基于嵌入式技术的家庭远程医疗监护系统的设计与实现(编辑修改稿)

基于嵌入式技术的家庭远程医疗监护系统的设计与实现(编辑修改稿)内容摘要：

据的融合以及相关数据的计算，基于计算所得的规则智能医疗软件设计。 第五章：主要介绍了模糊控制算法简析，模糊控制算法对用户的需治疗程度的分类，基于所得规则的监控软件的设 计，两端数据库的编写。 第六章：主要介绍了 TCP/IP 协议族的相关内容，基于 Socket 的客户端及服务器端的程序设计。 第七章：对本课题的总结及对研究课题的发展预期。 本章小结 本章作为论文的绪论部分，首先论述家庭远程医疗监护系统的背景意义，通过查询文献资料对国内外远程医疗的发展的现状做出了介绍，然后介绍了本课题所研究的主要内容及其所要达到的预期目标，最后说明了该论文的创新点所在及论文章节的介绍。 第二章 家庭硬件平台的设计 系统的整体构架 本系统主要由三部分组成，包括医学数据采集工具部分、用户电脑部分和医疗中心部分。 如图 1 图 1 系统的整体构架 医学数据采集工具部分主要由测量生理数据的电子医疗模块组成，如血压测量工具，温度测量工具， ZigeBee 无线传感器（第三章介绍）等组成。 医学数据采集工具部分的功能主要为负责将家庭用户的生理信息进行测量，然后将数据发送出去。 用户电脑部分主要由 ZigBee 协调器及用户电脑上的智能医疗软件和本地数据库组成。 用户电脑部分的主要功能为接收医学数据采集工具所采集发送的生理数据，通过电脑上的智能医疗软件对家庭用户做出合理的医疗建议，同时将用户每次测量的数据保存到本地数据，方便用户查询以往的测量信息，然后将数据上传到医疗中心数据库。 医疗中心部分主要由医疗中心端数据库，用户状态监控软件，医务人员组成。 医疗中心部分的主要功能为将家庭用户上传的数据进行保存，通过用户状态监测软件判断每个用户的状态，并以最危险的用户作为优先显示，然后由医务人员通过用户的联系方式进行诊断治疗。 医学数据采集工具的设计 相关元器件的选择 医学数据采集工具元器件主要由 CC2530 芯片、串口部分、 LCD1602 液晶显示器、 DS18B20 温度传感器 、电子血压计、 Atmel 接口数据转接卡组成。 CC2530 芯片：有着 IEEE 的标准、综合了 ZigBee 技术 与RF4CE 应用，构成了一个多功能的系统。 它在材料消耗上的成本很低，但功能强大，可以通过相互之间的连接构建一个功能强大的网络。 CC2530 同样将 RF 收发器的高性能融为一身，还具有高性能的 8051 CPU，在它系统内可以完成闪存的编程，当然还有许多其它强大的功能。 CC2530 包含不同的闪存版本：包括CC2530F3 CC2530F6 CC2530F12 CC2530F256 这四种， 由于运行模式不同，它的转换时间很短，所以它可以满足极低功耗系统的需求。 LCD1602 液晶显示器：由于主控芯片选择了 CC2530 芯片，以及功能需求的廉价低功耗，所以选择了 LCD1602 液晶显示器。 其主要要特性： （ 1） 工作电压，内含复位电路 （ 2）具有多种控制命令 （ 3）显示数据存储器的存储容量共为 80 字节 （ 4）比起其他相同规模的显示器其体积小，重量轻 （ 5）可以提供多个 5X7 的字符发生器由开发者使用 Atmel 接口数据转接卡： DS18B20 温度传感器：其为平常主要使用的温度传感器，成本极低，个体小易摆放，有着较高的抗干扰能力而且在精度上也是很准确的。 电子血压计：它可以一次性检测出多种生理数据，并能通过 USB 接口，ZigBee 无线网络将这些生理数据发送出去。 温度采集工具的设计 温度采集工具部分主要由 CC2530 芯片、串口部分、 LCD1602 液晶显示器、DS18B20 温度传感器等元器件组成。 主要的功能为连续采集 3 次家庭用户的身体体温，然后再 LCD1602 液晶显示器上显示出来，然后通过 ZigBee 无线网络将数据发送出去。 该工具的电路图如图 2,3,4,5,6。 每一个温度采集工具作为一个 RFD 节点，将所有工具进行 ZigBee 组网。 图 2 CC2530 芯片 图 3 电源部分 图 4 串口部分 图 5 DS18B20 图 6 LCD1602 相关电路图的主要介绍： （ 1） .