專利名稱：一種基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療健康關(guān)懷系統(tǒng)的實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于物聯(lián)網(wǎng)的無線通信系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方案，以及該系統(tǒng)在多
種移動終端設(shè)備上的軟件實現(xiàn)，兩者有機結(jié)合構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的醫(yī)療健康關(guān)懷系統(tǒng)，屬 于物聯(lián)網(wǎng)，嵌入式系統(tǒng)和無線通信的交叉領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
物聯(lián)網(wǎng)概念起源于比爾蓋茨1995年《未來之路》一書，在《未來之路》中，比爾蓋茨 已經(jīng)提及物聯(lián)網(wǎng)概念，只是當(dāng)時受限于無線網(wǎng)絡(luò)、硬件及傳感設(shè)備的發(fā)展，并未引起重視。 隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，國際電信聯(lián)盟于2005年正式提出物聯(lián)網(wǎng)概念，而今年奧巴馬就職演講 后對IBM提出的"智慧地球"積極響應(yīng)后，物聯(lián)網(wǎng)再次引起廣泛關(guān)注。而我國官方近期對傳 感網(wǎng)(物聯(lián)網(wǎng)的另一稱謂)的多次提議表示我國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也正式提上議事日程，同時 也表明我國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將加快。 所謂"物聯(lián)網(wǎng)"(Internet of Things)，指的是將各種信息傳感設(shè)備，如傳感器節(jié) 點、射頻識別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié) 合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)框架應(yīng)該由安全的API接口、骨干網(wǎng)絡(luò)、可通過標(biāo)準(zhǔn) 接口接入到骨干網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。 物聯(lián)網(wǎng)又稱"傳感網(wǎng)"，以互聯(lián)網(wǎng)為代表的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是二十世紀(jì)計算機科學(xué) 的一項偉大成果，它給我們的生活帶來了深刻的變化，然而在目前，網(wǎng)絡(luò)功能再強大，網(wǎng)絡(luò) 世界再豐富，也終究是虛擬的，它與我們所生活的現(xiàn)實世界還是相隔的，在網(wǎng)絡(luò)世界中，很 難感知現(xiàn)實世界，很多事情還是不可能的，時代呼喚著新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)正是在這樣的背景下應(yīng)運而生的全新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是由具有感知、 處理和無線通信能力的傳感器節(jié)點通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)，它能夠使我們延伸至更廣 闊的交互空間，獲得圍繞我們周圍動態(tài)的狀態(tài)信息，實現(xiàn)對于外圍世界更加精確而深邃的 認(rèn)識和控制，因而在軍事、環(huán)境、健康、家庭、交通、制造業(yè)、商業(yè)、設(shè)施管理、運輸、安全、空間 探索和災(zāi)難拯救等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，對人們的生活和工作方式、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和變革 產(chǎn)生革命性的影響。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及無線 通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點能夠相互協(xié)作地進(jìn)行實時 監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進(jìn)行處理，處理后的 信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將邏 輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在了一起，從而實現(xiàn)物理世界、計算世界以及人 類社會三元世界的連通。無線傳感器絡(luò)作為當(dāng)今信息與計算機領(lǐng)域的一個全新的研究方 向，綜合了多種學(xué)科的前沿技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。
作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺的硬件載體，無線傳感器節(jié)點的設(shè)計需要遵循微型化，低 功耗，擴展性強，穩(wěn)定性高，安全性好，成本低等眾多因素。然而，作為一種新興出現(xiàn)的技術(shù)， 建立一個運轉(zhuǎn)良好、魯棒性好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還是面臨著許多挑戰(zhàn)。而且由于它的一些獨特特性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法有很大不同。例如，由于 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點分布密集，所以需要大范圍的數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)。除此之外， 在實際應(yīng)用中的WSNs(WirelessSensor Networks)并不能以一個獨立的通信網(wǎng)絡(luò)形式存 在。網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測的數(shù)據(jù)需要發(fā)送到上層服務(wù)器進(jìn)行分析、處理，同時上層服務(wù)器端Internet 對網(wǎng)絡(luò)的WWW服務(wù)、FTP服務(wù)等需要將相關(guān)命令下發(fā)到WSNs中的節(jié)點，且不同類型的WSNs 節(jié)點間也需要通信共享信息。這都需要WSNs實現(xiàn)與不同類型網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)。
