基于TCP協(xié)議的遠程脈搏監(jiān)測與通信系統(tǒng)分析

許　壯，關(guān)紫艷，王　鑫，王東輝

（河南理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，河南　焦作　454150）

基于TCP協(xié)議的遠程脈搏監(jiān)測與通信系統(tǒng)分析

許壯，關(guān)紫艷，王鑫，王東輝

（河南理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，河南焦作454150）

文章設(shè)計了一套用于檢測偏遠地區(qū)無法享受大型醫(yī)院就診患者脈搏信息的醫(yī)療設(shè)備。產(chǎn)品基于傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸，上位機用VB進行編寫，其主要用winsock控件進行設(shè)計。上位機對脈搏波形進行實時的檢測與顯示，并且醫(yī)生可以通過上位機進行診斷，然后將診斷說明反饋給患者。下位機采用AT89C51為主控板與W5500模塊進行SPI協(xié)議的通信，脈搏傳感器進行數(shù)據(jù)采集之后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換傳給MCU，最后通過基于W5500模塊的TCP協(xié)議傳給上位機。當(dāng)醫(yī)生通過上傳到服務(wù)端的數(shù)據(jù)進行診斷后將結(jié)果發(fā)送給患者，實現(xiàn)患者與醫(yī)生的遠程交互，使偏遠地區(qū)患者看病難、看病貴的問題得以解決，擴大醫(yī)療的普及率。產(chǎn)品創(chuàng)新點在于可以遠程監(jiān)測患者的病情，使患者與醫(yī)生進行互動，脫離了傳統(tǒng)的面對面交流模式。設(shè)備成本極低，操作方便，即使老人一人在家也可以使用。

TCP；脈搏；STC89c52；無線；遠程通信

1　產(chǎn)品研發(fā)背景

我國邊遠地區(qū)看病難、看病貴的問題較為突出。智能化的逐漸普及、互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)院的上線、網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的不斷增加、社會老齡化的不斷擴大，使得遠程醫(yī)療有著廣闊的市場前景。遠程醫(yī)療將在我國有較強的實用性發(fā)展，在一定程度上緩解了我國專家資源與人口分布極不平衡的現(xiàn)象。利用遠程會診系統(tǒng)可以讓欠發(fā)達地區(qū)的患者也能夠接受大醫(yī)院專家的治療。遠程醫(yī)療可以緩解偏遠地區(qū)患者轉(zhuǎn)診比例高、額外過度消費的問題［1］。自古以來中醫(yī)使用“把脈”診斷疾病，原理是利用脈搏信號所呈現(xiàn)出來的強度、速率、形態(tài)和節(jié)律等信息反映出人體心血管的血流等特征。可以從脈搏信號中提取人體的生理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，因此對脈搏信號的采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價值和應(yīng)用前景［2］。

2　下位機硬件設(shè)計與分析

2.1脈搏檢測傳感器（pulse sensor）

Pulse sensor是一款用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器。其可以佩戴于手指、耳垂等處。如圖1所示，其可以通過導(dǎo)線連接將采集到的模擬信號傳輸給單片機轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號經(jīng)計算后可得到心率數(shù)值，還可將脈搏波形上傳到電腦顯示，其檢測的方法為光電容積法。

光電容積法的原理：對人體組織在血管搏動時造成的不同透光率進行脈搏測量。其使用的傳感器由光源和光電變換器組成。光源一般采用對動脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長的發(fā)光二極管，當(dāng)光束透過人體外周血管，由于動脈搏動充血容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑵浞糯蠛洼敵觥Ｓ捎诿}搏是隨心臟的搏動而產(chǎn)生周期性變化的信號，動脈血管容積也形成周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率。

