基于可穿戴終端設(shè)備的遠(yuǎn)程健康管理系統(tǒng)研究

張媛 高鵬

【摘要】本系統(tǒng)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)收集和傳輸老年慢性疾病的健康數(shù)據(jù)，搭建一個(gè)基于智慧醫(yī)療理念的遠(yuǎn)程健康管理系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙和WiFi，ZigBee和WiFi間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，本文主要從藍(lán)牙和WiFi、ZigBee和WiFi間通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)融合轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】遠(yuǎn)程醫(yī)療;異構(gòu)網(wǎng)關(guān);協(xié)議轉(zhuǎn)換

【基金項(xiàng)目】重慶市教育教學(xué)改革項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：203529，“新工科背景下基于學(xué)科交叉融合視角的人工智能專(zhuān)業(yè)課程體系研究”;

重慶市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題，項(xiàng)目編號(hào)：2019-GX-474，“面向新工科構(gòu)建電子信息類(lèi)應(yīng)用型人才“三三制”培養(yǎng)模式”;

重慶市教委科技研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：KJQN201802，“基于人工智能健康管理系統(tǒng)的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)關(guān)研究”

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.07.030

我國(guó)面臨嚴(yán)峻的人口老年化的問(wèn)題，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的健康管理服務(wù)平臺(tái)是日常健康管理與社區(qū)醫(yī)療融合的載體，健康管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)健康數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)護(hù)對(duì)象的健康指導(dǎo)和診斷。結(jié)合老年人慢性病需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需求，研究遠(yuǎn)程健康管理系統(tǒng)，通過(guò)可穿戴醫(yī)療設(shè)備把測(cè)量的生理健康數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸?shù)皆破脚_(tái)，便于監(jiān)護(hù)人員通過(guò)智能手機(jī)或計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1. 研究?jī)?nèi)容

健康管理系統(tǒng)采用藍(lán)牙、ZigBee、WiFi、4G異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)各種通信協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，建立和維護(hù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、分發(fā)與處理，確保各種設(shè)備之間能順利流暢地實(shí)現(xiàn)通信，最終實(shí)現(xiàn)可穿戴終端設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)數(shù)據(jù)通信。通過(guò)異構(gòu)融合，實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)各種可穿戴終端設(shè)備的入網(wǎng)要求，解決網(wǎng)絡(luò)可穿戴終端節(jié)點(diǎn)要求低功耗、組網(wǎng)靈活、能與個(gè)人電腦和手持設(shè)備數(shù)據(jù)通信等功能需求。ZigBee網(wǎng)絡(luò)功耗低和組網(wǎng)能力強(qiáng)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以自主的進(jìn)行建立和配置，實(shí)現(xiàn)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)靈活管理，且網(wǎng)絡(luò)規(guī)模極大，完全能夠滿足健康管理的要求。藍(lán)牙可穿戴設(shè)備類(lèi)型多，市場(chǎng)占有率高，滿足藍(lán)牙入網(wǎng)要求，提高了系統(tǒng)的應(yīng)用面。通過(guò)WiFi和4G接口，將可以和手機(jī)、電腦、平板和其它無(wú)線終端連接。利用藍(lán)牙、ZigBee、WiFi、4G的異構(gòu)融合，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)可穿戴終端節(jié)點(diǎn)與健康管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 遠(yuǎn)程健康管理系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)利用藍(lán)牙和ZigBee網(wǎng)絡(luò)收集人體生理健康參數(shù)通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行處理和顯示，管理人員通過(guò)智能手機(jī)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單操作，同時(shí)云平臺(tái)還可以對(duì)人體生理健康參數(shù)進(jìn)行處理并自動(dòng)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程健康管理。遠(yuǎn)程健康管理系統(tǒng)由可穿戴監(jiān)護(hù)終端、異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)關(guān)和云平臺(tái)以及終端設(shè)備手機(jī)和服務(wù)器三部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1。

2.2 異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程健康管理系統(tǒng)中的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的中心，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)建立和維護(hù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)以及連接到WiFi網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、分發(fā)與處理，確保藍(lán)牙、ZigBee和WiFi設(shè)備之間能順利流暢地實(shí)現(xiàn)通信。

異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)關(guān)由藍(lán)牙協(xié)調(diào)器、ZigBee協(xié)調(diào)器、中央控制器、WiFi控制器組成，兩部分間通過(guò)USART串行接口進(jìn)行通信，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)融合方式實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。WiFi控制器通過(guò)站點(diǎn)模式加入路由建立與互聯(lián)網(wǎng)中云平臺(tái)的連接。圖2為異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖。

3. 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換

3.1 ZigBee-WiFi通信數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換

網(wǎng)關(guān)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層主要完成從ZigBee-WiFi協(xié)議，藍(lán)牙-WiFi協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換工作，對(duì)于從ZigBee設(shè)備發(fā)送到WiFi的數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)需要經(jīng)過(guò)：ZigBee協(xié)議單元物理層接收到ZigBee數(shù)據(jù)，通過(guò)逐層拆除數(shù)據(jù)包首部，達(dá)到網(wǎng)關(guān)應(yīng)用層，解讀到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)逐層封裝上WiFi協(xié)議數(shù)據(jù)包頭，通過(guò)網(wǎng)關(guān)的WiFi協(xié)議單元的物理層，無(wú)線發(fā)送到WiFi終端設(shè)備。

3.1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信程序

本系統(tǒng)中，前端傳感器數(shù)據(jù)采集是由ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)完成，通過(guò)ZigBee路由器上傳給ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)的正常組網(wǎng)和通信。

3.1.2 WiFi控制器程序

本系統(tǒng)中，WiFi控制器主要連接路由器實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的通信、WiFi控制器通過(guò)串行接口與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息交互、WiFi控制器通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)融合方式建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。

3.1.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)依靠不同協(xié)議之間轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)自定義應(yīng)用層協(xié)議與WiFi控制器應(yīng)用層HTTP通信協(xié)議之間的地址轉(zhuǎn)換和異構(gòu)數(shù)據(jù)融合。

ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)的通信協(xié)議模型如圖3所示。

3.2 藍(lán)牙-WiFi通信數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換

① 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)通信程序，主要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的建立，終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、路由節(jié)點(diǎn)通信方式、協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計(jì)。

② WiFi控制器程序，主要實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸。

③ 協(xié)議轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)自定義應(yīng)用層協(xié)議與WiFi控制器應(yīng)用層HTTP通信協(xié)議之間的地址轉(zhuǎn)換和異構(gòu)數(shù)據(jù)融合。

藍(lán)牙-WiFi在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)互連的協(xié)議模型如圖4所示。

4. 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換的性能分析

MAC層的吞吐量效率分析：ZigBee協(xié)議的傳輸速率為250kbit/s，而WiFi的速率為11Mbps，必須對(duì)MAC層協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，讓MAC層吞吐容量的效率變大。提出一種基于MAC層的數(shù)據(jù)融合機(jī)制，減少小數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)，把一定量的小數(shù)據(jù)包融合成一個(gè)大數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

作者簡(jiǎn)介：張媛，重慶人，副教授，碩士，主要從事電子技術(shù)應(yīng)用研究。