基于无线传感器网络的嵌入式远程医疗监护系统

1.一种基于无线传感器网络的嵌入式远程医疗监护系统，它由网络节点、无线网关、中央控制计算机和个人数据处理终端组成，其特征在于，网络节点与无线网关、无线网关与中央控制计算机、中央控制计算机与个人数据处理终端采用双向数据传输方式无线连接，所述的网络节点内置可采集数据的传感器及处理数据的处理器。
2.如权利要求1所述的远程医疗监护系统，其特征在于，所述的网络节点内的传感器为检测心电、血氧、脉搏、温度和呼吸的检测模块。
3.如权利要求1所述的远程医疗监护系统，其特征在于，所述网络节点内置Zigbee无线传输模块。
4.如权利要求1所述的远程医疗监护系统，其特征在于，无线网关为带有Zigbee无线传输模块并提供WIFI/3G无线传输模块的连接端口。
5.如权利要求1所述的远程医疗监护系统，其特征在于，无线网关为内置WIFI/3G无线传输模块的装置。

基于无线传感器网络的嵌入式远程医疗监护系统\n背景技术\n[0001] 本实用新型涉及嵌入式无线传感网络系统，尤其是涉及对分布式传感网络节点进行智能集散控制和数据信息融合的基于无线传感器网络的嵌入式远程医疗监护系统。\n技术领域\n[0002] 现代工业中，许多工业控制现场需大量使用不同种类的分布式传感系统，进行现场信息采集和控制，这些系统主要通过传感器采集现场信息后，由信号线或电缆连接的方式，将传感信息传输给中央控制单元进行控制。传感信号的采集采用接线的方式，对于许多场合，这种传感控制系统存在布线困难、系统成本高、功耗大、维护困难且繁琐、测量区域狭窄、可靠性差等缺点。\n[0003] 目前的医疗监护仪器也可以分为两类，一类是在医院内由职业医生或者专业技术人员使用的专门仪器，对病人进行生理指标的监护；另一类是在普通人家庭内或者户外，在医生的指导下，由病人本人或者家属使用远程医疗监护系统对病人进行监护，监护设备将所得到的生理指标及时传送给相关医生。目前，医院所使用的监护方法，大多使用固定的医疗监护仪，连接设备将传感器探头连接在病人与监护设备之间进行信号传递，复杂的设备和众多的信号连线不但给病人带来了心理上的压力，影响了治疗效果，同时也给医生和病人带了极大的不便，而功能单一的个人监护设备，通常不具备联网传递实时数据的功能。\n[0004] 因此，有必要研制一种远程医疗监护系统，使那些需要经常测量生理指标的人员(比如慢性病患者和老年患者等)能够在家中自由活动的状态下测量某些生理指标，并且在必要的情况下得到医生的远程医疗指导。该系统减少了监护设备与医疗传感器之间的连线，使得被监护人能够拥有较多的自由活动空间，在获得较准确的测量指标的同时，免除了病人在家庭和医院间奔波的劳苦，同时也提高了医院现代化信息管理程度及医护人员的工作效率。\n实用新型内容\n[0005] 为满足现代远程医疗领域对大范围、远距离、低功耗、低成本、免维护及无线传输的要求，解决传统有线传感检测系统存在的诸多缺点，本实用新型公布了一套基于无线传感器网络的嵌入式远程医疗监护系统，该系统基于嵌入式无线传感网络技术，可根据不同的实际需要，将数据库加载到该系统上，采集病人本身的信息以无线网络方式实时的发送给中央控制单元，可取代绝大多数现有的有线传感控制系统，解决传统传感系统的诸多缺点，并具有可监控移动目标、分布大范围分散目标等优点。\n[0006] 本实用新型所采用的技术方案是：\n[0007] 一种基于无线传感器网络的嵌入式远程医疗监护系统，它由网络节点、无线网关、中央控制计算机和个人数据处理终端组成，其特征在于，网络节点与无线网关、无线网关与中央控制计算机、中央控制计算机与个人数据处理终端采用双向数据传输方式无线连接，所述的网络节点内置可采集数据的传感器及处理数据的处理器。\n[0008] 在本实用新型的一个实施例中，所述的网络节点内的传感器为检测心电、血氧、脉搏、温度和呼吸的检测模块。\n[0009] 在本实用新型的一个实施例中，所述网络节点内置Zigbee无线传输模块。\n[0010] 在本实用新型的一个实施例中，无线网关为带有Zigbee无线传输模块并提供WIFI/3G无线传输模块的连接端口。