电源部分：主要功能就是为整体硬件供电，并提供合适的电压，该部分采用了 芯片，将外部 5V 电压转换为该硬件设备需要的 电压进行供电。 （ 2） .DS18B20 温度传感器部分：主要功能为采集温度值，通过选用 cc2530主控芯片的 来作为 DS18B20 数据读取引脚。 （ 3） .LCD1602 部分：采用 LCD1602 对获取的数据进行显示。 其显示原理 为 通过其自身的物理性质，利用电压在其各部显示区域进行操作处理，当有电压时就会显示对应的图形。 该课题中 LCD1602 共分为上下两行显示，第一行显示为 “温度为 ”，第二行显示为采集到的具体温度值。 第一行的汉字的显示原理： 该屏幕上汉字的显示是通过图形显示的方式实现的。 首先通过自摸提取软件提取 “温度为 ”这三个字的点阵码，其中每个字大小均为 32B，字体以中间对称两边各为 16B。 然后通过在 1602 上已显示的行列号，每一行的列数，选择其显示RAM 相对应的地址，接着设置光标，将要显示的第一个汉字 “温 ”设置第一字节，在此之后设置光标位置佳 1，再给 “温 ”字设置第二字节，以此类推，当整个字体的大小达到 32B，那么该 “温 ”字就可以整体显示在 LCD1602 上了。 第二行的字符的显示原理： 第二行主要显示采集到的用户的温度数值， LCD1602 显示器的每一个字符时由 68 或 88 点阵所构成的，通过找出屏幕上显示的对应的几个位置所对应的 RAM 的 8 字节，将这些字节的不同位通过设置 “1”将其点亮，不需要的字节通过设置 “0”使其不亮，以此来组成需要显示的字符。 同时也可以通过其内置字符发生器的控制器来设置，这样的方式可以更简单的设置，该控制器可以设置为用文本的形式工作，通过在 1602 上已显示的行列号，每一行的列数，选择其显示 RAM 相对应的地址，接着设置光标，写入符合该字符的代码就可以显示了。 主要的程序流程为 :初始化 LCD1602延时设置 设置第一行显示的位置显示第一行的内容 设置第二行显示的位置 显示第二行的内容 （ 4） .串口通信部分，采用最常见的设计电路，使用 MAX3232 芯片将 CC2530芯串口出来的 TTL 电平转换成能与 PC 机连接的 232 电平，这样就可以通过上位机从串口获取到采集的数据。 （ 5） .协调器和 RFD 子节点采用 CC2530 射频模块进行设计，它们在硬件上的设计是一样的，不同的是担任的角 色，这个有程序控制。 图中所示是射频模块的最小系统。 电子血压计的整体设计 电子血压计整体设计如图 7 所示 ,图中显示了电子血压计，和一个 ZigBEE 无线网络 RFD 节点。 图 7 电子血压计 电子血压计采集到的生理数据，通过一根数据线与数据转接卡相连，数据卡如图 所示，数据转接卡通过串口与 CC2530 芯片相连，图 为数据转接卡和 ZigBee 节点。 采集到的血压值等数据通过 ZigBee 无线网络将数据发送出去，由另一个 CC2530 芯片构成的 ZigBee 协调器负责接收，再通过 USB 接口将电子血压计上的 数据送入用户电脑上的智能医疗软件上，再将生理数据在本地数据库保存后，会自动把该数据通过家中 Inter 网传输至医疗中心的数据库中。 图 8 数据转接卡 图 9 数据转接卡及 ZigBee RFD 节点 USB 技术 因为本系统主要面向的人群是家庭里的中老年人，所以要是系统变得简单易操作，于是为了减少复杂性，本系统将 ZigBee 协调器与用户电脑相连接的接口选择为 USB 接口。 USB 主要是用于电脑设备和外部其他设备之间的通讯，它的出现解决了传统计算机串口应用的单一性，每次支持一个外部设备，都要占用计算机的系统资源，而且为了对不同的外部设备安装驱动程序，将需要重新启动计算机系统。 USB 的出现完整的解决了这些问题，他具有即插即用的功能，最主要是不用再 重启电脑 来更安装外部设备的驱动程序。 如今 USB 经过长时间的发展，已经从， 逐步发展到 版本，在 ntel、微软、惠普、 NEC、 STNXP等公司的联合协助下， 的理论速率达到了最高的 ,外部 设备在新一代的 的技术上，可以更快速的连接到计算机上。 