ZigBee和GPRS在远程智能医疗监护系统的应用

电子设计 2018-10-22 6443

描述

　　为了实现传感器网络的远程监护，结合ZigBee和GPRS各自的优势和特点，提出了一种基于ZigBee通信技术和GPRS移动通信网络相结合的远程智能医疗监护系统的设计方案。该方案基于高速低耗的主控单片机来实现ZigBee协议、TCP/IP、GPRS和GSM的协议之间的转换，可运用于医疗监护及各类需要无线接入物联网的数据处理转发需求，并通过互联网云端Yeelink平台实现远程监测数据的功能。实际测试结果表明，该系统稳定可靠，方便扩展、实时性强。

　　0 引言

　　随着物联网的不断普及和技术的广泛推广，物联网技术给医疗卫生行业带来了深远的影响。“物联网医学” 成为了人们关注的另一个焦点，“物联网医学”是复旦大学附属中山医院在第七届上海国际呼吸研究研讨会上向国内医学界提出的。

　　所谓物联网医学，指的是利用传感技术，将传感器固定在人体上，传感器的终端嵌入和连接到医疗检测设备里，医生可通过手机或电脑连接到该终端，实时地实现对病人全天候、远程检测及诊断。

　　1 远程智能医疗监护系统

　　针对物联网医学提倡的全方位互联的特点，本文将ZigBee 和GPRS 技术相结合，充分利用网络资源，设计了对智能医疗多监护参数进行处理、传输和可视化的网关系统，在一定范围内配置一处或者多处血压、体温、血氧和脉搏传感器，组成ZigBee无线传感器网络。ZigBee网络作为低功耗、低复杂度、低成本且可自动组网的无线网络技术，支持传感器信息采集、传输和处理，可以将不同点的多个传感器数据利用无线网络进行通信，同时结合GPRS 技术实现远程监控，改变了传统无线传感网络需要依托有线公共网络进行数据传输的限制，解决了同时安装大量检测装置、布线量大、线路维护和更改困难的难题，使网络显示出巨大的优势。

　　图1 所示是远程智能医疗监护系统架构图。该系统将信息通过HTTP POST 数据包上传到互联网云端Yeelink 平台，从而实现对体征数据的实时采集、处理、可视化和远程监测。

　　实际测试结果表明，该系统稳定可靠，方便扩展、实时性强。

　　2 网关节点硬件设计

　　设计实现了一种基于STC12C5A60S2 为主控芯片的智能网关系统，单片机负责GPRS 与ZigBee 网络之间的双向数据转换，网关实际上是一个基于GPRS 协议和ZigBee 协议的转换网关。在ZigBee 网络中，网关起到网络协调器的作用，主要工作包括ZigBee 组网组建、监听终端节点以及与终端节点之间的双向通信等；另外，网关节点还承担GPRS 协议与ZigBee 协议间数据的转换，GPRS 网络数据的接收和发送，以及处理GSM 短信息查询等任务。

　　该系统的网关硬件节点电路分为ZigBee 通信模块、GPRS 通信模块和电源供电模块。网关硬件结构图如图2 所示。

　　2.1 电源供电模块

　　因ZigBee 模块和GSM模块所需电压分别为3.3V和5.5 V，故系统的电源模块将9V 的电压输入转化为3.3V 和5.5 V 这两种电压输出供处理器和其他模块使用。该方式的特点：一是系统电源模块能留出足够的余量，最大可提供3 A 的电流，从而防止因功率输出过大造成电源芯片发热、烧毁；其二是本系统通过LDO 芯片LM2575-5 和LM1117-3.3 两级降压，设计电源精度为98%，纹波为30 mV，能满足系统要求。

　　2.2 ZigBee 通信模块

　　ZigBee 通信模块是基于TI 公司CC2530F256 芯片，内部运行ZigBee2007/PRO 协议栈，具有ZigBee 的全部特性。针对复杂的ZigBee 协议，本模块将协议栈嵌入模块内部，只留出串口，在与主控芯片通信时无需考虑ZigBee 内部协议栈，只需要读写串口即可实现数据的无线传输，简单易用，可大大减少开发周期。ZigBee 模块可通过串口连接到PC，可直接配置参数设置为协调器、路由器和终端节点。协调器为最初加入网络的节点分配网络地址（16 位），每个ZigBee 网络需要唯一的一个协调器；路由器可以接收、转发数据，起到路由和中继的作用；终端节点通常为电池供电的低功耗设备，用于采集传感器数据，周期性发送数据。ZigBee 组网状况使用Sensor Monitor 软件观察。本网关系统采用星型网络，因此只用到ZigBee 协调器和终端节点。图3 所示是星型网状的ZigBee 组网。

