遠程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)

1、遠程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)遠程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)一、設計目的隨著電子信息的飛速發(fā)展， 近年來，遠程醫(yī)療監(jiān)控技術也漸漸成為醫(yī)療界的一個熱點。重要生命參數(shù)的遠程監(jiān)控給年老體弱者帶來了方便， 也給現(xiàn)代醫(yī)療界的發(fā)展做出了很大的貢獻。遠程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)，它是一種集成信息科學、計算機技術和通信應用技術于醫(yī)療衛(wèi)生領域的高科技產(chǎn)業(yè)品。 系統(tǒng)主要組成部分為： 基于微控制器和傳感器節(jié)點組成體征采集模塊，基于 GPRS/GSM 的無線收發(fā)模塊，基于 FPGA 的上位機監(jiān)控模塊。體征采集模塊利用各類專用傳感器采集人體體征， 并由微控制器進行處理打包，經(jīng)由 GPRS/GSM 通信網(wǎng)絡上傳至上位機監(jiān)控中心，遠程醫(yī)生 /監(jiān)護人可定時 /實時

2、監(jiān)控病患。該系統(tǒng)測量準確，實用創(chuàng)新性強，性價比高，具有很好的推廣價值。二、設計要求設計一個遠程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)。要求：1.通過各傳感器節(jié)點準確采集各項體征信號并交于89c51 單片機進行處理，計算出各項體征信息（包括體溫、血壓、脈搏、心率），組成體征采集子模塊，完成各項體征信息采集，并上傳到GPRS/GSM 無線模塊。2.GPRS/GSM 無線模塊將接收到體征信息，并準確地送往上位監(jiān)控機。3.基于 FPGA 的上位監(jiān)控機接收到下位機信息，并進行分析處理及控制。三、設計器材：1.各類體征傳感器（ ASDX100 壓力傳感器、 HK-2000B 脈搏傳感器、 DS18B20溫度傳感器）；2.微控制器、

3、 GPRS/GSM 模塊、 FPGA 開發(fā)箱；3.鑷子、鉗子、電阻電容電位器導線等若干、焊錫若干。四、設計原理及設計方案1. 設計原理遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以定義為通過無線通信技術將遠端的體征生理信息和醫(yī)學信號傳送到上位機監(jiān)控中心進行分析并給出診斷意見的一種技術手段。（1） 醫(yī)療監(jiān)測原理重要生命參數(shù)的遠程監(jiān)護是年老體弱者口常監(jiān)護的一個重要內容，檢測的生理信息主要包括:體溫、脈搏、血壓、心率、心電圖、呼吸、血氣(氧分壓和二氧化碳分壓)、血氧飽和度、血糖等。 這類生理參數(shù)在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中一般要求無創(chuàng)或微創(chuàng)檢測。本文以溫度、 脈搏、血壓及心率信號為采集對象，選擇了簡單方便的傳感器和無創(chuàng)測量的方法。（2）無線

4、通信技術隨著信息技術的不斷發(fā)展和社會需求的口益增長，無線通信已經(jīng)進入規(guī)?；l(fā)展的階段，快速發(fā)展的無線通信已成為信息產(chǎn)業(yè)中最為耀眼的“亮點” ，為各種潛在的工程技術提供了新的方法和手段，并成為推動社會發(fā)展的強勁動力。無線通信以其不需輻設明線、 使用便捷等特點， 展示出廣闊的市場前景。 無線通信技術正以較快的速度進入許多產(chǎn)品， 它與有線相比主要具有成本低、 攜帶方便和省去布線的煩惱等優(yōu)點，特別適用于遙控、遙測、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標簽、身份識別、非接觸RF 智能片、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號采集、水文氣象監(jiān)控、機器控制、信息家電、無線 2

