毕业论文一种基于物联网的医疗监护系统的设计与研究.docx
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毕业论文一种基于物联网的医疗监护系统的设计与研究
本科毕业论文（设计）
（2013届）
一种基于物联网的医疗监护系统的设计与研究
院系计算机科学与技术系
专业计算机科学与技术
姓名
指导教师
职称助教
一种基于物联网的医疗监护系统的设计与研究
摘要
本文研究了远程医疗领域的相关知识，提出了一种基于物联网的新型远程医疗监护系统设计方案，该系统利用物联网技术，使用人体传感器采集病人生理信号并对其进行分析、处理，并通过Zigbee无线传感网络将生理数据传送至控制端，由控制平台再经互联网传输到远端医疗服务中心，供医护人员实时监控和诊断，从而实现对患者生理状况的远程实时监护。
Zigbee无线传感网络的设备节点处理器芯片采用最新的CC2530芯片，具备很好的抗干扰性和低功耗性能，可较好地适应远程监护系统的长期稳定运行。
该远程医疗监护系统设计方案主要针对一些慢性病患者对于长期远程医疗监护的迫切需求而设计。
系统可以为医疗人员远程获取准确的患者生理监护数据，在很大程度上缓解医疗系统的工作压力，并减轻慢性病患者在经济和心理上的多重负担。
随着计算机、通信技术和物联网技术的快速发展，远程医疗监护会成为未来医疗服务领域的应用趋势，文中所设计的远程医疗监护系统方案在未来社会生活中具备很好的应用前景。
关键词：
物联网Zigbee远程医疗CC2530芯片传感器
ABSTRACT
Thispaperstudiedtheknowledgeinthefieldoftelemedicine,anewtypeofremotemedicalmonitoringsystembasedonInternetofthingsisputforward,thesystemusesthetechnologyoftheInternetofthings,humanbodysensorsareusedtocollectthepatient’sphysiologicalsignalsandanalyzetheresults,andthroughtheZigbeeWirelesssenornetworkthephysiologicaldatawillbetransmittedtothecontrolside,thenthecontrolplatformtransmitthesedatatoaremotemedicalservicecenterforreal-timemonitoringanddiagnosisofdoctorssoastorealizetheremotereal-timemonitoringforthepatientphysiologicalcondition.ThenodeprocessorchipsofZigbeewirelesssenornetworkusethelatestCC2530chips,havinggoodanti-interferenceperformanceandlowpowerconsumption,soitcanbetteradapttothelong-termstableoperationofremotemonitoringsystem.
Theremotemedicalmonitoringsystemismainlydesignedforsomepatientswithchronicdiseaseinurgentneedoflong-termremotemedicalmonitoring.TheSystemcanhelpaccesstoaccuratephysiologicalmonitoringdataofpatients,alargeextentitrelievesthepressureofthehealthcaresystemandreducesthemultipleburdensofchronicdiseasepatientsintheeconomicandpsychological.Withtherapiddevelopmentofcomputer,communicationstechnologyandtheInternetofthingstechnology,remotemedicalmonitoringwillbecomethefuturetrendinapplicationofthefieldofmedicalservices,ithasgoodapplicationprospectsinthefuturesociallife.
Keywords:
TheInternetofthingsZigbeeremotemedicalCC2530chipsensor
第1章绪论
1.1物联网与远程医疗监护系统的概述
众所周知，物联网时代正在迅速向我们走来，它是21世纪信息技术的重要发展方向。
其英文名被称为“TheInternetofthings”。
物联网并非是一个全新的东西，它的核心和理论支持依然是互联网，它是在互联网层面上延续和扩展的任何物体与物体之间通过射频天线技术、红外遥感装置和条形或二维扫描等信息传感设备，按照事先约定好的协议与互联网相连接并进行数据交换和通信的一种网络[1]。
物联网简易图如下图1-1。
图1-1物联网结构示意图
从技术架构上来看，物联网可以分为三层：
感知层、网络层和应用层。
其中，感知层由各种传感器以及传感器网关组成，它的作用相当于人的眼耳口鼻和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体、采集信息的来源。
网络层由各种有线和无线通信网络、互联网等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的数据。
应用层相当于物联网与用户之间的接口，它与具体的用户和行业需求有关。
物联网中的“物”并非传统意义上的一般物体。
能够称得上物联网的“物”必须具备以下几个特点：
