线医疗监护终端 用多级抗干扰措 并对紧急情况及 １．引言 随着社会的发展，人们对于医疗护理水平的要求越来越 高。然而由于医院病房拥堵，看病困难，而且对于慢性病人及 老年病人来说，经常性住院费用昂贵并且环境较差，因此成 本低廉、实时可靠的家庭远程医疗监护系统是解决上述问题 的理想方案Ⅲ。家庭远程医疗监护系统是指将待测人员的生 理参数（心电、体温、血压等信号）采集、存储，并经通讯网络 ２．系统组成及工作原理 基于ＧＰＲＳ的远程无线家庭医疗系统主要由两部分组 成：家庭医疗终端和监护中心。系统的原理框图如图１所示。 图中左侧为监护中心，负责所有用户数据的采集、处理及诊 断反馈；右侧是某一个家庭医疗终端，负责采集病人生理参 数，定期或实时向监护中心传送。在某些场合，例如偏远的诊 所或医院等需要本系统时，可以在单片机和数据采集器之间 使用ＲＳ．４８５总线扩展，这样一台客户端可以同时收集多名 病人的信息，从而提高效率。为了增加系统的兼容性，本文在 设计时在单片机端留有ＲＳ一４８５总线接口。 传输到监护中心，监护中心对数据进行分析处理，再将诊断 方案或治疗建议及时反馈给用户。这样，病人足不出户便可 以定期向医疗中心传输监测数据，也可以在感觉不适时，实 时向监护中心发送数据，进行在线诊断，从而减少了无人看 护时的风险，并且降低了医疗成本，增加了工作效率删。 在现有的通信方式中，使用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或电话线等有线传 输方式具有速度快、数据处理方便、信息量大等优点，但是同 样具有线路固定、灵活性差等缺点。本文提出的远程无线家 庭医疗监护系统，使用ＧＰＲＳ网络实时传输数据，能让监护 中心及时了解被监护人的各种病理参数，并对紧急情况及时 处理【４】。另外，病人可以在外山或移动时佩戴，灵活方便。 ＧＰＲＳ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐａｃｋｅｔ Ｒａｄｉｏ Ｓｅｒｖｉｃｅ）是通用分组无线业 务的简称，它是第２．５代移动通信系统，是ＧＳＭ向３Ｇ的一 个过渡［５１。ＧＰＲＳ是在ＧＳＭ系统基础上引入新的部件而构 成的无线数据传输系统，它的基本功能是在移动终端和 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络的路由器之间传输分组数据。在ＧＰＲＳ模式下， 用户只有在发送或者接收数据时才占用信道资源，因此多个 用户可以共享同一无线信道，从而大大提高了无线资源的利 ０ 图１ 远程无线家庭医疗系统原理框图 系统的丰要工作流程如下： ＧＲＰＳ模块在上电初始化完毕后，从运营商处获取本机 的ＩＰ地址，然后告知监护中心ＰＣ初始化结束，等待发送指 令。 若是首次使用本系统，监护中心首先发送短消息指令给 服务器端单片机（指令中包含客户端的电话号码），单片机控 制ＭＣ５５模块给客户端发送短消息，告知服务器的ＩＩ）地址。 用效率。ＧＰＲＳ传输速率较高，理论值高达１７１．２ｋｂｐｓ。ＧＰＲＳ 另一个很大的优势是可以保证实时在线，只要连接通路已经 建立，便可以随时收发数据，保证了系统的实时性和可靠性 ［６， 。客户端收到短消息后提取ＩＰ地址信息，然后和服务器建立 ＴＣＰ连接。连接建立成功后，客户端将ＩＰ地址通过建立的 ＴＣＰ链路发送给服务器。服务器端将其电话号码和 地址 发送给监护中心，并告知可以发送指令获取客户端数据。监 护中心存储客户端的电话号码和ＩＰ地址。客户端从数据采 集器获取数据后，由单片机控制（定期或实时）将数据传输到 服务器，服务器再将数据传送到监护中心ＰＣ，完成一个完整 综上所述，ＧＰＲＳ传输方式特别适合于一些流量小、传输 频率高、需要及时响应的通讯系统。