過解析處理后的數據。⑤服務器端醫療監護模塊：同樣采用三星ARM6410開發平臺，利用Socket技術建立與客戶端醫療監護控制模塊的聯系。服務器端模塊可解析處理客戶端傳送來的患者生理數據，服務器端可實時對客戶端監護模塊進行控制。

4 短距離無線通信方案分析（Short distance wireless

communication scheme selection）

無線網絡通信技術是監護網絡系統的重要部分，本系統所監護的面向對象具有移動性并且監護范圍一般面向社區或家庭，監護區域比較小。而ZigBee技術是一種基于IEEE 802.15.4，它的主要優點是：網絡容量大，安全性高、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的短距離無線通信技術。并且它的通訊距離可自由擴展，從幾米到幾公里范圍都允許，它采用自組網的通信方式，經常把它應用于傳感控制、自動控制、工業控制、家居、醫療等領域。因此，根據對象的需求以及對短距離ZigBee無線通信優勢的分析，本系統無線通信方案選擇ZigBee作為無線傳輸。

5 嵌入式操作系統方案分析（The embedded

operating system scheme selection）

為實現慢病監控系統中各資源得到最有效的利用，選擇合適的嵌入式操作系統進行軟硬件資源及任務分配協調是非常必要的。

目前市場上流行的嵌入式操作系統較多，Android系統具有以下優點：①提供了從最底層內核到最高層應用程序的所有軟件，用戶還可以根據自己需求定制平臺，開發限制少。②所有的應用程序軟件完全平等，部分內置的組建也可根據需要被替換為符合個人需求的版本。③可移植性強，Android平臺上的程序都是基于java語言開發的，并在虛擬機Dalvik上執行，所以，程序可以很好地移植在ARM X86等不同架構上。④優質的圖形系統和音效。Android平臺自身內置了一些常用的標準視頻和音頻編解碼器，結合2D圖形庫和3D加速的OpenGL，可以得到很好畫質和音質效果。⑤系統管理應用程序穩定性好，Android平臺為不同程序之間兼容提供了良好的安全措施，各種應用程序的運行或關閉有條不紊地進行，系統穩定性得到很好保障。

基于以上的分析，Android系統符合監護系統的需要功能及要求，并且它可對監護網絡設備進行很好的性能優化，所以系統選擇Android作為客戶端及服務器端醫療監護的操作系統。

6 慢病網絡監護系統硬件設計方案（Slow disease

network monitoring system hardware design）

慢病監護系統硬件主要由以下部分組成：患者基礎生理參數采集設備、無線傳輸網絡、客戶端醫療監護網關和服務器端醫療監護網四個部分，框架流程如圖2所示。

圖2 慢病監護硬件框架圖

Fig.2 Slow disease monitoring hardware frame

6.1 患者基礎生理參數采集及無線傳輸網絡

生理參數采集采用ARM Cortex-M3內核的STM32芯片并搭載三個生理醫療傳感器模塊。以STM32作為核心微控制器，因為它包含有豐富的外設接口，通過三路采集到的患者生理數據經STM32處理后合并為一路數據，數據通過無線傳輸模塊發送出去。選擇EWRF3065和CSR GL-6B作為無線傳輸設備，EWRF3065模塊由時鐘電路、電源電路、天線射頻電路、電平轉換電路等組成，GL-6B模塊由電源電路、電平轉換電路、天線射頻電路等組成。流程框圖如圖3所示。

圖3 患者生理參數采集及無線傳輸系統

Fig.3 Patients physiological parameters acquisition and

wireless transmission system

6.2 本地醫療監護網關子系統

客戶端監護平臺以Samsung S3C6410 ARM11微處理器作為主CPU，其優點是：ARM6410可以提供1GB SDRAM和1GB NANDFlash存儲空間，同時具備高速SD卡存儲設備、100MB網絡、USB Host、RS232、RS485和外擴GPIO界面等接口，另外配有800×600 7.0英寸高清TFT液晶觸摸屏，并提供寬電壓的電源輸入方式，能方便搭配不同環境下的電源使用。

客戶端醫療監護網關子系統工作主要原理是：患者數據采集系統通過無線網絡將患者基本生理數據傳送給該子系統，客戶端監護網關通過DM9000 AE設備的RJ-45網口將患者基本生理數據傳輸給服務器端監護子系統。本地醫療監護網關框圖如圖4所示。