圖1　脈搏檢測傳感原理示意

2.2以太網(wǎng)控制模塊（W5500）

W5500模塊是一款采用全硬件TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式以太網(wǎng)控制器，它能使嵌入式系統(tǒng)通過SPI（串行外設(shè)接口）接口輕松地連接到網(wǎng)絡(luò)。W5500具有完整的TCP/IP協(xié)議棧和10/100Mbps以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層（MAC）和物理層（PHY）。其全硬件的TCP/IP協(xié)議棧全程支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE協(xié)議，W5500使用32kB緩存作為其數(shù)據(jù)通信內(nèi)存。SPI（串行外設(shè)接口）提供了一個能輕松與外部MCU連接的接口。W5500支持高達80MHZ的SPI通信速率。為了降低系統(tǒng)功率的消耗，W5500提供了網(wǎng)絡(luò)喚醒和休眠模式。W5500收到原始以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包形式的magic packet時將被喚醒。

2.3電源模塊

文章采用220v轉(zhuǎn)9V的變壓器，用橋式電路進行半波整流之后用1000uF的電解電容及104pf電容進行整流與去耦，然后采用7805芯片將9V轉(zhuǎn)化成5V電源，做成簡單的電源模塊［3］，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　電源模塊

2.4 單片機控制電路

本設(shè)計采用ATMEL公司的AT89C52單片機作為核心控制器件，如圖3所示。單片機AT89C52負責(zé)作為A/D轉(zhuǎn)換器AD0804轉(zhuǎn)換的驅(qū)動，并且與以太網(wǎng)控制器W5500模塊進行SPI協(xié)議的通信、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，同時將接收到的信息進行顯示，硬件電路的整體設(shè)計如圖4所示。

3　下位機程序設(shè)計分析

程序的初始化是對單片機的寄存器，LCD12864液晶，W5500模塊的本機和目的IP及其端口號的初始化。如圖5所示，A/D轉(zhuǎn)換是對采集的脈搏信號進行轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換成能被單片機處理的數(shù)字信號。發(fā)送數(shù)據(jù)是通過W5500模塊與單片機進行SPI協(xié)議的通信，同時W5500模塊與路由器連接進行數(shù)據(jù)的實時發(fā)送。接收數(shù)據(jù)是與發(fā)送數(shù)據(jù)基本保持在同步狀態(tài)，當(dāng)客戶接收到醫(yī)生的診斷信息后將直接收到信息并將其顯示到LCD12864液晶上，客戶可以足不出戶且快速了解到自己的身體情況。系統(tǒng)運行實時畫面如圖6所示。

4　上位機設(shè)計分析

由于VB具有編寫簡單、開發(fā)周期短的優(yōu)點，因此上位機采用VB進行編寫。上位機采用winsock控件進行TCP協(xié)議［5］的編寫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送；采用picturebox控件對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行波形的顯示；采用picturebox的CurrentX和CurrentY屬性進行坐標(biāo)系的繪制，易于觀測傳輸?shù)臄?shù)值；利用commandbutton組件對數(shù)據(jù)的發(fā)送進行控制；采用textbox進行文本的顯示；采用lable組件對各個部分進行標(biāo)注［4］。

圖5　下位機主程序流程

圖6　系統(tǒng)運行實時畫面

5　產(chǎn)品檢測

本系統(tǒng)對醫(yī)用的脈搏測試儀與自主設(shè)計的遠程脈搏檢測儀進行檢測比較。實驗對同一名健康人士檢測4次，比較結(jié)果如表1所示。

表1　產(chǎn)品檢測比較結(jié)果

通訊功能檢測：在上位機的“健康分析”一欄中寫入“身體狀況良好”，點擊send按鈕后在下位機的LCD12864上將會顯示“身體狀況良好”。

［1］張學(xué)軍.遠程與移動醫(yī)療的起源、現(xiàn)狀及前景［J］.中國醫(yī)學(xué)文摘：皮膚科學(xué)，2016（1）：3-7.

［2］甄雪燕，梁永宣，王利敏，等.揭開“脈診”的神秘面紗［J］.中國衛(wèi)生人才，2014（2）：90-91.

［3］劉勝利.開關(guān)電源設(shè)計與制作實踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［4］黃潤發(fā)，強莎莎.VB程序設(shè)計技術(shù)［M］.上海：中國紡織大學(xué)出版社，2001.

［5］孫飛顯.TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)與實例［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2014.

［6］費業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理［M］.北京：機械工業(yè)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

許壯（1995— ），男，遼寧錦州，本科；研究方向：測試計量與儀器。