基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭 宇

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭 宇

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，該設(shè)計(jì)提出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對病人身體狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以及病人定位的功能。在硬件上設(shè)計(jì)一款高精度、可攜帶的醫(yī)療傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳感。同時(shí)提出模糊雙曲線定位算法，能夠?qū)Σ∪诉M(jìn)行準(zhǔn)確的定位。研究與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在醫(yī)療方面有廣闊的應(yīng)用前景。

物聯(lián)網(wǎng);無線醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng);定位

的設(shè)計(jì)［J］.電視技術(shù)，2013，37（3）.

醫(yī)療監(jiān)控是世界普遍關(guān)注的問題?，F(xiàn)有的醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)多數(shù)為有線形式，將大量的傳感設(shè)備接到病人身體上，使病人很不方便，同時(shí)監(jiān)護(hù)人員必須時(shí)刻在病人身邊進(jìn)行監(jiān)護(hù)，記錄并觀察病情。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)近年來的不斷發(fā)展，通過讓病人攜帶微型化的傳感器節(jié)點(diǎn)對體溫、脈搏、心跳等主要數(shù)據(jù)采集，通過無線的形式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心可以對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行備份和分析。如果遇到異常的情況，可以及時(shí)進(jìn)行有效的醫(yī)療救助。

本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)一款微型化、低功耗、可攜帶的醫(yī)療傳感節(jié)點(diǎn)，對血氧、脈搏和體溫三種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成后，會通過Internet上傳到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心會對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)計(jì)提出模糊雙曲線定位算法比傳統(tǒng)的定位更精確。當(dāng)病人出現(xiàn)異常情況，即使不在病房內(nèi)，也會對病人進(jìn)行準(zhǔn)確定位，以便醫(yī)療人員及時(shí)找到病人進(jìn)行救治。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)架

物聯(lián)網(wǎng)通過信息傳感設(shè)備，按照規(guī)定的協(xié)議，把任何物品和互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息的交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能識別、定位、監(jiān)控的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)從上到下包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層。

1.1 應(yīng)用層

應(yīng)用層會提供不同的應(yīng)用服務(wù)，如環(huán)境監(jiān)測、智能安防、智能家居和遠(yuǎn)程醫(yī)療等。由于應(yīng)用層的服務(wù)不同，對應(yīng)的感知層的功能和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)也都不相同。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要為信息傳輸提供載體。目前主要包括各種電信網(wǎng)絡(luò)、Internet和衛(wèi)星網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層和感知層的互聯(lián)，將采集到的信息進(jìn)行高效、安全可靠的傳輸。本設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)層采用Internet作為傳輸載體。

1.3 感知層

感知層通過RFID、無線傳感器節(jié)點(diǎn)等采集數(shù)據(jù)。感知層作為整個網(wǎng)絡(luò)體系的起點(diǎn)，做到與客觀事物中的“物”密切相連。

本文設(shè)計(jì)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)是通過協(xié)同多跳的形式將信息匯總到關(guān)卡節(jié)點(diǎn)，通過Internet發(fā)送到醫(yī)療監(jiān)控中心。圖1為無線醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)圖。

圖1 無線醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)圖

2 無線醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

一般傳感器節(jié)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)采集模塊、微控制器模塊、通信模塊和電源模塊。

在物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療設(shè)備上，主要的技術(shù)是保證數(shù)據(jù)信息采集的有效性和可靠性。該模塊采用的傳感器包括可變速率脈搏傳感器、高精度體溫傳感器和血氧傳感器。

2.1 可變脈搏傳感器

傳感器采用以壓電式原理采集信號，模擬信號輸出，輸出同步于脈搏波動的脈沖信號。工作電壓為3～12 V，壓強(qiáng)測量范圍為-50～+300 mmHg（1 mmHg=0.133 3 kPa），精度0.5%，遲滯0.5%，圖2為可變脈搏傳感器電路圖。

圖2 可變脈搏傳感器電路圖

2.2 高精度體溫傳感器

高精度體溫傳感器采用DA-02-ET1型醫(yī)用傳感器。它由傳感器、導(dǎo)線和接插件組成。精度優(yōu)于-0.1℃～+0.1℃。溫度范圍為-30℃～+120℃，響應(yīng)時(shí)間小于3 s。

2.3 血氧傳感器

血氧傳感器的外圍器件采用TB-C指壓型血氧探頭，精度為-3～+3 digit，70% ～100%SpO2;傳感器發(fā)出光線包括660 nm的紅光以及880/940 d的紅外光;存放溫度為-40℃ ～+70℃;工作溫度為+5℃ ～+40℃。