圖4 本地醫療監護系統

Fig.4 Local medical care system

6.3 遠端醫療監護端子系統

服務器端監護系統以ARM 1176JZF-S為內核，處理器運行速度快，最高可在667MHz主頻上運行，平臺配備有豐富的內部資源，內置硬件加速器，集成了一個支持視頻編解碼MFC，因此它可廣泛應用在移動服務和通信處理等領域。另外，處理器支持多種NAND Flash和Mobile DDR存儲器，集成了CMOS攝像頭、USB HOST、以太網、SD卡、液晶屏觸摸等多種高端接口，這些接口為用戶實現高端設計提供良好的基本條件。

服務器端監控子系統工作情況是：通過DM9000AE的RJ-45接口接收來自客戶端醫療監護網關通過互聯網傳送過來的患者基本數據，并對這些數據進行解析處理。另外，它可以把服務端醫生或專家經過判斷處理后的結果及時地發到客戶端網關，實現實時監控。服務器端醫療監護系統框圖如圖5所示。

圖5 遠端醫療監護系統

Fig.5 Remote medical monitoring system

7 慢病監護系統軟件設計（Slow disease monitoring

system software design）

7.1 無線傳輸軟件設計

通過以上無線通訊方案的選擇，首先對它實現軟件設計，由于ZigBee網絡分別定義Coordinator（協調器）、Router（路由器）和End Device（終端設備）三種網絡角色。各角色之間的關系如圖6所示。

圖6 ZigBee數據傳輸網絡

Fig.6 ZigBee network data transmission

Coordinator負責網絡建立和網絡地址分配，Router負責尋找、建立、修復及傳送數據包，End Device加入網絡并可以傳送數據。通過分析不同角色的功能，因此在軟件設計過程中，分別以兩種傳輸方式實現數據傳輸。

①數據透明傳輸。該傳輸方式以可變的透明數據包的形式進行傳輸，如果數據傳輸的第一組不是0xFC、0xFD或0xFE，那么從端口接收的數據就自動發送給其他所有的節點，接收到的節點把數據自動發給Coordinator；如果兩個設備是通過串口連接，那么可用兩個ZigBee CC2530模塊通信來實現透明數據傳輸。

②點對點數據傳輸。ZigBee網絡中任意節點之間都可以通過格式：“0xFD+數據長度+目標地址+數據”傳送數據長度可變的數據包。

7.2 本地醫療監護軟件設計

客戶端監護軟件設計主要完成宿主機上Android開發環境和編譯環境的搭建，實現本地醫療監護軟件功能。軟件設計由以下兩個方面組成：

（1）搭建符合要求的編譯環境，安裝交叉編譯工具，對Android源碼進行編譯，把Android系統移植到客戶端ARM6410上，并做功能測試。

（2）配置Eclipse、Android SDK、JDK等開發環境，客戶端醫療監護軟件采用Java和C同步開發設計，底層Linux讀寫串口數據由C程序設計完成；高層部分的患者生理數據接收、UI界面繪制及顯示、客戶端和服務器端Socket通信等功能則由Java程序設計完成。

7.3 遠端醫療監護軟件設計

為了程序的兼容性，服務器端醫療監護軟件設計主機環境配置和客戶端監護軟件的配置采取一致的方法。即把客戶端編譯過的Android操作系統直接移植到服務器端醫療監護平臺上。服務器端醫療監護軟件中的數據接受、程序控制、UI界面繪制及顯示、客戶端與服務器端的Socket通信等功能采用Java語言開發。

另外，為了提高程序運行效率，客戶端和服務器端監護軟件設計均采用多線程編程機制。

8 結論（Conclusion）

本文從分析慢病監護系統的功能需求入手，分不同的模塊設計框架來實現遠程慢病網絡監護系統，并從軟硬件環境的需求提出符合實現系統要求的方法。通過本系統的方案設計，為以后的方案實現提供明確的研究內容。

參考文獻（References）

[1] http：//baike.baidu.com/view/1136308.htm.

[2] http：//baike.baidu.com/view/1241145.htm.

[3] 白凈，張永紅.遠程醫療概論[M].北京：清華大學出版社，2000.

作者簡介：

李勝旭（1975-），男，碩士，高級實驗師.研究領域：計算機應

用，圖像處理.