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)擔(dān)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，不同網(wǎng)絡(luò)類型的網(wǎng)絡(luò)路由 器，全網(wǎng)數(shù)據(jù)聚集，存儲處理等重要角色，成為網(wǎng)絡(luò)間連接的不可缺少的紐帶。傳統(tǒng)的WSNs 網(wǎng)關(guān)是利用匯聚節(jié)點與PC相結(jié)合來實現(xiàn)的，利用PC與外部網(wǎng)絡(luò)連接將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。 本發(fā)明在物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)下，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線局 域網(wǎng)、GSM網(wǎng)的無縫切換，實現(xiàn)了一種新型的基于無線傳感網(wǎng)的醫(yī)療健康關(guān)懷系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是針對傳統(tǒng)醫(yī)療護理設(shè)備功能單一，無法與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，不 易隨時攜帶等缺點，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療健康關(guān)懷系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，該系統(tǒng)由醫(yī)療 傳感節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、移動終端設(shè)備、系統(tǒng)軟件和終端軟件五部分構(gòu)成。五部分 相互協(xié)作實現(xiàn)了從用戶病理信息的采集、傳輸、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換到終端用戶查詢、報警的一體式服 務(wù)。最終目的是開發(fā)出人性化，智能化，高性能，較強自適應(yīng)能力，極高集成度的物聯(lián)網(wǎng)框架 下的醫(yī)療健康關(guān)懷系統(tǒng)。 技術(shù)方案本發(fā)明所提出的一種物聯(lián)網(wǎng)框架下的醫(yī)療健康關(guān)懷系統(tǒng)，由醫(yī)療傳感 節(jié)點采集人體病理信息，通過無線傳感網(wǎng)傳輸給無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備實現(xiàn) 無線傳感網(wǎng)與以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)的無縫切換，將病理數(shù)據(jù)通過基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)傳到終端設(shè) 備上，并結(jié)合相應(yīng)的終端軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了整個醫(yī)療健康關(guān)懷系統(tǒng)。 本發(fā)明的系統(tǒng)包含了療醫(yī)療傳感節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、移動終端設(shè)備、系統(tǒng) 軟件和終端軟件五部分 1、醫(yī)療傳感節(jié)點的功能是采集用戶病理信息，并通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)通過無 線傳感網(wǎng)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)設(shè)備。本發(fā)明在醫(yī)療面板上封裝了體溫、脈搏與血氧三種不同醫(yī)療用 途的接口 ，以實現(xiàn)同一塊醫(yī)療面板上集成上述三項功能，并統(tǒng)一采用同一接線方式，方便實 際使用中的更換。 2、本發(fā)明提供的無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功能是從無線傳感網(wǎng)接收來自醫(yī)療傳感 節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鱾€接收終端。本發(fā)明的網(wǎng)關(guān)設(shè)備提供以 太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)等多種方式接入基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)相比在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、 數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和設(shè)備性價比上都有優(yōu)勢，并克服了硬件設(shè)備布置的局限性， 大大擴展了網(wǎng)關(guān)設(shè)備的應(yīng)用范圍。 3、移動終端設(shè)備包括手機、PDA、筆記本電腦等具有可移動性的終端設(shè)備，其結(jié)合 終端軟件，可實現(xiàn)用戶病理信息的實時顯示及歷史查詢等功能。 4、系統(tǒng)軟件包括醫(yī)療傳感節(jié)點上基于TinyOS操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件和網(wǎng)關(guān)設(shè)備上 基于Li皿x操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件。醫(yī)療傳感節(jié)點上的系統(tǒng)軟件控制醫(yī)療探頭采集用戶病理信息，并通過通訊模塊進(jìn)行傳輸；網(wǎng)關(guān)設(shè)備上的系統(tǒng)軟件綜合調(diào)度網(wǎng)關(guān)上的各個硬件模塊， 實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)與無線局域網(wǎng)、有線局域網(wǎng)、GSM網(wǎng)之間的無縫切換。 5、本發(fā)明的終端軟件采用了B/S(瀏覽器/服務(wù)器)與C/S(客戶端/服務(wù)器)兩 種模式相結(jié)合的方式。對于需要獲取實時數(shù)據(jù)的服務(wù)，采用C/S模式，監(jiān)護者可以通過終端 軟件，獲取被監(jiān)護者的實時病理數(shù)據(jù)；對于需要歷史數(shù)據(jù)查詢的服務(wù)，采用B/S模式，通過 應(yīng)用服務(wù)器像客戶端提供Web Service服務(wù)，利用Web Service,屏蔽了客戶端軟件的平臺 異構(gòu)性，監(jiān)護者只需通過任何一種瀏覽器，即可獲得該Web Service所提供的數(shù)據(jù)服務(wù)，而 無需考慮具體在哪個操作系統(tǒng)平臺。另外，當(dāng)被監(jiān)護者病理數(shù)據(jù)超過警戒線時，軟件將調(diào)用 串口短信貓通過GSM網(wǎng)自動發(fā)送短信到監(jiān)護者的手機上，實現(xiàn)報警功能。