USB 具有如下特点： （ 1）应用便捷 所有外部设备的 USB 接口是一致的，连线简单。 当外部设备连接到计算机上，不需要手动操作，计算机自动将该外部设备的驱动安装到计算机上，使用完毕可直接进行热插拔。 （ 2）应用范围广 最新的 USB 技术，它的传输速度已经可以被提高到。 它对带宽的使用率很高，所以当不同外部设备的带宽不同时，（如无线键盘，电子音箱，无限鼠标，移动硬盘），它可以可以同时支持两种传输方式，包括同步传输方式和异步传输方式。 也就是说可以同时支持各种速率的外部设备，最多可以同时支持高达 127 个外部设备。 （ 3）拥有纠错能力 USB 系统可以随时控制设备的进入退出。 在该系统的协议中包括了 BUG 传输的管理， BUG 的修复等不同的功能，同时通过分析传送类型来修正其中所产生的问题。 ZigBEE 协调器的设计 Zigbee 协调器主要功能： 协调器是整个 ZigBee 网络中相当重要的仅有的一个节点，它一般位于数据监控中心，负责接收所有节点发送过来的数据并保存，同时它还控制着整个网络的建立，维护，设备进出网络等功能。 该系统的协调器主要构成部分为 CC2530 芯片，串口部分，电源等，相关主要电路如图 10 图 10 协调器主要电路 实物图 本章小结 此章节主要介绍了家庭远程医疗监护系统的总体设计框图，及该系统三部分的主要功能。 然后介绍了医学数据采集工具主要的元器件选择。 着重介绍了温度采集工具的设计，电子血压计的整体设计， ZigBee 协调器的设计和 USB 接口的设计。 第三章 ZigBee 网络的设计 本课题的无线网络需求 : 本课题的医疗采集工具与电脑之间的通讯方式，采用无线传输方式，传输距离近，要求低成本，易操作，低能耗，高性能。 无线传输方式的分析 ZigBee 无线网络 ZigBee 技术的发展主要依据在 标准下，其物理层，访问控制层直接应用于此标准。 ZigBee 技术是最近比较流行的无线通信技术，它主要应用于低能耗、短距离的无线网络远程控制领域。 它的发展主要由于蓝牙技术存在一些缺陷，包括复杂度高、能耗大、组网的规模很小等。 为了入手改善这些缺点，人们开始研究ZigBee 技术的发展，基于 标准，实现传感器和传感器之间的通信连接，在彼此之间的通信中，消耗的能量少之又少，而且在节点与节点之间的通信效率也是非常高的。 ZigBee 网络其自身的主要优势共包括如下几点： 耗能低：在设备待机的情况下，两节五号电池可以维持设备的正常工作，至少可以维持半年到两年的时间，甚至更多。 廉价：由于它对通信控制器要求不高，而且 ZigBee 的协议专利的公开免费的，目前市场上一块芯片的价格大约是 12 元左右。 反应速率快： ZiBee 的应答反应很快，由非工作状态切换到工作状态需要极短的时间，节点之间的组网时间同样极短。 高性能： ZigBee 的网络结构主要有三种，（星状网络结构，片状网络结构，网状网络结构）。 一个节点负责接收信息，其他节点负责收集信息，主节点可以管理数量多达 254 个的子节点。 安全性高： ZigBee 共三层安全等级，包括非安全设置，访问控制列表的使用来防止数据和高级加密标准（ AES 使用非法访问 128）的对称密码，以合理确定其安全性能。 免执照 频段。 使用（工业、科学和医疗）频段， 915MHz(美国 )， 868MHz(欧洲 )， (全球 )。 ZigBee 网络的不足之处： 穿透性很差： ZigBee 网络之间遇到遮挡物的时候，信号很难穿透，在数据传输过程中如遇到阻挡，则会造成数据发送失败。 传输距离短 :在各个节点间不进行相互数据传递的情况下， ZigBee 网络之间的有效距离最多有 100 米。 抗干扰性能差：如果在 ZigBee 无线网络中存在一些高功率的设备，那么ZigBee 网络就会受到很大的影响，数据的传输会发送不可预见的情况，接收到的数据通常是不完整的。 GPRS 网络 GPRS 技术是 2G 移动通信技术， 3G 通信技术之间的通信技术。 它的传输方式区别于其他网络的传输方式，它是以封包的形式来传输的。 GPRS 技术通过使用 TDMA 信道，可以使得数据的发送更加。