基于ZigBee的物聯網遠程醫療系統研究

王彩峰 張海娜

摘 要：針對醫療資源配置不均衡和社會高齡化趨勢加速的現狀，提出了一種基于ZigBee的物聯網遠程醫療監護系統。在該系統中，簡單介紹了物聯網、ZigBee和GPRS等各個模塊的原理及其應用，并對該系統的總體構成及基本原理進行了詳細論述。該系統具有結構簡單、功耗低、節點靈活等特點，可用于實現無線條件下的遠程醫療監控。

關鍵詞：物聯網；ZigBee；GPRS；遠程醫療

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）05-00-02

0 引 言

物聯網醫療[1]是利用傳感器技術，將一枚大至手機或小到指甲片大小的傳感器貼在患者身上，傳感器的一端嵌入或裝備到醫療檢測設備中，醫生通過自己的手機或電腦連接到另一終端后，可隨時隨地實現對病人的診斷、治療和監測。

據了解，目前全球發達國家非常重視物聯網醫療及其相關領域的發展，美國《創新戰略2011》將衛生醫療保健領域的信息技術利用作為創新的六大優勢領域之一。日本在2013年提出的最新信息化發展戰略將醫療健康信息技術作為重點領域。我國是一個人口大國，慢性病占全部疾病的80%以上，且有很高的病死率，加上龐大的老年群體，給保健和醫療造成了嚴重的負擔。物聯網醫療的發展迫在眉睫，本文提出了一種物聯網遠程醫療監控系統方案，該系統可以通過電信運營商覆蓋全國的醫療網絡資源實現，使醫療資源充裕地區的醫護人員借助該醫療系統完成對遠程患者的診療和監護，從而實現對醫療資源的高效利用。

1 物聯網基本原理

物聯網（Internet of Things）利用局域網絡或互聯網等通信技術把傳感器、控制器、人員和物體等通過新的方式連在一起，實現人與物、物與物相聯，從而實現信息化、遠程管理控制和智能化的網絡。

由圖1可以看出，典型的企業物聯網由三大部分組成，即RFID識別系統、中間件Savant系統和Internet系統[2]。

（1）RFID系統主要包括RFID電子標簽和閱讀器，兩者通過RFID接口進行通信；

（2）中間件系統是物聯網的神經系統，負責傳送和管理閱讀器識讀到的信息流，并根據需求把數據傳送到Internet；

（3）中間件系統和計算機互聯網相連，能夠及時有效地跟蹤、查詢和修改信息。

圖1 物聯網的基本架構

物聯網正逐漸應用于經濟社會的各個領域，例如工業領域、農業領域、電網領域、物流領域、交通運輸領域、醫療衛生領域、公共安全領域和節能環保領域等。物聯網的應用帶動了生產力、生產方式等的深刻改變，成為經濟社會綠色、智能和可持續發展的關鍵基礎和重要引擎。

2 ZigBee模塊

ZigBee是為低數據速率、短距離無線網絡通信定義的一系列通信協議標準。基于802.15.4標準，能在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信，且只需要很小的能量，就可以通過多跳的方式傳送數據。該方法主要適用于智能交通、環境保護、政府工作、智能家居、工業監測、遠程醫療等領域，是嵌入式應用的一個熱點。ZigBee主要有如下四個特點：

（1）低功耗

這是ZigBee的突出優勢。在低耗電待機模式下，兩節5號干電池可支持1個節點工作半年到兩年時間。

（2）低成本

ZigBee 數據傳輸速率低，協議棧相對于藍牙、WiFi簡單，降低了對通信控制器的要求，而且ZigBee免協議專利費，大大降低了成本。

（3）網絡容量大

ZigBee具有強大的組網能力，可以形成星型、樹型和網狀型拓撲結構。最多可組成65 000個設備的大網，且網絡的自組織、自愈能力強。

（4）安全可靠

ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用高級加密標準（AES-128）的對稱密碼，各應用可靈活確定其安全屬性。

3 GPRS模塊

GPRS是通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）的簡稱，是GSM Phase2.1規范實現的內容之一，能提供比現有GSM網9.6 kb/s更高的數據率。GPRS的無線調制標準、頻率、調頻規則、突發結構、TDMA幀結構與GSM相同。因此，在GSM系統的基礎上構建GPRS系統時，GSM系統中的絕大部分部件都不需要作硬件改動，只需作軟件升級。