本發(fā)明的實現(xiàn)步驟如下 步驟1)設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療健康關(guān)懷系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可 靠通信距離一般在100米以下，因此從醫(yī)療傳感節(jié)點到網(wǎng)關(guān)單跳下的傳輸完全滿足本系統(tǒng) 的應(yīng)用。本系統(tǒng)的體現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示； 步驟2)醫(yī)療傳感節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)。本發(fā)明中的無線醫(yī)療傳感器節(jié)點包括以下 基本組成部分 1)多類型醫(yī)療傳感部件主要有高頻脈沖式脈搏傳感部件、高精度快速響應(yīng)式體 溫傳感部件、接觸式高分辨率血氧傳感部件； 2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以8位RISC微處理器為核心，可以滿足較大數(shù)據(jù)量的處 理需求； 3) ZigBee無線通信模塊以CC2420無線通信模塊為核心，擁有最大250Kbps的傳 輸速率； 步驟3)規(guī)劃網(wǎng)關(guān)所需完成的總體功能和基本性能指標(biāo)網(wǎng)關(guān)需完成實時數(shù)據(jù)接 接收、實時數(shù)據(jù)傳輸、實時監(jiān)控、信號處理、多類型協(xié)議轉(zhuǎn)換多種功能，要求具有高系統(tǒng)可靠 性和高集成度，較好的實時分析與處理能力，數(shù)據(jù)傳輸精確性； 步驟4)確定網(wǎng)關(guān)的輸入輸出網(wǎng)關(guān)將從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)醫(yī)療傳感節(jié)點傳送過 來的數(shù)據(jù)作為輸入，并通過以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)輸出數(shù)據(jù)； 步驟5)進(jìn)行網(wǎng)關(guān)的基本構(gòu)架設(shè)計網(wǎng)關(guān)基本構(gòu)架由四個層面組成，自下而上分別 是功能部件層、設(shè)備驅(qū)動層、嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核、應(yīng)用系統(tǒng)層； 步驟6)設(shè)計網(wǎng)關(guān)硬件電路的總體結(jié)構(gòu)圖網(wǎng)關(guān)應(yīng)包括如下幾個模塊核心控制模 塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、802. 15. 4無線通信模塊、JTAG編程與調(diào)試模塊、外部存儲模塊、基礎(chǔ)服 務(wù)與管理模塊、能量供應(yīng)模塊、外部網(wǎng)絡(luò)控制與接入模塊。網(wǎng)關(guān)硬件電路總體結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示； 步驟7)設(shè)計網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過802. 15. 4無線通信模塊獲取 來自無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的病理采集信息(包括體溫、脈搏、血氧信息等)，并逐漸通過自下 而上各協(xié)議層次的規(guī)范化數(shù)據(jù)解析。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件與支撐軟件根據(jù)其接入網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)對 象的業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)需求，并根據(jù)傳感數(shù)據(jù)的自身特性，開展處理、分析、融合與提取，得到滿足 條件的多類型傳感信息，并提供給建立于系統(tǒng)軟件之上的TCP/IP和802. 11協(xié)議體系，作 為其初始業(yè)務(wù)源。網(wǎng)關(guān)節(jié)點將按照該協(xié)議的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，完成業(yè)務(wù)類型確定、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn) 換、數(shù)據(jù)幀封裝等一系列操作，由無線網(wǎng)卡模塊實現(xiàn)最終的接入功能。嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件部分由三個模塊組成利用Z-Stack協(xié)議棧實現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器功能的模塊，實現(xiàn)精簡嵌 入式TCP/IP和802. 11協(xié)議的功能模塊，ZigBee報文轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)報文模 塊。在分析控制系統(tǒng)、Z-Stack以及TCP/IP、802. 11協(xié)議實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出了網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與 IEEE802. 15. 4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與Internet網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次的應(yīng)用 模型。網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換模型如圖4所示； 步驟8)外部網(wǎng)絡(luò)控制與接入模塊該模塊的作用是將網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入到外部基礎(chǔ) 設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，使得由無線傳感網(wǎng)傳輸來的數(shù)據(jù)得以通過基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)傳送給終端設(shè)備。本發(fā) 明中的無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備提供了以太網(wǎng)，無線局域網(wǎng)等多種外部網(wǎng)絡(luò)接入方式。本發(fā)明 用匿9000AEP網(wǎng)絡(luò)芯片接入以太網(wǎng)，用USB接口無線網(wǎng)卡接入無線局域網(wǎng)；