\n[0011] 在本实用新型的一个实施例中，无线网关为内置WIFI/3G无线传输模块的装置。\n[0012] 其中，若干网络节点加载到该远程医疗监护系统的无线网关上构成病人监护单元，通过控制软件可修改各个网络节点网络地址、传感测量时间、测量精度等基本参数。\n[0013] 其中，网络节点通过其所加载的传感器进行病人的信息采集，经过放大、滤波、温度补偿电路等的处理，再通过模/数转换，将采集到的信息输入到节点内部处理器进行数据处理。\n[0014] 其中，所述的中央控制计算机可根据控制需要，对网络节点和无线网关进行在线现场编程，在线修改传感测量、信息传递和系统控制方式。\n[0015] 更具体的，所述的网络节点内的传感器是检测心电、血氧、脉搏、温度、呼吸的检测模块。所述网络节点内置Zigbee无线传输模块。\n[0016] 更具体的，无线网关是至少带有Zigbee无线传输模块并提供WIFI/3G无线传输模块连接端口或内置WIFI/3G无线传输模块的装置。\n[0017] 本实用新型彻底摆脱了传统传感控制系统采取有线接入方式的问题，避免了因有线控制方式所带来的接线困难且成本过高、维护管理困难、病人必须在专门场所接受医疗服务的困扰，工作和适用范围更为广泛，系统组建及维护成本低廉，并且与其他无线控制方式相比，该减少了监护设备与医疗传感器之间的连线，使得被监护人能够拥有较多的自由活动空间，在获得较准确的测量指标的同时，免除了病人在家庭和医院间奔波的劳苦，同时也提高了医院现代化信息管理程度及医护人员的工作效率。\n附图说明\n[0018] 图1是本实用新型实施例的远程医疗监护系统示意图；\n[0019] 图2是本实用新型实施例中网络节点硬件设计模块分布图；\n[0020] 图3是本实用新型实施例中网络节点显示屏角度检测接口图；\n[0021] 图4是本实用新型实施例中网络节点光强度检测接口图；\n[0022] 图5是本实用新型实施例中网络节点的硬件选用框图；\n[0023] 图6是本实用新型实施例中网络节点血压传感器检测原理图；\n[0024] 图7是本实用新型实施例中无线网关硬件设计模块分布图。\n[0025] 主要符号含义：\n[0026] 1.主控芯片 13.即刻上网触发键\n[0027] 2.动态存储装置 14.装置辅助功能键盘\n[0028] 3.非易失存储装置 15.装置显示接口\n[0029] 4.辅助检测单元 16.无线/3G网络接口\n[0030] 5.有线网接口 17.喇叭/耳机接口\n[0031] 6.直流电源输入接口 18.麦克风接口\n[0032] 7.CF-I/CF-II存储卡接口 19.实时时钟备份电池\n[0033] 8.SD/MMC/Memory Stick/MD四合一存储卡接口 20.角度传感器[0034] 9.ZigBee网络接收接口 21.音频编解码器\n[0035] 10.可作为一体化模块的部分 22.DC-DC电源电路\n[0036] 11.光照强度检测装置 23.USB主接口\n[0037] 12.网络资源更新状态和结果指示灯 24.USB从接口\n具体实施方式\n[0038] 下面给出本实用新型的较佳的实施例，这些实施例并非限制本实用新型的内容。\n[0039] 实施例\n[0040] 本实用新型的实施例提供一种基于无线传感器网络的嵌入式远程医疗监护系统，它由网络节点200、无线网关300、中央控制计算机400、个人数据处理终端及控制软件组成，整个系统的结构和工作方法包括：\n[0041] 根据监控需求，将若干网络节点200加载到该远程医疗监护系统的无线网关300上构成病人监护单元，在控制软件上可修改各个网络节点200的网络地址、传感测量时间、测量精度等基本参数；\n[0042] 网络节点200通过其所加载的传感器进行病人100的信息采集，经过放大、滤波、温度补偿电路等的处理，再通过模/数转换，将采集到的信息输入到节点内部处理器进行数据处理；\n[0043] 网络节点200采用基于IEEE802.15.4的Zigbee通信协议栈标准，将采集到的数据发送到无线网关300上；\n[0044] 无线网关300采用WIFI/3G等无线传输方式将采集到的数据发送到中央控制计算机400上；\n[0045] 中央控制计算机400将相应的数据通过局域网和/或互联网络转发到医生的个人数据处理终端上；\n[0046] 中央控制计算机400可根据控制需要，对系统的网络节点200和无线网关300进行在线现场编程，在线修改传感测量、信息传递和系统控制方式；\n[0047] 网络节点200与无线网关300、无线网关300与中央控制计算机400、中央控制计算机400与个人数据处理终端采用双向数据传输方式。