　　2.3 GPRS 通信模块

　　GPRS 模块使用的是龙尚的A8000，其采用德国英飞凌的基带芯片，具有超高的接收灵敏度，是一款双频900/1800 MHz 高集成度的GSM/GPRS 模块。内嵌TCP/IP 协议模块，使用简单，支持GSM Rec.07.07/07.05 及其特有扩展指令集，通过UART 控制，与单片机通过串口直接通信。

　　3 网关节点软件设计

　　软件设计包括2 个部分：网关软件和监控中心管理软件。网关的软件开发平台为Keil C51，ZigBee 内部运行ZigBee2007/PRO 协议栈，ZigBee 组网监控软件为SensorMonitor，监控中心PC 服务管理软件开发平台为云端Yeelink.

　　3.1 ZigBee/GPRS 网关的程序设计

　　ZigBee/GPRS 网关的程序流程如图4 所示。系统上电后网关节点进行初始化操作，接着搜索空闲工作信道、启动ZigBee 网络并等待终端节点的连接请求。待所有终端节点成功加入ZigBee 网络后，进入等待状态，直到监测平台发出数据采集命令，则将该命令经ZigBee 网络转发至所有终端节点。

　　 ZigBee

　　终端节点根据命令或者定时调用数据采集程序获取当前生理数据，对数据进行初步处理后上传至网关节点。网关节点收集所有的数据进行分析、处理、融合，得到统一格式的数据包，通过GPRS 模块将数据包上传互联网云端Yeelink 平台，平台完成对数据的处理和分析工作。

　　3.2 ZigBee 网络指令设计

　　针对系统数据传输方式为阶段性唤醒查询方式，ZigBee无线网络数据传输采用点对点数据传输方式。点对点数据传输可以在网络内部任意节点直接通过点对点指令来设置传输，指令格式为0XFD+ 数据长度（用户自定义）+目标地址+ 数据，下面以源节点（地址0×0001）发送数据01 02 03 04 05 06 到网关地址（0X143E）为例，源节点发送数据格式如图5 所示。

　　 ZigBee

　　该格式发送的数据为FD 01 3E 14 01 02 03 04，接收到的数据也为FD 01 3E 14 01 02 03 04 05 06.但需特别注意数据区的长度，它可自由定义，不一定等于数据区实际长度，也可以作为其他表示用途。目的地址，低位在前，高位在后，合起来是0X143E.点对点传输具有任意节点之间传输的好处，在路由加入网络后，短地址不会发生改变。目标地址=FFFF，为广播发送；目标地址=0000，则表示发送给协调器。

　　3.3 GPRS 移动网络指令

　　Yeelink 物联网平台是一个免费的物联网平台，允许用户将设备接入到网站，从而实现对设备的监测和控制。利用现成的物联网平台可大大节省开发周期。以下是单片机发送AT 指令控制GPRS 模块连接互联网，并向Yeelink 物联网平台发送HTTP POST 数据包的部分过程指令：

　　3.4 系统测试

　　本测试过程中，以测量多点室温为监测量，系统采用阶段性的休眠和唤醒状态。每个节点每隔1 min 被唤醒一次，进行数据的采集，并等待协调器发出传输命令将数据传送到协调器，然后进入休眠状态。系统的一个节点的温度在互联网Yeelink 平台的监视界面如图6 所示。

　　4 结语

　　本设计方案将ZigBee 技术和GPRS 技术应用于生理参数智能医疗监护系统中，实现无人值守时被监护人生理参数实时远程监测、异常情况警告和短信查询等功能，避免人工测量的麻烦，减轻医护人员的负担，保证受监护人始终处于监控状态。经验证，本方案在实际运行中稳定、可靠，可广泛应用于各类无人值守远程智能监护系统。（作者：黄沃彬，陈本纹，张志伟，梁双斌）

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