步驟9)網(wǎng)關(guān)外圍器件的選取根據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備自身特點和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自身 要求，網(wǎng)關(guān)設(shè)備的外圍器件，實現(xiàn)了不同網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，這些器件包括用于程序燒 錄及在線仿真的JTAG下載口、可數(shù)字化1/0器件、外部存儲器件、外部晶振系統(tǒng)、USB接口、 以太網(wǎng)接口、RS232串行接口 ； 步驟IO)網(wǎng)關(guān)的電路設(shè)計與實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)電路采用數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，元件均采用 0805型的貼片式封裝，網(wǎng)關(guān)與PC串口的連接之間實現(xiàn)了 TTL信號和RS-232信號之間的轉(zhuǎn) 換；網(wǎng)關(guān)設(shè)備建立了高速信號和低速信號之間的緩沖，采用兩層板布線的策略，通過手動布 線和自動布線相結(jié)合的方式進(jìn)行； 步驟11)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的可擴展性設(shè)計網(wǎng)關(guān)在設(shè)計過程中，預(yù)留了充分的接口，包括 超過30個主控模塊輸入輸出接口，以便今后的調(diào)用和擴展； 步驟12)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)軟件設(shè)計網(wǎng)關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)軟件控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào) 一致運行，系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)要求，進(jìn)行資源管理，消息處理，任務(wù)調(diào)度，異常處理，并分配優(yōu)先 級，系統(tǒng)根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，進(jìn)行動態(tài)切換和調(diào)度； 步驟13)B/S模式下終端軟件設(shè)計利用Web Service技術(shù)，將患者的病理傳感數(shù) 據(jù)封裝成Web服務(wù)發(fā)布于Web服務(wù)器上，進(jìn)行跨平臺的信息數(shù)據(jù)獲取，通過終端瀏覽器訪問 該Web服務(wù)器的Web服務(wù)，即可獲得患者的病理數(shù)據(jù)。 步驟14)C/S模式下的終端軟件設(shè)計利用局域網(wǎng)間的Socket通信，獲取網(wǎng)關(guān)傳輸 的實時患者病理數(shù)據(jù)。 步驟15)短信報警功能設(shè)計當(dāng)被監(jiān)護者病理數(shù)據(jù)超過警戒線時，終端軟件將調(diào)
用串口短信貓通過GSM網(wǎng)自動發(fā)送短信到監(jiān)護者的手機上，實現(xiàn)報警功能。
有益效果本發(fā)明提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療健康護理系統(tǒng)有如下幾大優(yōu)勢 (1)本發(fā)明的醫(yī)療傳感節(jié)點針對傳統(tǒng)醫(yī)療檢測設(shè)備功能單一的確定，集成了多種
應(yīng)用的醫(yī)療傳感部件，封裝了體溫、脈搏與血氧三種不同醫(yī)療用途的接口，以實現(xiàn)同一塊醫(yī)
療面板上集成上述三項功能，并統(tǒng)一采用同一接線方式，方便實際使用中的更換。
(2)本發(fā)明通過與基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的連接，實現(xiàn)了醫(yī)院或家居環(huán)境下的無線醫(yī)療遠(yuǎn)
程監(jiān)控。現(xiàn)有的醫(yī)療護理設(shè)備無法與網(wǎng)絡(luò)相連、無法為醫(yī)護人員或病患家屬提供遠(yuǎn)程實時
查詢功能。本發(fā)明中，醫(yī)療傳感節(jié)點采集病人病理信息，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸給網(wǎng)關(guān)設(shè)
備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備可通過多種方式接入到基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng))并依賴其將數(shù)
據(jù)傳輸給各種終端設(shè)備。使醫(yī)護人員與患者家屬可以擺脫有線設(shè)備的束縛，在醫(yī)院或者無
線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之內(nèi)，都能夠方便攜帶相關(guān)移動設(shè)備，如PDA、智能手機監(jiān)測患者的病理信息。 (3)本發(fā)明在終端軟件利用Web Service技術(shù)，實現(xiàn)了軟件系統(tǒng)的跨平臺性，監(jiān) 護者無需安裝任何軟件，只需瀏覽器即可對患者的病理數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，并且，通過將Web Service發(fā)布到因特網(wǎng)上，使得監(jiān)護者可以足不出戶，在已接入到基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備終端上， 進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。另外，當(dāng)被監(jiān)護者病理數(shù)據(jù)超過警戒線時，軟件將調(diào)用串口短信貓通過GSM 網(wǎng)自動發(fā)送短信到監(jiān)護者的手機上，實現(xiàn)報警功能。