\n[0048] 其中，所述的网络节点200是设有心电、血氧、脉搏、温度、呼吸等检测模块以及Zigbee无线传输模块的装置。\n[0049] 其中，无线网关300是至少带有Zigbee无线传输模块并提供WIFI/3G无线传输模块连接端口或内置WIFI/3G无线传输模块的装置。\n[0050] 本实用新型中的网络节点200是利用医用传感器加载ZigBee技术通讯模块采集病人100生理数值，通过3G/WiFi无线接入互联网实现与医务人员之间的信息交互，及时获取医生指导(包括影片、图片、语音或文字注释等)，支持可更新的用户反馈的网络数码显示装置。\n[0051] 该装置的实际体现为安装在液晶显示屏后的控制电路板。图2的15为该装置的显示接口，为24位数字RGB888，支持TFT真彩色液晶显示屏。\n[0052] 该装置选用一个高速嵌入式支持网络接口和控制接口的微处理器作为装置的主控芯片。主控芯片与装置其他模块的分布接口见附图2，其中图2的5和16分别是有线和WiFi/3G网络接口，用于实现与互联网中的社区医疗服务中央控制计算机400进行交互通信，配合存储在图2的3中的控制软件可以实现将本地数据上传至指定社区医疗服务中心中央控制计算机400。图2中的12为网络更新状态和结果指示灯，本装置在与中央控制计算机400控制软件触发启动后的运行状态和运行结果可以通过该指示灯提醒用户。本装置设置角度传感器(见图3)和光照传感器(见图4)及辅助检测电路，主控芯片在检测到装置的当前摆放倾斜角度后，可以启动随角度优化数码资料的显示处理程序，数码资料优化动作包括但不限于数码资料的扭曲、颜色补偿、亮度和对比度调整，以达到在当前观赏角度下本装置的最优显示效果；图4中的D1/D2光敏二极管产生的感应电流会随光照强度增强而增大，主控芯片接收到辅助检测单元发送过来的当前光照强度信息后，可以启动工作模式随光照强度调整的处理程序，判断是否已经达到设置的光照最弱数值，如果已经达到，则依此核查进入对应的屏幕保护模式，屏幕保护模式包括但不限于关闭屏幕显示、显示屏保数码资料和进入休眠模式。\n[0053] 结合附图2，图2的17、18为装置的喇叭/耳机和麦克风接口，主控芯片通过AC-97音频编解码器(本实施实例是采用Wolfson公司的WM9712)可以播放主流格式的音频格式信号。图5的实例中采用8031MCU(单片控制器)作为主控芯片的辅助检测单元，实现开机、关机控制，检测键盘和传感器采集数据信号输入，同时检测定时器时刻、当前摆放倾斜角度和光照强度传感器信号后通过UART(串口)发送给主控芯片(但本装置的辅助检测单元不限于MCU，主控芯片内置检测电路；发送接口也不限于UART，SPI，IIC和芯片总线)。结合附图2、3和4，本装置自身的即刻上网键(见图2的13)和多功能键盘(见图2的14)，MCU检测到定时器定时触发信号或即刻上网键按下后，通知主控芯片，立即启动与中央控制计算机400的控制软件，实现本地数据提交至中央控制计算机400更新和数码资料下载分享。\n[0054] 附图2的3为非易失存储装置，储存在非易失存储装置中用来操作主控芯片的嵌入式控制软件，控制软件和控制配置信息可以在装置开机状态下自动选择有效的3G/无线网络接入方式，将所需资料(包括但不限于影片、图片、声音和文字)从医疗中心中央控制计算机400下载分享给用户。嵌入式系统可以全部升级也可部分升级，部分升级包括但不限于用户反馈模块、子功能模块、网络协议模块以及其他用户定制模块。主控芯片在接受到触发信号(定时器定时输出、装置和即刻上网键按下)后立即启动与服务器交互通信软件模块，经过身份认证后，医疗中心服务器开始判断是否需要升级，如果需要则依此升级全部或部分软件功能块。