與其他通信體制相比，GPRS具有很多優勢，如資源共享、頻帶利用率高，采用分組交換技術，可以讓多個用戶共享某些固定的信道資源；數據傳輸速率高，最高可達170 Kb/s左右，用戶永遠在線，接入時間縮短，少于1 s，能提供快速即時的連接，可大幅度提高一些事務（如信用卡核對，遠程監控等）的效率[3]。因此，使用這種通信體制可以在很大程度上提高監控系統的實時性和可靠性。

4 物聯網醫療系統構建

物聯網遠程醫療監護系統主要是利用各種醫療傳感器對人體各種參數進行檢測。并對檢測到的數據進行本地處理或者通過Internet網絡傳輸到遠程醫療監護中心。該系統主要由帶在監護者身上的心電、血壓、脈搏和體溫等生理參數監護儀與無線監護終端監控數據存儲、顯示及用戶管理的遠程醫療監控中心等幾部分組成。物聯網遠程醫療監護系統結構框圖如圖2所示。

圖2 物聯網遠程醫療監護系統結構框圖

生理參數監護儀包括心電監護單元、血壓監護單元、血氧監護單元與其它生理參數（ 體溫、脈搏） 監護單元以及用于無線傳輸組網的ZigBee模塊。該部分具有適應性強、使用方便、體積小、功耗低等特點。使用ZigBee技術使生理參數監護儀和無線監護終端分離開， 進一步縮小了監護儀的體積， 便于用戶隨身攜帶。監護者可以根據自身的情況或者醫務人員的建議，對身體的各種生理參數進行檢測，把內嵌的ZigBee模塊的微型醫療傳感器佩戴在身上，在不影響正常活動的前提下，將檢測到的各種生理參數通過ZigBee技術傳送到無線監控終端。

無線監護終端主要用于數據的傳輸，包括ZigBee通信、GPRS通信、數據記錄、液晶顯示、電源管理等模塊， 該部分包括兩個流向的數據。從監護儀出發的采集數據到達無線監護端，經過一定的處理后可以顯示、保存數據或者通過GPRS通信進行上傳；從遠程監控中心發出的查詢數據到達無線監護終端，經過一定處理后通過無線方式到達監護儀端，監護儀按照查詢條件上傳符合要求的數據。

遠程監控中心通常具有較強的處理能力、存儲能力和通信能力，本文采用B/S模式的ASP.NET技術開發的遠程監控中心系統[4]，使專業醫療人員以動態網頁的形式瀏覽、查詢并對被監護人員作出診斷。該系統平臺將上傳的數據與被監護人員的基本信息進行綁定，結合醫療專家知識庫，對數據進行處理、分析，并在監護中心終端上以動態網頁的形式顯示，專業醫療人員通過顯示的信息和分析結果對數據進行判斷，通過操作平臺界面發出符合一定規范的診療建議信息，經由呼叫中心或短信中心系統等通知用戶。該ASP.NET監控系統運行維護比較簡便，能使專業醫療人員方便地對后臺數據庫、分布式數據庫進行添加、刪除、修改、查詢等操作，且能夠實現分頁技術，用戶對海量數據的查詢一目了然。

5 結 語

隨著物聯網技術的日益成熟，勢必在醫療系統中得到廣泛應用，并將對實現全球范圍的“智慧醫療”起到積極有效的推動作用。本文介紹了物聯網技術的基本原理，物聯網應用中所涉及的短距離和遠程無線通信技術，最后，提出一種新的基于物聯網的遠程醫療監護系統，利用插件式監護方式，實現多種生理參數的實時監控。該系統可以改善公眾醫療尤其是弱勢群體的醫療衛生條件，節約了患者的時間和醫療成本，均衡利用了優勢醫療資源，提高了醫療診治水平與效率。

參考文獻

[1]李如年.基于RFID技術的物聯網研究[EB/OL]. http：//tech.rfidworld.com.cn/2011_08/d9bc1d009fee621a.html.2011

[2]高飛，薛艷明，王愛華.物聯網核心技術--RFID原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[3]田小輝，李明遠，田昕.基于GPRS的遠程無線透傳終端系統的設計與實現[J].現代電子技術，2005，28（4）：97-99.

[4]馬豐杰，李麗宏，王淑娟.煤炭產量遠程監測系統監控中心的設計與應用[J].軟件，2001，32（2）：90-93.

[5]馬駒.ZigBee在物聯網中的應用[J].科協論壇，2011（2）：34-36.