本设计采用西门子公司 生产的ＭＣ５５ ＧＳＭ模块，内部集成了ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，体积 小，可靠性高，适应环境能力强［８１。 作者简介：荆刚，男，山东高密市人，硕士研究生，助教，研究方向：移动医疗，检测与自动化。 基金项目：山东科技大学“春蕾计划”基金项目，项目编号：２００８ＢＺＣ０４６。 一３０一 的数据传输过程。 若监护中心已经存储了客户端的ＩＰ地址，再次建立连 接时则无需发送短信，直接给服务器端发送客户端的ＩＰ地 址建立连接即可。 ３．系统硬件设计 系统硬件的设讨‘主要包括数据采集器和数据传输单元 （单片机和ＧＰＲＳ模块）两部分，其中数据采集器设计较为简 单，这里主要介绍数据传输单元的设计。 ３．１ 数据采集单元设计 数据采集系统采用内置ＡＤ转换的单片机 ＳＴＣ１２Ｃ５４１０ＡＤ作为主控制器。ＳＴＣ１２Ｃ５４１０ＡＤ是单时钟／ 机器周期的兼容８０５１内核单片机，片上集成５１２字节的 ＲＡＭ，１０Ｋ的程序存储器，２个定时器，内置了８路１０位ＡＤ 转换器，完全能够满足系统的需要。并且在片上集成了 ＥＥＰＲＯＭ，可以将采集到的数据存储，防止掉电丢失 。 ３．２ 数据传输单元设计 数据传输单元负责在监护中心和客户端之间近乎透明 地传输数据，除监护中心发来的短消息指令和建立连接指令 之外，其它数据都按照原格式传输。数据传输单元原理框图 如图２所示。 图２ 数据传输单元原理框图 数据传输单．元的主控制器采用ＳＴＣ８９Ｃ５８ＲＤ＋。 ＳＴＣ８９Ｃ５８ＲＤ＋内部有１２８０字节的ＲＡＭ，可以进行大容量 的数据处理，在本系统中ＧＰＲＳ的数据流可以一次性吞吐， 从而提高了处理速度和可靠性：内嵌了３２Ｋ的ＲＯＭ，保证 了程序的存放空间；内部有ＭＡＸ８１０专用复位电路，能够实 现软件复位，防止程序跑飞；内置ＩＳＰ，可以在线编程。 ３．２．１ 串口复用设计 因为选用的单片机只有一个串口，而单片机同ＭＣ５５模 块和ＰＣ的数据收发均使用串口进行，所以需要分时复用。设 计使用ＣＤ４０６６模拟开关，控制单片机的串口同ＭＣ５５模块 和ＰＣ的串口之间来回切换。平时单片机同ＭＣ５５模块连通， ＰＣ的发送端口ＴＸＤ连接到 片机的外部中断１。若ＰＣ要 给单片机发送数据，则会引起单片机中断。单片机在外部中 断服务程序中将模拟开关同ＰＣ串口连通，从而可以进行数 据的收发。 ３．２．２ 定时自检设计 基金项目 由于系统可能遭遇各种意想不到的情况，例如网络故 障、ＳＩＭ卡接触不良、电磁干扰等，由于不是单片机出现故 障，因此单片机的复位电路将为力，这时就需要系统具 有白检功能。单片机每隔半个小时给ＭＣ５５模块发一次ＳＩＭ 卡检查指令ＡＴ＋ＣＰＭＳ，若返回数据为ＥＲＲＯＲ或者没有数 据返回，说明ＳＩＭ卡可能出现问题或ＭＣ５５模块关闭，则进 行软件复位；客户端每隔半小时向运营商发送指令，获取自 己ＩＰ，与现有ＩＰ比较，若不同，则发短消息告知服务器端以 更新监护中心的ＩＰ数据库；客户端每隔半小时向数据采集 端发送检查指令，检查４８５总线是否正常。 ３．２．３ 低功耗设计 因为客户端使用锂电池供电，因此电路功耗决定了系统 的寿命。在不进行数据采集和数据传输时，单片机进入空闲 模式，ＣＰＵ停止工作，只有中断、串行口和定时器计数器可以 工作；另外，ＭＣ５５模块进入睡眠模式，以进一步降低功耗。 另外，芯片的选择和电路设计等方面的低功耗考虑在此也不 过多叙述。 ４．系统软件设计 数据传输单元的服务器端和客户端使用了相同的程序， 通过一个标志位来判断执行的是服务器还是客户端程序。软 件设计主要由两部分组成：初始化和中断处理。系统在初始 化完毕后，一直等待中断传来的数据。若接收到串口中断传 来的数据，则判断并进行相应的处理。 数据传输单元流程图如图３所示： 初始化 清空缓冲区 等待一一帧数据 Ｆ１ 墨三— 发短消息 否 《≥ 否 ≥ 发送到网 ／ 网络可用？ 星—＇Ｊ将数据通过 ｌ ＼／ ＧＰＲＳ发送 否 图３ 数据传输单元流程图 ４．