5、32、無線 422/485 數(shù)據(jù)通信等領域。利用 GPRS/GSM 技術進行無線通信，使傳統(tǒng)的串口通訊擴展為 GPRS/GSM無線網(wǎng)絡通訊， 可以實時的把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時交換及串口設備的快速無線聯(lián)網(wǎng)。2.設計方案（1） 醫(yī)院監(jiān)控網(wǎng)絡體系方案醫(yī)院監(jiān)護系統(tǒng)由有線網(wǎng)絡 (局域網(wǎng) )和無線網(wǎng)絡兩部分組成，如圖 4.1 所示。患者身上佩戴的采集終端，將采集到的生理信息數(shù)據(jù) (體溫、脈搏、血壓、心率 )發(fā)送到 AP (Access Point )。AP 通過醫(yī)院的局域網(wǎng)， 將數(shù)據(jù)轉發(fā)到上位監(jiān)控機上，由上位監(jiān)控機對數(shù)據(jù)進行分析和處理。AP 上電后立即嘗試連接局域網(wǎng)上的服務器，服務器的

6、IP 和端口號以及AP 的網(wǎng)絡配置都寫在配置文件中，用戶可以手動修改，連接成功后進入就緒狀態(tài)。如果有攜帶移動監(jiān)護設備的患者進入AP 的覆蓋區(qū)域移動監(jiān)護設備將會查詢到 AP 并與之建立 ACL 鏈路， AP 接受連接將會進行主從切換，保證AP 作為傳感器網(wǎng)絡的主單元可以繼續(xù)被其他移動監(jiān)護設備發(fā)現(xiàn)和建鏈。 之后移動監(jiān)護設備和 AP 之間進行 SDP , L2CAP, RFCOMM 連接。 AP 向服務器報告有移動監(jiān)護設備進入該區(qū)域，此后 AP 將透明地轉發(fā) AP 和移動監(jiān)護設備之間的雙向數(shù)據(jù)。主機可以通過 AP 和移動監(jiān)護設備的串口替代功能完成控制、數(shù)據(jù)采集的功能。當患者離開此 AP 的覆蓋范圍后

7、，鏈路中斷， AP 向服務器報告移動監(jiān)護設備離開該區(qū)域，同時患者攜帶的移動監(jiān)護設備開始搜索新的 AP。醫(yī)護人員根據(jù)移動監(jiān)護設備與哪一個 AP 相連可以獲知患者在整個病區(qū)內的活動情況。 其設計結構如圖 1 所示。監(jiān)護服務器信息中心病房 3AP病房 4AP局域網(wǎng)AP病房 1AP病房 2單片機傳感器圖 1醫(yī)院無線監(jiān)控系統(tǒng)結構（2） 家庭監(jiān)護網(wǎng)絡體系方案遠程家庭監(jiān)控網(wǎng)絡體系結構如圖2 所示。InterneAP醫(yī)院信息中GPRS/GSM 模塊傳感器和單片機圖 2 家庭無線監(jiān)控系統(tǒng)結構無線系統(tǒng)主要由各個傳感器節(jié)點(脈搏、體溫、血壓、心率等傳感器節(jié)點)、若干個具有路由功能的無線節(jié)點和中心網(wǎng)絡協(xié)調器(監(jiān)護基站

8、設備 )組成。監(jiān)護基站設備連接無線網(wǎng)絡與以太網(wǎng)，是家庭無線網(wǎng)絡的核心部分， 負責傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和設備節(jié)點的管理。 各項體征數(shù)據(jù)經(jīng)過家庭網(wǎng)關傳輸?shù)竭h程監(jiān)護服務器。遠程監(jiān)護服務器負責脈搏生 理數(shù)據(jù)的實時采集、顯示和保存。醫(yī)院監(jiān)護中心和醫(yī)生可以登錄監(jiān)護服務器查看被監(jiān)護者的生理信息，也可以遠程控制家庭無線網(wǎng)絡中的傳感器和設備，從而在被監(jiān)護病人出現(xiàn)異常時， 能及時檢測到并采取搶救措施。被監(jiān)護者的親屬等也可以登錄監(jiān)護服務器隨時了解被監(jiān)護者的健康狀況。五、設計流程1. 傳感器單元的設計傳感器節(jié)點主要功能為采集人體體征信息（包括體溫、脈搏、血壓、心率），其節(jié)點主要包括5 部分 : 中央處理器模塊(51 單片機