升级主要工作和步骤就是管理模块数量、分类模块、报告当前模块版本，对比最新模块版本，对比授权信息，如果最新授权模块的版本号大于当前模块，则备份当前模块，下载最新模块，覆盖当前模块，通知系统相关调用，有必要时重新启动装置，全过程给用户屏幕和指示灯提示和帮助。\n[0055] 图2的ZigBee网络节点200为监护基站的数据接收装置，控制程序将通过此接口接收医用传感器采集到的生理数值。\n[0056] 网络节点200内置的医用传感器是是将人体的生理信息转换为与之有确定函数关系的电信息的变换装置。医用传感器检测的生理信息，基本上有两种类型，即静态量和动态量，静态量是指不随时间变化或变化甚为缓慢的量(如体温)，动态量通常是指周期性信号、瞬变或随机的信号(如血压、体温等)。\n[0057] 以血压测量为例，请见图6所示，血压是人体生理参数中非常重要的一项，它包括两种：收缩压和舒张压。本实用新型采PIC16F877单片机采集血压、脉搏，通过MAX232与ZigBeeCC2430相连实现血压、脉搏数据的无线发送。\n[0058] 以体温测量为例，体温数据采集模块由红外温度传感器、单片机、放大电路、A/D变换器组成。红外温度传感器采用美国GE公司生产的红外热电堆温度传感器ZTP-135，放大电路采用的是OP07三级结构，第一级是射随器，第二、三级分别是30倍、100倍放大。51单片机和ZigBee CC2430相连可实现A/D变换后的数据的无线发送。\n[0059] 图7是无线网关300硬件结构示意图，无线网关300硬件包括数据处理、射频无线收发、通信串口三大模块，其中数据处理和射频无线收发模块与网络节点200的相应模块相一致，通信串口由USB接口和以太网口两个子模块组成，无线网关300通过USB接口连接WIFI/3G无线模块与中央控制计算机400相连。\n[0060] 本实用新型中，远程医疗监护系统中网络节点200与无线网关300之间的通信均采用基于IEEE 802.15.4的Zigbee通信协议栈标准和星-网状结合的网络通信方式，通信协议栈包括物理层协议、数据链路层媒体接入控制(MAC)层协议、路由协议、网络拓扑协议、传输层协议和应用层协议，对应OSI网络模型的物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。\n[0061] 本实用新型中，网络节点200设计采用嵌入式操作和低电源管理方式，网络节点\n200绝大部分时间处于休眠状态，工作时采用实时唤醒激发方式。\n[0062] 本实用新型中，所述控制软件控制网络节点200传感信息数据发送流程工作步骤如下：\n[0063] 网络节点200进行系统初始化，各寄存器和程序归位于初始状态；\n[0064] b、系统进入休眠等待状态，功耗降到系统最低状态；\n[0065] c、如果系统检测到网络节点200处理器或中央控制计算机400发出的传感测试中断请求时，网络节点200处理器输出系统唤醒指令，网络节点200开始进行传感信号数据采集检测，根据需要，不同的传感器将所需测量的心电、血氧、脉搏、温度、呼吸等物理量转换成易检测的电压电流等模拟电学信号，如果没有检测到测试中断，系统自动返回休眠状态；\n[0066] d、传感模拟信号通过模/数(A/D)转换成数字信号，并将测量数据存储，送到微处理器和射频芯片进行处理并打包成数据发送格式，处理完毕后，网络节点200进入无线发送阶段；\n[0067] e、网络节点200向无线网关300发出数据发送请求，如果收到接收响应，则进入下一步操作，并锁定网络节点200地址，如果没有收到响应信号，则返回继续搜寻无线网关\n300；\n[0068] f、当无线网关300准备就绪后，网络节点200即与无线网关300进行通信握手，并将处理好的数据包调制成2.4G Hz的射频信号，通过CC2420或类似无线射频芯片将数据包发送到无线网关300；\n[0069] g、无线网关300采集到数据后通过WIFI/3G的无线传输方式将数据通过互联网直接传输到中央控制计算机400上；\n[0070] h、中央控制计算机400将数据通过局域网和/或互联网络转发到医生的个人数据处理终端上。