圖1是醫(yī)療健康護理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖，顯示了本發(fā)明的體系結(jié)構(gòu)。
圖2是無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件總體結(jié)構(gòu)圖，顯示了網(wǎng)關(guān)部分各個模塊的構(gòu)成。
圖3是無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)協(xié)議模型，顯示了網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議的層次體系結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
本發(fā)明所提出的一種物聯(lián)網(wǎng)框架下的醫(yī)療健康關(guān)懷系統(tǒng)，由醫(yī)療傳感節(jié)點、無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、移動終端設(shè)備、系統(tǒng)軟件和終端軟件五部分構(gòu)成。醫(yī)療傳感節(jié)點通過血 氧探頭、脈搏探頭、體溫探頭等多種探頭采集人體的血氧、脈搏、體溫等病理信息，然后由 CC2420的無線傳感模塊將數(shù)據(jù)傳輸給無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過實現(xiàn)無線傳感網(wǎng) 與以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)的無縫切換，將病理數(shù)據(jù)通過基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)傳到終端設(shè)備上，醫(yī)護人 員及病人家屬則可擺脫有線設(shè)備的束縛，在醫(yī)院或者無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之內(nèi)，都能夠便捷 的使用相關(guān)移動設(shè)備，如PDA、智能手機監(jiān)測患者的病理信息。最終實現(xiàn)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的 醫(yī)療健康關(guān)懷系統(tǒng)。 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)明確，以下內(nèi)容僅僅用來描述本發(fā)明 而不作為對本發(fā)明的限制。 步驟1)醫(yī)療傳感節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)。本發(fā)明中的無線醫(yī)療傳感器節(jié)點包括以下 基本組成部分 a)多類型醫(yī)療傳感部件主要有高頻脈沖式脈搏傳感部件、高精度快速響應(yīng)式體 溫傳感部件、接觸式高分辨率血氧傳感部件。這些傳感部件以USB接口的形式同無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點直接相連。其中，體溫傳感部件通過一線接口連接、脈搏傳感部件通過通用I/O 口連接、血氧傳感部件通過模數(shù)轉(zhuǎn)換接口連接。醫(yī)療傳感部件同無線傳感器節(jié)點的具體鏈 接情況如圖5; b)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以8位RISC微處理器為核心，擁有128KB的Flash及 512KB的SRAM。其主頻高達(dá)8MHZ，可以滿足較大數(shù)據(jù)量的處理需求； c) ZigBee無線通信模塊以CC2420無線通信模塊為核心，擁有最大250Kbps的傳 輸速率，足以滿足多類型醫(yī)療數(shù)據(jù)的傳感需求； 步驟2)規(guī)劃網(wǎng)關(guān)所需完成的總體功能和基本性能指標(biāo)。網(wǎng)關(guān)需完成實時數(shù)據(jù)接 接收、實時數(shù)據(jù)傳輸、實時監(jiān)控、信號處理多種功能，要求具有高系統(tǒng)可靠性和高集成度，較 好的實時分析與處理能力，數(shù)據(jù)傳輸精確性。 步驟3)確定網(wǎng)關(guān)的輸入輸出。網(wǎng)關(guān)將通過CC2420無線傳感模塊接收到的無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的醫(yī)療傳感節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)作為輸入，并通過以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)或GSM網(wǎng)輸出數(shù)據(jù)至各種移動終端(如PDA、智能手機、PC等)。 步驟4)網(wǎng)關(guān)的基本構(gòu)架遵循了一般嵌入式產(chǎn)品的基本模式，同時，基于實際應(yīng)用 的需要，在各個層面上都有所擴展。節(jié)點基本構(gòu)架由四個層面組成，自下而上分別是功能 部件層，設(shè)備驅(qū)動層，嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核，應(yīng)用系統(tǒng)層。 步驟5)設(shè)計網(wǎng)關(guān)硬件電路的總體結(jié)構(gòu)圖網(wǎng)關(guān)應(yīng)包括如下幾個模塊核心控制模 塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、802. 15. 4無線通信模塊、JTAG編程與調(diào)試模塊、外部存儲模塊、基礎(chǔ)服 務(wù)與管理模塊、能量供應(yīng)模塊、外部網(wǎng)絡(luò)控制與接入模塊； 步驟6)設(shè)計網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過802. 15. 