基于單片機和FPGA的遠程醫療監控系統

　　隨著電子信息的飛速發展，近年來，遠程醫療監控技術也漸漸成為醫療界的一個熱點。重要生命參數的遠程監控給年老體弱者帶來了方便，也給現代醫療界的發展做出了很大的貢獻。

　　遠程醫療監控系統，它是一種集成信息科學、計算機技術和通信應用技術于醫療衛生領域的高科技產業品。系統主要組成部分為：基于微控制器和傳感器節點組成體征采集模塊，基于GPRS/GSM的無線收發模塊，基于FPGA的上位機監控模塊。體征采集模塊利用各類專用傳感器采集人體體征，并由微控制器進行處理打包，經由GPRS/GSM通信網絡上傳至上位機監控中心，遠程醫生/監護人可定時/實時監控病患。該系統測量準確，實用創新性強，性價比高，具有很好的推廣價值。

　　二、設計要求

　　設計一個遠程醫療監控系統。要求：

　　1.通過各傳感器節點準確采集各項體征信號并交于89c51單片機進行處理，計算出各項體征信息（包括體溫、血壓、脈搏、心率），組成體征采集子模塊，完成各項體征信息采集，并上傳到GPRS/GSM無線模塊。

　　2.GPRS/GSM無線模塊將接收到體征信息，并準確地送往上位監控機。

　　3.基于FPGA的上位監控機接收到下位機信息，并進行分析處理及控制。

　　三、設計器材

　　1.各類體征傳感器（ASDX100壓力傳感器、HK-2000B脈搏傳感器、DS18B20溫度傳感器）；

　　2.微控制器、GPRS/GSM模塊、FPGA開發箱；

　　3.鑷子、鉗子、電阻電容電位器導線等若干、焊錫若干。

　　四、設計原理及設計方案

　　1. 設計原理

　　遠程監控系統可以定義為通過無線通信技術將遠端的體征生理信息和醫學信號傳送到上位機監控中心進行分析并給出診斷意見的一種技術手段。

　?。?） 醫療監測原理

　　重要生命參數的遠程監護是年老體弱者口常監護的一個重要內容，檢測的生理信息主要包括：體溫、脈搏、血壓、心率、心電圖、呼吸、血氣（氧分壓和二氧化碳分壓）、血氧飽和度、血糖等。這類生理參數在遠程監控系統中一般要求無創或微創檢測。本文以溫度、脈搏、血壓及心率信號為采集對象，選擇了簡單方便的傳感器和無創測量的方法。

　?。?）無線通信技術

　　隨著信息技術的不斷發展和社會需求的口益增長，無線通信已經進入規?；l展的階段，快速發展的無線通信已成為信息產業中最為耀眼的“亮點”，為各種潛在的工程技術提供了新的方法和手段，并成為推動社會發展的強勁動力。無線通信以其不需輻設明線、使用便捷等特點，展示出廣闊的市場前景。無線通信技術正以較快的速度進入許多產品，它與有線相比主要具有成本低、攜帶方便和省去布線的煩惱等優點，特別適用于遙控、遙測、無線抄表、門禁系統、小區傳呼、工業數據采集系統、無線標簽、身份識別、非接觸RF智能片、小型無線數據終端、安全防火系統、無線遙控系統、生物信號采集、水文氣象監控、機器控制、信息家電、無線232、無線422/485數據通信等領域。

　　利用GPRS/GSM技術進行無線通信，使傳統的串口通訊擴展為GPRS/GSM無線網絡通訊，可以實時的把采集到的數據發送到上位機，實現數據的及時交換及串口設備的快速無線聯網。

　　2.設計方案

　?。?） 醫院監控網絡體系方案

　　醫院監護系統由有線網絡（局域網）和無線網絡兩部分組成，如圖4.1所示?；颊呱砩吓宕鞯牟杉K端，將采集到的生理信息數據（體溫、脈搏、血壓、心率）發送到AP （Access Point ）。AP通過醫院的局域網，將數據轉發到上位監控機上，由上位監控機對數據進行分析和處理。

　　AP上電后立即嘗試連接局域網上的服務器，服務器的IP和端口號以及AP的網絡配置都寫在配置文件中，用戶可以手動修改，連接成功后進入就緒狀態。

　　如果有攜帶移動監護設備的患者進入AP的覆蓋區域移動監護設備將會查詢到AP并與之建立ACL鏈路，AP接受連接將會進行主從切換，保證AP作為傳感器網絡的主單元可以繼續被其他移動監護設備發現和建鏈。之后移動監護設備和AP之間進行SDP ， L2CAP， RFCOMM連接。AP向服務器報告有移動監護設備進入該區域，此后AP將透明地轉發AP和移動監護設備之間的雙向數據。主機可以通過AP和移動監護設備的串口替代功能完成控制、數據采集的功能。當患者離開此AP的覆蓋范圍后，鏈路中斷，AP向服務器報告移動監護設備離開該區域，同時患者攜帶的移動監護設備開始搜索新的 AP。醫護人員根據移動監護設備與哪一個AP相連可以獲知患者在整個病區內的活動情況。其設計結構如圖1所示。

　　
圖1 醫院無線監控系統結構

　?。?） 家庭監護網絡體系方案

　　遠程家庭監控網絡體系結構如圖2所示。

　　
圖2 家庭無線監控系統結構

　　無線系統主要由各個傳感器節點（脈搏、體溫、血壓、心率等傳感器節點）、若干個具有路由功能的無線節點和中心網絡協調器（監護基站設備）組成。監護基站設備連接無線網絡與以太網，是家庭無線網絡的核心部分，負責傳感器網絡節點和設備節點的管理。各項體征數據經過家庭網關傳輸到遠程監護服務器。遠程監護服務器負責脈搏生理數據的實時采集、顯示和保存。醫院監護中心和醫生可以登錄監護服務器查看被監護者的生理信息，也可以遠程控制家庭無線網絡中的傳感器和設備，從而在被監護病人出現異常時，能及時檢測到并采取搶救措施。被監護者的親屬等也可以登錄監護服務器隨時了解被監護者的健康狀況。

　　五、設計流程

　　1.傳感器單元的設計

　　傳感器節點主要功能為采集人體體征信息（包括體溫、脈搏、血壓、心率），其節點主要包括5部分：中央處理器模塊（51單片機）、無線數據通信模塊（GPRS/GSM）、傳感器、A/D轉換及相關調理電路、電源模塊。節點框圖和處理器單元如圖3所示。

　　
圖3 監控傳感器節點結構

　　2 .GPRS/GSM模塊的設計

　　介紹了一種通過GPRS/GSM短消息的收發實現對工程上數據采集系統的遠程監控，其能夠完成對工程上數據采集系統的運行狀況監測及采集數據的傳輸。同時也能夠通過短消息控制數據采集系統完成指定的操作。系統自帶有存儲器，能夠按接收到的指令對設備進行配置，并將其存儲到設備自帶的存儲器中。同時系統配備了看門狗，能夠使系統在異常狀態下重啟系統，使系統做到永不死機。由于該系統采用了GSM短消息作為通信載體，使其克服了普通電話監控的人機界面不友好，話費高，且控制功能少等缺點。GSM硬件圖如下圖4所示。

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