9、 ) 、無線數(shù)據(jù)通信模塊（ GPRS/GSM）、傳感器、 A/D 轉換及相關調理電路、電源模塊。節(jié)點框圖和處理器單元如圖 3 所示。傳感器及相關A/D單片機處無線數(shù)據(jù)通調理電路轉換理器模塊信模塊電源單元圖 3監(jiān)控傳感器節(jié)點結構2 .GPRS/GSM 模塊的設計介紹了一種通過GPRS/GSM 短消息的收發(fā)實現(xiàn)對工程上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，其能夠完成對工程上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運行狀況監(jiān)測及采集數(shù)據(jù)的傳輸。同時也能夠通過短消息控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成指定的操作。系統(tǒng)自帶有存儲器，能夠按接收到的指令對設備進行配置，并將其存儲到設備自帶的存儲器中。同時系統(tǒng)配備了看門狗，能夠使系統(tǒng)在異常狀態(tài)下重啟系統(tǒng)，使系統(tǒng)做

10、到永不死機。由于該系統(tǒng)采用了GSM 短消息作為通信載體，使其克服了普通電話監(jiān)控的人機界面不友好，話費高，且控制功能少等缺點。GSM 硬件圖如下圖 4 所示。圖 4GSM 硬件框圖3. 基于 FPGA的上位監(jiān)控中心設計為了使便攜式心電監(jiān)護儀具有友好的人機交互和方便的顯示，移植了一個GUI 界面系統(tǒng)。以 UPCUP FPGA2C35 II 綜合實訓平臺為驗證平臺，TFTLCDIP 核是在 Quartus 9 0 軟件平臺下，使用 Verilog 在 FPGA 上用硬件邏輯電路進行設計。該 IP 核是利用 Quartus開發(fā)和其集成的 SOPC Builder 系統(tǒng)開發(fā)工具而設計的。 C GUI 則

11、是在配套開發(fā)軟件 NiosIDE 中進行移植實現(xiàn)。實驗結果表明， CGUI 界面系統(tǒng)成功運行在本開發(fā)板上，可實現(xiàn)窗口管理、在指定位置顯示文字、快速而高效處理數(shù)據(jù)和顯示圖片等功能。 FPGA 開發(fā)箱如下圖5 所示 .圖 5FPGA 開發(fā)箱便攜式醫(yī)療監(jiān)護儀已成為人們日常生活中不可缺少的一部分。 便攜式設備是由硬件與軟件緊湊組合的一個單元模塊， 是一種體積小、智能化程度高、功能全、使用靈 活、操作方便的便攜機，適合家庭使用、外出攜帶等用途。為了使便攜式心電監(jiān)護儀實現(xiàn)友好的人機交互和更加方便的顯示，這里提出一種GUI 界面系統(tǒng)設計，就是在基于Nios處理器的嵌入式平臺上實現(xiàn)C GUI 的移植，使之實現(xiàn)

12、系統(tǒng)功能。系統(tǒng)中心觸摸屏瀏覽服務信息并實現(xiàn)相關操作，通過無線網(wǎng)絡和終端通信。各個采集終端作為獨立系統(tǒng)工作， 所有數(shù)據(jù)傳到前臺上位機協(xié)調處理。 終端硬件框圖如圖 2 所示，利用片上可編程系統(tǒng) (SoPC)技術將 Nios II 處理器、外設接口控制器等功能模塊集成到 FPGA，構成可編程片上系統(tǒng)。 SDRAM 、Flash 控制器用于處理程序和數(shù)據(jù)的存儲； 512 KB SRAM 作為圖像數(shù)據(jù)緩存區(qū)； FPGA 內部自定義 LTM 控制器和 SD 卡控制器模塊，輔助軟核工作，操作觸摸屏并讀取 SD 卡內的 JPEG 圖片；UART 接口用于和移植到 CC2430 的 ZigBee 模塊通信；采用