4無線通信模塊獲取 來自無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的病理采集信息，并逐漸通過自下而上各協(xié)議層次的規(guī)范化數(shù)據(jù)解 析；網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件與支撐軟件根據(jù)其接入網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)對象的業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)需求，并根據(jù)傳感 數(shù)據(jù)的自身特性，開展處理、分析、融合與提取，得到滿足條件的多類型傳感信息，并提供給 建立于系統(tǒng)軟件之上的TCP/IP和802. ll協(xié)議體系，作為其初始業(yè)務(wù)源；網(wǎng)關(guān)節(jié)點將按照該 協(xié)議的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，完成業(yè)務(wù)類型確定、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)幀封裝等一系列操作，由無線 網(wǎng)卡模塊實現(xiàn)最終的接入功能；嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件部分由三個模塊組成利用Z-Stack 協(xié)議棧實現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器功能的模塊，實現(xiàn)精簡嵌入式TCP/IP和802. 11協(xié)議的功能模 塊，ZigBee報文轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)報文模塊；在分析控制系統(tǒng)、Z-Stack以及TCP/ IP、802. 11協(xié)議實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與IEEE802. 15. 4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次， 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與Internet網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次的應(yīng)用模型；
步驟7)外部網(wǎng)絡(luò)控制與接入模塊設(shè)計 該模塊的作用是將網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入到外部基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，使得由無線傳感網(wǎng)傳輸來 的數(shù)據(jù)得以通過基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)傳送給終端設(shè)備。本發(fā)明中的無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備提供了以 太網(wǎng)，無線局域網(wǎng)等多種外部網(wǎng)絡(luò)接入方式。本發(fā)明用匿9000AEP網(wǎng)絡(luò)芯片接入以太網(wǎng)，用 USB接口無線網(wǎng)卡接入無線局域網(wǎng)； 步驟8)網(wǎng)關(guān)外圍器件的選取。根據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備自身特點和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自身 要求，網(wǎng)關(guān)設(shè)備的外圍器件，實現(xiàn)了不同網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，這些器件包括用于程序燒 錄及在線仿真的JTAG下載口 、可數(shù)字化I/O器件、外部存儲器件、外部晶振系統(tǒng)、USB接口 、 以太網(wǎng)接口、RS232串行接口 ； 步驟9)網(wǎng)關(guān)的電路設(shè)計與實現(xiàn)。網(wǎng)關(guān)電路采用數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，元件均采用0805 型的貼片式封裝，網(wǎng)關(guān)與PC串口的連接之間實現(xiàn)了 TTL信號和RS-232信號之間的轉(zhuǎn)換；網(wǎng) 關(guān)設(shè)備建立了高速信號和低速信號之間的緩沖，采用兩層板布線的策略，通過手動布線和 自動布線相結(jié)合的方式進(jìn)行； 步驟10)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功耗管理設(shè)計。在實際使用中可以利用電流表等儀器測量得
知網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功耗主要集中在高集成度處理器與無線通信片上系統(tǒng)上。因此網(wǎng)關(guān)的功耗管
理主要針對此嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行，其主要包括了系統(tǒng)級功耗管理，軟件代碼級優(yōu)化； 步驟11)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的可擴展性設(shè)計網(wǎng)關(guān)在設(shè)計過程中，預(yù)留了充分的接口，包括
超過30個主控模塊輸入輸出接口，以便今后的調(diào)用和擴展； 步驟12)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)軟件設(shè)計網(wǎng)關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)軟件控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào) 一致運行，系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)要求，進(jìn)行資源管理，消息處理，任務(wù)調(diào)度，異常處理，并分配優(yōu)先 級，系統(tǒng)根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu) 級，進(jìn)行動態(tài)切換和調(diào)度；
步驟13)B/S模式下終端軟件設(shè)計利用Web Service技術(shù)，將患者的病理傳感數(shù) 據(jù)封裝成Web服務(wù)發(fā)布于Web服務(wù)器上，進(jìn)行跨平臺的信息數(shù)據(jù)獲取，通過終端瀏覽器訪問 該Web服務(wù)器的Web服務(wù)，即可獲得患者的病理數(shù)據(jù)。 步驟14)C/S模式下的終端軟件設(shè)計利用局域網(wǎng)間的Socket通信，獲取網(wǎng)關(guān)傳輸 的實時患者病理數(shù)據(jù)。 步驟15)短信報警功能設(shè)計當(dāng)被監(jiān)護者病理數(shù)據(jù)超過警戒線時，軟件將調(diào)用串 口短信貓通過GSM網(wǎng)自動發(fā)送短信到監(jiān)護者的手機上，實現(xiàn)報警功能。
權(quán)利要求