１ 数据传输链路的建立 由于ＭＣ５５模块内部集成了ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，所以建立 ３１— 项目 数据传输链路的过程比较简单，只需知道对方ＩＰ地址，便可 以用ＡＴ指令和对方建立连接，省去了ＴＣＰ／ＩＰ协议转换专 用芯片，并简化了同运营商基站建立路由的繁琐过程。具体 流程如下： 利用其强大的存储和处理功能分担一部分数据传输系统的 任务，比如存储客户端的电话号码和ＩＰ地址，对传来的终端 数据进行分类存储和处理，从而减轻了传输系统的负担。 。。 ５．总结 系统初始化时使用ＡＴ＾ＳＩＣＳ指令创建一个网络连接 层，一个网络连接层最多可以分配１０个服务层，其中最多有 ６个可用于ｓｏｃｋｅｔ连接㈣。任选一个服务层，配置为服务器监 目前家庭远程医疗监护系统尚处于起步阶段，但由于其 顺应潮流，因而发展迅速，应用前景十分广阔。本文设计的远 程家庭医疗系统，能实现点对多点的数据传输，速度快，成本 低。采用ＳＴＣ系列单片机增加了监护的智能性，采用ＧＰＲＳ 听模式，打开服务层后查看层信息，获取自己的ＩＰ地址。此 时ＭＣ５５处于服务器模式，一直监听是否有建立连接的请 求。若远端有连接请求，则主动通知控制器进行处理。 无线通信网络进行数据传输，增加了客户端的小型化和便携 性，具有一定的实用价值。 参考文献： ［１］郑鸿云，邓菲，白国振．基于嵌入式系统的家庭病床远程医疗 服务系统［Ｊ］．上海理工大学学报，２００６，２８（３）：２６１—２６４． 若已经获取远端的ＩＰ地址（通过短消息获得），则可配 置为客户端模式，在先前创建的网络连接层上建立一个服务 层。在建立一个服务层之前，最好先关闭并清空这个服务层， 防止发生错误。按照参数配置完毕后，开启服务层，向远端地 址发起连接。若地址有效，连接成功，则ＭＣ５５模块通知控制 器连接已经建立，可以向对方发送数据，或者接收对方发来 的数据。至此，一条ＧＰＲＳ链路建立成功。 ［２］钟凌惠，李春雷，周卫东．家庭远程医疗监护数据的传输及处 理［Ｊ］．生物医学工程研究，２００７，２２（４）：４０ ４２． ［３］王蕾．远程医疗系统中关键信息技术的应用【Ｊ］．河北北方 学院学报（自然科学版），２００７，２３（４）：４５．４９． ４．２ 串口数据处理 如图３所示，串口接收到的数据主要分为三类：ＰＣ指 ［４】杨杰，周小四，沈利．家庭远程医疗监护报警和咨询智能系统 ｆＪ］．高技术通讯，２００２，（６）：４－９． 令、ＭＣ５５模块返回到控制器的数据和ＰＣ或数据采集端的 数据流。其中发短信指令以ＰＨ开头，建立连接指令以ＩＰ开 头；ＭＣ５５返回的数据均以ＯｘＯＤ和０ｘ０Ａ开始，以０ｘ０Ｄ和 ０ｘ０Ａ结束；其它的数据都认为是待发送的数据流。 ［５】Ｒ Ｊ（Ｂｕｄ）Ｂａｔｅｓ著，朱洪渡译．通用分组无线业务（ＧＰＲＳ）技 术与应用［Ｍ】．北京：人民邮电出版社，２００４． ［６］曾松伟等．ＧＰＲＳ在远程医疗监护系统中的应用研究［Ｊ］．计 算机工程与设计，２００７，２８（８）：１９４７－ｌ９４９． ［７］王艺，刘方，林晓辉．基于ＧＰＲＳ的嵌入式智能家居终端的设 计与实现［Ｊ］．微计算机信息，２００７，２３（９）：２３—２５． ［８］ＳＩＥＭＥＮＳ．ＭＣ５５ Ｒｅｌｅａｓｅ Ｎｏｔｅｓ（Ｖ０２．５０）．Ａｐｒｉｌ ２９，２００５． 若收到以ＰＨ或ＩＰ开头的数据，则系统为服务器，将服 务器程序标志位置为１；若收到０ｘ０Ｄ０ｘ０Ａ开始的数据，则继 续判断是收到短消息，远端有连接，还是接收到数据，冉分别 进行处理；若为数据流并且连接已经建立，则直接发送到远 端。 ４．３ 监护中心设计 ［９】宏晶科技（深圳）公司．ＳＴＣ１２Ｃ２０５２ＡＤ系列单片机器件手册 ［ｚ］．２００５． ［１０］ＳＩＥＭＥＮＳ．ＭＣ５５／５６ Ｈａｒｄｗａｒｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ（Ｖ０１．