13、定時器以嵌入 uC/OS II 操作系統(tǒng)。其硬件結構圖如 6 所示。圖 6 FPGA 硬件結構圖4. 系統(tǒng)硬件設計本系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)是采用了模塊化設計的思想。從功能模塊上該系統(tǒng)可分為 :體征信息采集模塊、無線收發(fā)模塊和通用串行總線接口傳輸模塊。系統(tǒng)的硬件結構由兩部分組成:一部分是數(shù)據(jù)采集和無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路;另一部分是無線數(shù)據(jù)接收和通用串行總線接口電路。系統(tǒng)的總硬件結構如圖7 所示。脈搏傳感節(jié)點無線模塊嵌入式系統(tǒng)無線控串網(wǎng)絡 接血壓心率發(fā)射制Internet口口模塊傳感節(jié)點模塊器溫度傳感節(jié)點圖 7系統(tǒng)的總硬件結構操作流程：（1）.通過各傳感器節(jié)點準確采集各項體征信號并交于 89c51 單片機進行

14、處理，計算出各項體征信息（包括體溫、血壓、脈搏、心率） ，組成體征采集子模塊，完成各項體征信息采集，并上傳到 GPRS/GSM 無線模塊。（2）.GPRS/GSM 無線模塊將接收到體征信息，并準確地送往上位監(jiān)控機。（3）.基于 FPGA 的上位監(jiān)控機接收到下位機信息，并進行分析處理及控制。5. 系統(tǒng)軟件設計在軟件設計中，一般采用模塊化的程序設計方法，它具有明顯的優(yōu)點。把一個多功能的復雜的程序劃分為若干個簡單的、 功能單一的程序模塊， 有利于程序的設計和調試， 有利于程序的優(yōu)化和分工， 提高了程序的閱讀性和可靠性， 使程序的結構層次一目了然。 應用系統(tǒng)的程序由包含多個模塊的主程序和各種子程序組成

15、。各程序模塊都要完成一個明確的任務， 實現(xiàn)某個具體的功能， 在具體需要時調用相應的模塊即可。 由于系統(tǒng)各個模塊都有自己的程序， 在此將列出個別模塊的程序流程圖。血壓及心率采集并顯示的處理流程如圖8 所示。開始計算最大 脈搏 幅度 0.77 倍和 0.58倍A/D 采樣數(shù)據(jù) 處理子程N序數(shù) 據(jù) 處理 子 程計算收縮壓、舒序張壓及心率最 大脈顯示數(shù)據(jù)搏幅度Y保存最大幅返回度圖 8血壓、心率采集流程圖代碼如下：#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P10;/ASDX001 與單片機連接口sbit RS=

16、P35;sbit RW=P36;sbit EN=P37;unsigned char code str1=blood pressure: ;unsigned char code str2=;uchar data disdata5;uint tvalue;/壓力值uchar tflag;/壓力正負標志/*lcd1602程序 */void delay1ms(unsigned int ms)/延時 1 毫秒（不夠精確的）unsigned int i,j;for(i=0;ims;i+)for(j=0;j0;i-)DQ = 0; /給脈沖信號dat=1;DQ = 1; /給脈沖信號if(DQ)dat|=0

17、x80;delay_asdx001(10);return(dat);void asdx001wr(uchar wdata)/*寫數(shù)據(jù) */unsigned char i=0;for (i=8; i0; i-) DQ = 0;DQ = wdata&0x01;delay_asdx001(10);DQ = 1;wdata=1;read_pressure1()/*讀取壓力值并轉換 */asdx001rst();asdx001wr(0xcc);/*跳過讀序列號 */asdx001wr(0x44);/*啟動壓力轉換 */asdx001rst();read_pressure2()uchar a,b;asdx

18、001wr(0xcc);/*跳過讀序列號 */asdx001wr(0xbe);/*讀取壓力 */a=asdx001rd();b=asdx001rd();tvalue=b;tvalue=8;tvalue=tvalue|a;if(tvalue0x0fff)tflag=0;elsetvalue=tvalue+1;tflag=1;return(tvalue);/*/void asdx001disp1()/壓力值顯示 uchar flagdat;disdata0=tvalue/1000+0x30;/百位數(shù)disdata1=tvalue%1000/100+0x30;/十位數(shù)disdata2=tvalue%