微處理器模塊采用Atmega128L作為微處理單元。該處理器具有低功耗、高性能以及可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。128 kbyte的系統(tǒng)內(nèi)編程Flash，完全能夠滿足各類醫(yī)療健康護(hù)理要求。

采用TI公司的CC2420作為無線醫(yī)療設(shè)備的通信模塊，是首款符合IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的射頻器件。使用2.4 GHz頻段進(jìn)行工作，此頻段是ISM頻段，是工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療3個主要機(jī)構(gòu)使用的頻段，這個頻段對病人基本沒有任何無線輻射作用，保證可以在醫(yī)療健康護(hù)理系統(tǒng)安全使用。

電源模塊考慮到無線醫(yī)療傳感設(shè)備的微型化和可攜帶型，采用電池進(jìn)行供電。節(jié)點(diǎn)采用低功耗設(shè)計(jì)，增加醫(yī)療傳感節(jié)點(diǎn)的使用時(shí)間。圖3為可攜帶無線醫(yī)療設(shè)備的示意圖。

圖3 可攜帶無線醫(yī)療設(shè)備的示意圖

3 醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)病人定位設(shè)計(jì)

當(dāng)病人不在病房內(nèi)，突然發(fā)生病情，需要對病人進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，保證醫(yī)生及時(shí)找到病人進(jìn)行治療。本設(shè)計(jì)提出了一種模糊雙曲線目標(biāo)定位算法。該算法比傳統(tǒng)算法更能適應(yīng)在噪聲不確定時(shí)，保證定位的準(zhǔn)確性。

圖4 模糊雙曲線的模糊定位模型

設(shè)

利用模糊目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃

該算法在MATLAB軟件進(jìn)行仿真設(shè)置為:節(jié)點(diǎn)的通信半徑為60 m，在200×200的2維存在高斯白噪聲區(qū)域內(nèi)進(jìn)行仿真，其中節(jié)點(diǎn)總數(shù)100，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)30，未知節(jié)點(diǎn)70。與經(jīng)典的三邊法定位進(jìn)行比較，如圖5、圖6所示，結(jié)果表明三邊定位法的誤差平均值為22.802 59 m，而模糊雙曲線定位法的誤差平均值為12.477 39 m，明顯比三邊定位法定位精確。

圖5 三邊定位法未知節(jié)點(diǎn)定位誤差仿真圖

4 結(jié)語

圖6 模糊雙曲線定位法未知節(jié)點(diǎn)定位誤差仿真圖

本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)，在硬件上設(shè)計(jì)一款無線醫(yī)療傳感節(jié)點(diǎn)，該設(shè)備在具有抗干擾能力算法，比傳統(tǒng)的同時(shí)還具有低功耗特點(diǎn)。并且提出一種模糊雙曲線定位的三邊法定位算法更為準(zhǔn)確。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)測試，表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，有很好的實(shí)用價(jià)值。

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［1］沈蘇彬，范曲立.物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究［J］.南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（6）:1-8.

［2］CONTI P.The internet of things［J］.Communications Engineer，2006，4（6）:20-27.

［3］CHANDREKASAN R，AMIRTHARAJAH S.Design considerations for distribute microsensors system［C］//Proc.IEEE Custom Integrated Circuits 1999.［S.l.］:IEEE Press 1999:279-282.

［4］孫利民，李建中.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［5］哈明虎，李顏.模糊測度與模糊積分理論［M］.北京:科學(xué)出版社，1998.

［6］張凱龍，李同松.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，6（19）:25-31.

［7］THIEMJARUS S，KING R.A wireless sensor platform for pervasive healthcare monitoring［C］//Proc.The 3rd International Conference on Pervasive Computing.［S.l.］:IEEE Press，2008:98-103.

［8］劉志碩，衛(wèi)峰，楊志穎.我國物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)研究［J］.物流技術(shù)，2010，29（8）:1-3.

Design and Realization of Wireless Medical Monitoring System Based on Internet of Things

GUO Yu

（School of Information Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Inner Mongolia Baotou 014010，China）

With the continuous development of the Internet of Things technology，a design of the Internet of Things technology wireless medical monitoring system is put forward，which achieves the functions of real-time monitoring of the patient's physical condition and patient positioning.A high-precision，portable medical sensing device is designed in the hardware.To achieve data sensing under the environment of Internet of things.At the same time，the Fuzzy hyperbolic location algorithm is raised，which can achieve accurate positioning towards the patient.Research and experimental results show that the system is stable and there are broad prospects for application in medical.

Internet of Things;wireless medical monitoring system;location

TN98

A

郭 宇（1977— ），講師，主研通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

責(zé)任編輯:時(shí) 雯

2012－09－05