０５） ［ｚ］．２００４． 监护中心ＰＣ采用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ ６．０编程设计窗口界面， 使用２３２串口与数据传输系统进行连接。监护中心ＰＣ可以 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｒｅｍｏｔｅ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＧＰＲＳ Ｊｉｎｇ Ｇａｎｇ Ｚｈａｎｇ Ｊｉｌｉａｎｇ Ｌｉｕ Ｄｅｎｇｂｉａｏ Ｌｕ Ｘｉａｎｇ （ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｔａｉ’ａｎ ２７１０１９，Ｓｈａｎｄｏｎｇ） 【Ａｂ｜岫Ｉ髓】Ｆｏｒ ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｉｃｕｌｆｔｙ ｔｈａｔ ｓｏｍｅ ｐａｔｉｅｎｔｓ ｎ ｅｃｄ ｔｏ ｂｅ ｃａｒｅｄ ｉｎ ａ ｌｏｎｇ ｔｅｒｍ ａｔ ｈｏｍｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｃａｓｅ ｏｆ ｄｉｓｔａｎｔ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｅｄｉｃａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＧＰＲＳ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｓ ＧＰＲＳ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｄａｔａ ｂｙ ｐｏｉｎｔ－ｔｏ—ｍｕｌｔｉｐｏｉｔ ｎｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｈｉ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｌｏｗ ｃｏｓｔ；ｕｓｅｓ ａ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏ ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｌｅ；ｕｓｅｓ ｖａｒｉｏｕｓ ａｎｔｉ—ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｏｎｌｉｎｅ ｗｈｉｃｈ ｅｎｓｕｒｅｓ ｔｈｅ ｍｅｄｉｃａｌ ｃａｒｅ ｃｅｎｔｅｒ ｔｏ ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ ｋｎｏｗ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｐａｔｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｐ￣ａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔｓ，ａｎｄ ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｈ ｅｍｅｒｇｅｎｃｉｔｅｓ ｔｉｍｅｌｙ． 【Ｋ｜ 啊＝ｄＩ】ｍｅｄｉｃａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｄｉｓｔａｎｔ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ；ＧＰＲＳ ３２—