一種基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療健康關(guān)懷系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于該系統(tǒng)由醫(yī)療傳感節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、移動終端設(shè)備、系統(tǒng)軟件和終端軟件五部分構(gòu)成；醫(yī)療傳感節(jié)點通過血氧探頭、脈搏探頭、體溫探頭采集人體的血氧、脈搏、體溫病理信息，然后通過無線傳感模塊將數(shù)據(jù)傳輸給無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)與以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)及GSM網(wǎng)絡(luò)的無縫切換，將病理信息數(shù)據(jù)通過基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)傳到終端設(shè)備上，醫(yī)護人員及病人家屬則可擺脫有線設(shè)備的束縛，在醫(yī)院或者無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之內(nèi)，都能夠便捷的使用相關(guān)移動設(shè)備監(jiān)測患者的病理信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療健康關(guān)懷系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于該 方法的具體實現(xiàn)方法如下步驟1)醫(yī)療傳感節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)本發(fā)明中的無線醫(yī)療傳感器節(jié)點包括以下基本 組成部分a) 多類型醫(yī)療傳感部件有高頻脈沖式脈搏傳感部件、高精度快速響應(yīng)式體溫傳感部 件、接觸式高分辨率血氧傳感部件，這些傳感部件以USB接口的形式同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點直接相連；其中，體溫傳感部件通過一線接口連接、脈搏傳感部件通過通用I/O 口連接、 血氧傳感部件通過模數(shù)轉(zhuǎn)換接口連接；b) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以8位RISC微處理器為核心，擁有128KB的Flash及512KB 的SRAM，其主頻為8MHZ，滿足較大數(shù)據(jù)量的處理需求；c) ZigBee無線通信模塊以CC2420無線通信模塊為核心，擁有最大250Kbps的傳輸速 率，足以滿足多類型醫(yī)療數(shù)據(jù)的傳感需求；步驟2)規(guī)劃網(wǎng)關(guān)所需完成的總體功能和基本性能指標(biāo)網(wǎng)關(guān)需完成實時數(shù)據(jù)接接收、 實時數(shù)據(jù)傳輸、實時監(jiān)控、信號處理多種功能，要求具有高系統(tǒng)可靠性和高集成度，實時分 析與處理能力，數(shù)據(jù)傳輸精確性；步驟3)確定網(wǎng)關(guān)的輸入輸出網(wǎng)關(guān)將從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)醫(yī)療傳感節(jié)點傳送過來的 數(shù)據(jù)作為輸入，并通過以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)輸出數(shù)據(jù)；步驟4)進(jìn)行網(wǎng)關(guān)的基本構(gòu)架設(shè)計網(wǎng)關(guān)基本構(gòu)架由四個層面組成，自下而上分別是 功能部件層、設(shè)備驅(qū)動層、嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核、應(yīng)用系統(tǒng)層；步驟5)設(shè)計網(wǎng)關(guān)硬件電路的總體結(jié)構(gòu)圖網(wǎng)關(guān)應(yīng)包括如下幾個模塊核心控制模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、802. 15. 4無線通信模塊、JTAG編程與調(diào)試模塊、外部存儲模塊、基礎(chǔ)服務(wù)與 管理模塊、能量供應(yīng)模塊、外部網(wǎng)絡(luò)控制與接入模塊；步驟6)設(shè)計網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過802. 15. 4無線通信模塊獲取來自 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的病理采集信息，并逐漸通過自下而上各協(xié)議層次的規(guī)范化數(shù)據(jù)解析； 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件與支撐軟件根據(jù)其接入網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)對象的業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)需求，并根據(jù)傳感數(shù)據(jù) 的自身特性，開展處理、分析、融合與提取，得到滿足條件的多類型傳感信息，并提供給建立 于系統(tǒng)軟件之上的TCP/IP和802. 11協(xié)議體系，作為其初始業(yè)務(wù)源；網(wǎng)關(guān)節(jié)點將按照該協(xié) 議的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，完成業(yè)務(wù)類型確定、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)幀封裝等一系列操作，由無線網(wǎng) 卡模塊實現(xiàn)最終的接入功能；嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件部分由三個模塊組成利用Z-Stack協(xié) 議棧實現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器功能的模塊，實現(xiàn)精簡嵌入式TCP/IP和802. 11協(xié)議的功能模塊， ZigBee報文轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)報文模塊；在分析控制系統(tǒng)、Z-Stack以及TCP/IP、 802. 11協(xié)議實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與IEEE802. 15. 