基于ZigBee的物联网远程医疗系统研究

引 言

物联网医疗 [1] 是利用传感器技术，将一枚大至手机或小到指甲片大小的传感器贴在患者身上，传感器的一端嵌入或装备到医疗检测设备中，医生通过自己的手机或电脑连接到另一终端后，可随时随地实现对病人的诊断、治疗和监测。

据了解，目前全球发达国家非常重视物联网医疗及其相关领域的发展，美国《创新战略 2011》将卫生医疗保健领域的信息技术利用作为创新的六大优势领域之一。日本在 2013 年提出的最新信息化发展战略将医疗健康信息技术作为重点领域。我国是一个人口大国，慢性病占全部疾病的 80% 以上， 且有很高的病死率，加上庞大的老年群体，给保健和医疗造成了严重的负担。物联网医疗的发展迫在眉睫，本文提出了一种物联网远程医疗监控系统方案，该系统可以通过电信运营商覆盖全国的医疗网络资源实现，使医疗资源充裕地区的医护人员借助该医疗系统完成对远程患者的诊疗和监护，从而实现对医疗资源的高效利用。

1 物联网基本原理

物联网（Internet of Things）利用局域网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、人员和物体等通过新的方式连在一起，实现人与物、物与物相联，从而实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。

由图 1 可以看出，典型的企业物联网由三大部分组成， 即 RFID 识别系统、中间件Savant 系统和Internet 系统 [2]。

(1) RFID系统主要包括RFID电子标签和阅读器，两者通过RFID接口进行通信；

(2) 中间件系统是物联网的神经系统，负责传送和管理阅读器识读到的信息流，并根据需求把数据传送到Internet；

(3) 中间件系统和计算机互联网相连，能够及时有效地跟踪、查询和修改信息。

物联网正逐渐应用于经济社会的各个领域，例如工业领域、农业领域、电网领域、物流领域、交通运输领域、医疗卫生领域、公共安全领域和节能环保领域等。物联网的应用带动了生产力、生产方式等的深刻改变，成为经济社会绿色、智能和可持续发展的关键基础和重要引擎。

2 ZigBee模块

ZigBee是为低数据速率、短距离无线网络通信定义的一系列通信协议标准。基于 802.15.4标准，能在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，且只需要很小的能量，就可以通过多跳的方式传送数据。该方法主要适用于智能交通、环境保护、政府工作、智能家居、工业监测、远程医疗等领域， 是嵌入式应用的一个热点。ZigBee主要有如下四个特点：

(1) 低功耗

这是ZigBee 的突出优势。在低耗电待机模式下，两节 5号干电池可支持 1 个节点工作半年到两年时间。

(2) 低成本

ZigBee 数据传输速率低，协议栈相对于蓝牙、WiFi 简单， 降低了对通信控制器的要求，而且 ZigBee 免协议专利费，大大降低了成本。

(3) 网络容量大

ZigBee 具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和网状型拓扑结构。最多可组成 65 000 个设备的大网，且网络的自组织、自愈能力强。

(4) 安全可靠

ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用高级加密标准（AES-128）的对称密码，各应用可灵活确定其安全属性。

3 GPRS模块

GPRS 是 通 用 分 组 无 线 业 务（General Packet Radio Service，GPRS）的简称，是 GSM Phase2.1 规范实现的内容之一，能提供比现有GSM 网 9.6 kb/s 更高的数据率。GPRS 的无线调制标准、频率、调频规则、突发结构、TDMA 帧结构与GSM 相同。因此，在GSM 系统的基础上构建 GPRS 系统时，GSM 系统中的绝大部分部件都不需要作硬件改动，只需作软件升级。

与其他通信体制相比，GPRS 具有很多优势，如资源共享、频带利用率高，采用分组交换技术，可以让多个用户共享某些固定的信道资源 ；数据传输速率高，最高可达 170 Kb/s 左右， 用户永远在线，接入时间缩短，少于1 s，能提供快速即时的连接，可大幅度提高一些事务（如信用卡核对，远程监控等） 的效率 [3]。因此，使用这种通信体制可以在很大程度上提高监控系统的实时性和可靠性。

4 物联网医疗系统构建

物联网远程医疗监护系统主要是利用各种医疗传感器对人体各种参数进行检测。并对检测到的数据进行本地处理或者通过Internet 网络传输到远程医疗监护中心。该系统主要由带在监护者身上的心电、血压、脉搏和体温等生理参数监护仪与无线监护终端监控数据存储、显示及用户管理的远程医疗监控中心等几部分组成。物联网远程医疗监护系统结构框图如图 2 所示。

生理参数监护仪包括心电监护单元、血压监护单元、血氧监护单元与其它生理参数（ 体温、脉搏）监护单元以及用于无线传输组网的ZigBee 模块。该部分具有适应性强、使用方便、体积小、功耗低等特点。使用ZigBee 技术使生理参数监护仪和无线监护终端分离开，进一步缩小了监护仪的体积，便于用户随身携带。监护者可以根据自身的情况或者医务人员的建议，对身体的各种生理参数进行检测，把内嵌的ZigBee 模块的微型医疗传感器佩戴在身上，在不影响正常活动的前提下，将检测到的各种生理参数通过 ZigBee 技术传送到无线监控终端。

无线监护终端主要用于数据的传输，包括ZigBee通信、GPRS通信、数据记录、液晶显示、电源管理等模块，该部分包括两个流向的数据。从监护仪出发的采集数据到达无线监护端，经过一定的处理后可以显示、保存数据或者通过GPRS 通信进行上传；从远程监控中心发出的查询数据到达无线监护终端，经过一定处理后通过无线方式到达监护仪端，监护仪按照查询条件上传符合要求的数据。

远程监控中心通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，本文采用B/S 模式的ASP.NET 技术开发的远程监控中心系统[4]，使专业医疗人员以动态网页的形式浏览、查询并对被监护人员作出诊断。该系统平台将上传的数据与被监护人员的基本信息进行绑定，结合医疗专家知识库，对数据进行处理、分析，并在监护中心终端上以动态网页的形式显示，专业医疗人员通过显示的信息和分析结果对数据进行判断，通过操作平台界面发出符合一定规范的诊疗建议信息，经由呼叫中心或短信中心系统等通知用户。该 ASP.NET 监控系统运行维护比较简便，能使专业医疗人员方便地对后台数据库、分布式数据库进行添加、删除、修改、查询等操作，且能够实现分页技术，用户对海量数据的查询一目了然。

5 结 语

随着物联网技术的日益成熟，势必在医疗系统中得到广泛应用，并将对实现全球范围的“智慧医疗”起到积极有效的推动作用。本文介绍了物联网技术的基本原理，物联网应用中所涉及的短距离和远程无线通信技术，最后，提出一种新的基于物联网的远程医疗监护系统，利用插件式监护方式，实现多种生理参数的实时监控。该系统可以改善公众医疗尤其是弱势群体的医疗卫生条件，节约了患者的时间和医疗成本， 均衡利用了优势医疗资源，提高了医疗诊治水平与效率。