19、100/10+0x30;/個位數(shù)disdata3=tvalue%10+0x30;/小數(shù)位if(tflag=0)flagdat=0x20;/正壓力不顯示符號elseflagdat=0x2d;/負壓力顯示負號if(disdata0=0x30)disdata0=0x20;/如果百位為0，不顯示if(disdata1=0x30)disdata1=0x20;/如果百位為0，十位為0 也不顯示void asdx001disp2()uchar flagdat;wr_com(0xc3);wr_dat(flagdat);/顯示符號位wr_dat(disdata0);/顯示百位wr_dat(disdata1);/

20、顯示十位wr_dat(disdata2);/顯示個位wr_dat(0x2e);/顯示小數(shù)點wr_dat(disdata3);/顯示小數(shù)位wr_com(0xca);wr_dat(0xdf);wr_dat(0x43);/*主程序 */void main()init_play();/初始化顯示while(1)read_pressure1();/讀取壓力read_pressure2();/讀取壓力asdx001disp1();/顯示asdx001disp2();/顯示六、系統(tǒng)設計中遇到的問題及解決辦法：問題 1：不能運用虛擬的調試助手建立GPRS的連接。解決辦法：在詳細分析，發(fā)現(xiàn)不是自己的操作問題后上

21、網(wǎng)查資料發(fā)現(xiàn)，想要建立 GPRS 的連接，就必須擁有的一個暴露在共網(wǎng)下的IP 地址，但是實驗室的都是動態(tài)隨機分配，所以解決辦法就是用無線網(wǎng)卡或者用路由器撥號上網(wǎng)的那種。問題 2：主程序的編寫與調試。在編寫程序的時候是分模塊寫的， 所以在后期揉合一塊兒的時候出現(xiàn)了很多問題，只是顯示所設的初始值。 經(jīng)過老師以及的同學的分析知道是中斷那兒出現(xiàn)問題，經(jīng)過一下午的調試與編程終于及時的解決了此問題 . 問題 3：硬件焊接過程。在軟件仿真出結果后，就開始電路板的焊接。但是在焊接完畢后出現(xiàn)了一些誤差，檢查后發(fā)現(xiàn)是某些電容或者是電阻值不是太精確所以會導致電路出來后出現(xiàn)一些偏差或者干擾。七、設計心得體會和收獲：在

22、本系統(tǒng)的設計中，我是負責GSM/GPRS 模塊的調試。主要負責將下位機中采集到的數(shù)據(jù)及時的發(fā)送到上位機中，以便于實時的監(jiān)控與診斷。首先就是AT 命令的學習，這部分是就是基本的指令，跟C51 語言在單片機中的重要性一樣，本次實驗收獲就是掌握了一門語言了解了SIM300 的工作原理， 更加熟練的掌握了 C51 語言。而在實驗的過程中心得體會就是學習初始的時候一定要一步一步的腳踏實的了解原理，這樣才能在運用這門技術做東西的時候的才能隨心應手，也可以在出現(xiàn)問題的時候查出原因。 團隊精神我最大的收獲。 只有團隊里的每個人都在動手， 都在為這個作品出力的時候那么你們的作品就是最好的。 只有團隊團結才是這個作品最終的意義。 在以后的工作中， 我也會以本次的實驗問基點，不斷的學習與進步。在本系統(tǒng)的設計中， 我負責的主要是體征采集子模塊的設計。 根據(jù)監(jiān)控對象的和監(jiān)控目的不同， 體征信息采集模塊主要用于病人生理信號的采集， 其檢測的體征信息主要包括 :心率、血壓、脈搏、體溫四項基本體征信息。通過各傳感器節(jié)點準確采集各項體征信號并交于微控制器進行處理，計算出 4 項體征信息，組成體征采集子模塊，完成各項體征信息采集，并上傳到 GPRS/GSM 無限模塊。在過程中，首先遇到的問題是傳感器的選擇， 通過查詢資料， 了解各項體征的采集原理，尤其是血壓