4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與Internet網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次的應(yīng)用模型；步驟7)外部網(wǎng)絡(luò)控制與接入模塊該模塊的作用是將網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入到外部基礎(chǔ)設(shè)施 網(wǎng)絡(luò)，使得由無線傳感網(wǎng)傳輸來的數(shù)據(jù)得以通過基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)傳送給終端設(shè)備，無線傳感 網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備提供了以太網(wǎng)，無線局域網(wǎng)等多種外部網(wǎng)絡(luò)接入方式，用匿9000AEP網(wǎng)絡(luò)芯片 接入以太網(wǎng)，用USB接口無線網(wǎng)卡接入無線局域網(wǎng)；步驟8)網(wǎng)關(guān)外圍器件的選取根據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備自身特點和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自身要求， 網(wǎng)關(guān)設(shè)備的外圍器件，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽@些器件包括用于程序燒錄及在 線仿真的JTAG下載口 、可數(shù)字化I/O器件、外部存儲器件、外部晶振系統(tǒng)、USB接口 、以太網(wǎng) 接口、RS232串行接口 ；步驟9)網(wǎng)關(guān)的電路設(shè)計與實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)電路采用數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，元件均采用0805型的 貼片式封裝，網(wǎng)關(guān)與PC串口的連接之間實現(xiàn)了 TTL信號和RS-232信號之間的轉(zhuǎn)換；網(wǎng)關(guān)設(shè) 備建立了高速信號和低速信號之間的緩沖，采用兩層板布線的策略，通過手動布線和自動 布線相結(jié)合的方式進(jìn)行；步驟10)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功耗管理設(shè)計設(shè)備的功耗管理主要包括了系統(tǒng)級功耗布線優(yōu)化；步驟11)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的可擴展性設(shè)計網(wǎng)關(guān)在設(shè)計過程中，預(yù)留了充分的接口，包括超過 30個主控模塊輸入輸出接口，以便今后的調(diào)用和擴展；步驟12)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)軟件設(shè)計網(wǎng)關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)軟件控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致 運行，系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)要求，進(jìn)行資源管理，消息處理，任務(wù)調(diào)度，異常處理，并分配優(yōu)先級，系 統(tǒng)根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，進(jìn)行動態(tài)切換和調(diào)度；步驟13)瀏覽器/服務(wù)器模式下終端軟件設(shè)計利用Web服務(wù)技術(shù)，將患者的病理傳感 數(shù)據(jù)封裝成Web服務(wù)發(fā)布于Web服務(wù)器上，進(jìn)行跨平臺的信息數(shù)據(jù)獲取，通過終端瀏覽器訪 問該Web服務(wù)器的Web服務(wù)，即可獲得患者的病理數(shù)據(jù)；步驟14)客戶端/服務(wù)器模式下的終端軟件設(shè)計利用局域網(wǎng)間的Socket通信，獲取 網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)膶崟r患者病理數(shù)據(jù)；步驟15)短信報警功能設(shè)計當(dāng)被監(jiān)護者病理數(shù)據(jù)超過警戒線時，軟件將調(diào)用串口短 信貓通過GSM網(wǎng)自動發(fā)送短信到監(jiān)護者的手機上，實現(xiàn)報警功能。
全文摘要
一種基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療健康關(guān)懷系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，該系統(tǒng)由醫(yī)療傳感節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、移動終端設(shè)備、系統(tǒng)軟件和終端軟件五部分構(gòu)成，醫(yī)療傳感節(jié)點通過血氧探頭、脈搏探頭、體溫探頭等多種探頭采集人體的血氧、脈搏、體溫等病理信息，然后通過無線傳感模塊將數(shù)據(jù)傳輸給無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)與以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)的無縫切換，將病理數(shù)據(jù)通過基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)傳到終端設(shè)備上，可擺脫有線設(shè)備的束縛，在醫(yī)院或者無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之內(nèi)，都能夠便捷的使用相關(guān)移動設(shè)備，如PDA、智能手機監(jiān)測患者的病理信息。該系統(tǒng)能夠?qū)嶋H地應(yīng)用在人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦?，使醫(yī)護人員及病患家屬可以便捷的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控病人病理信息。
文檔編號A61B5/0205GK101695440SQ20091023361
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日
發(fā)明者凡高娟, 葉寧, 孫力娟, 曹嘯, 沙超, 王汝傳, 馬守明, 黃俊杰, 黃海平 申請人:南京郵電大學(xué);