有相应的接收器和发送器；具备一定的存储功能；有CPU；还要有专门的应用程序以及数据传输通道；在网络中要有自己唯一的可以被识别的编号等。
在物联网时期，计算机将发展到与普通事物无法分辨，即形态上“普物化”、功能上“泛在计算”。
只要在物体中嵌入一个芯片，就能让该物体的有关信息通过互联网传输出去，同时还能利用远程计算机对物体进行控制，那是网络将无所不在地融入人们的日常生活中，为人所用、为人不知，即“泛在网”。
物联网的用途十分广泛，遍及家居智能控制、智能存储和运输、环境保护与监测、工业全自动化、军队一体化和远程医疗监护等众多领域。
可以说，物联网的出现为远程医疗提供给了良好的发展前景。
物联网应用领域图表如下1-2所示。
图1-2物联网的应用示意图
传统的医疗监护体系往往不能将病人的情况及时、准确的反馈给医疗专家，而且受到时间和地点的限制，病人大都在指定的时间，指定的地点接受医生的检查，从而导致延时就医和误诊。
因此，急需要一种能对病人的身体状况进行实时监控的系统，将病人的生理信息及时准确的传给医生，做到及时发现、及时诊断、及时医治，而且也不影响病人的正常活动，然他们能够在自然状态下接受检测。
远程医疗监护系统的应用正好满足了人们的需求，它可以让病人远离住院的痛苦、减轻患者家庭的经济负担，同时也缓解了就医难、看病贵的问题。
为把家庭作为医疗监护的主要模式提供了可能性。
不同的时期人们对远程医疗的理解和定义有所不同。
早期因为受到各种技术的限制，远程医疗仅仅被定义为：
利用固定电话或电报对远地病人实施的一种简单的医疗处理。
现如今随着各种通信技术和计算机技术的发展，远程医疗监护的定义是：
利用传感器将采集到的病人生理信息数据或医学信号通过电子信息技术和网络通信技术传输到医院的监护中心并对数据和信号进行分析、处理，及时将分析结果反馈给医生，以便医生做出准确诊断和建议的医疗技术[2]。
远程医疗系统示意图1-3。
图1-3远程医疗系统示意图
远程医疗的发展已有40多年的历史，它的发展历程大概可以分为3个阶段：
第一阶段也称为萌芽阶段从上世纪60年代初期到80年代中期，由于受计算机和通信技术的限制，主要利用电话或电报对那些不能前来的远地病人实施的一种简单、特殊的医疗护理；第二阶段也叫做革命性阶段开始于上世纪80年代后期，因为通信技术的发展和不断成熟，涌现出了一大批有价值的远程医疗项目，国际各大知名医院之间开展远程医学研究，探讨各种疑难杂症，各国国内也增加医学交流，建立并完善各自的远程医疗水平；如今第三代远程医疗时代亦称高潮阶段，正在不知不觉中向我们走来，这时期的远程医疗正在向着微型化、多样化、智能化、一体化等方向发展，更加自然地融入到人们的日常生活中。
与前二代远程医疗相比，第三代远程医疗具有如下得天独厚的特征：
通过公共通讯网络提供服务，使医疗服务入口变得相对较容易些；提供了到桌面的图形化界面服务，使维护变得比较简单；多方位的立体化发展空间，项目的发展越来越趋于商业化，动机也变得更加单纯化[3]。
1.2课题研究的背景和意义
近几年，虽说国内一直都在进行医疗体制改革，在县级医院实行医院和药房的分离体制。
但总体而言，公有制依然是目前国内的大型医院的主要形式，由于医疗制度和医疗资源分配上的原因，每个科室的医疗专家都喜欢集中在医疗环境和待遇较好的大医院里，小医院的医疗力量相对薄弱，山区的医疗设施更是简陋至极。
正是这些缺陷导致了看病难、看病贵等一系列长期困扰我们的问题，同时医疗资源的严重不足和分布不均衡，是国内医疗的最大障碍。
随着人们生活质量的逐渐提升，对各种需求都在不断提升尤其是在医疗服务方面的要求，传统的、单一的医疗方式已经不能满足人们的医疗需要。
因此，迫切需要一种新型医疗模式的出现，而此时计算机的迅速发展、网络技术和传感器的出现为远程医疗的发展提供了机遇。
远程医疗系统的研究在医疗方面有着深远的意义[4]：
1）很大程度上提高了基层医院的医疗服务水平。
一些相对较差的小医院通过请大医院的专家对病人进行会诊，可以提高该医院会诊的准确率。
2）缓解了医疗人员和医疗器械分布不均衡的问题。
更加合理有效的发挥大医院医疗专家的作用，同时缓解了大医院的就医压力，避免了大型医院出现就医人员拥挤的情况。
3）曾加了医疗专家和医护人员之间的交流机会。
远程医学将在医护人员与专业医生交流的广度和深度方面有很大的改善，给医护人员更多的学习机会，同时也减少了不必要的开支。
4）减轻了患者家庭的医疗经济负担，给患者更多的自由活动时间和空间。
病人无需住院，省去了昂贵的住院费。
同时，减少了病人检测使得恐惧感。
5）在特别危险环境下对患者的救治远程医疗系统发挥了无可比拟的优越性。
提供及时的医疗信息和现场环境，让病人与专家在第一时间接触，了解病情以便专家做出及时诊断，减少病情拖延时间。
远程医学教育、远程监护、远程诊断等都属于远程医疗的范畴，本文就是针对慢性病患者而提出的一种远程医疗监护系统设计方案，给患者带来更加自由安心的生活，在未来的社会生活中将有广泛的应用前景。
1.3远程医疗的发展状况
1.3.1国外发展状况
在远程医疗系统的研究与发展过程中，美国和西欧这些发达国家的发展速度属最快，他们起步比较早，国家的资金和技术的投入也比较大，因此远程医疗技术要远远领先其它国家很多，同时也使得远程医疗技术较早的在这些国家得到应用并完善，而且他们采用的通信方式大多是利用卫星通信和综合业务数据网，在军事医学、远程会诊、远程咨询、远程医学信息的远距离传输等方面取得了很大的进展。
尤其是在远程医疗系统中的一些子系统发展水平较高，比如医院的信息化系统和患者的电子病历以及图片存档等技术都相当的成熟。
与国内相比，虽说美国的远程医疗虽然起步早，但其资产阶级性质的司法制度曾一度阻碍了远程医疗的全面开展。
国外一些研究机构已经研发并推广类似传感器床的监护设备，如图1-4所示，该医疗监护床能对病人的体温和脉搏进行检测。
主要考虑到当病人睡觉时，放在身上的传感器节点过于碍事，不能让患者正常的休息，若将传感器节点取下，则又无法测量患者夜间的生理信号变化情况，所以设计了这样一种设备，即使病人在熟睡时，它的生理数据也会被实时监护的。
图1-4具备传感器的特殊床示意图
把远程医疗系统作为一个开放性的独立的分布式系统的概念，是美国人在1988年首次提出来。
它囊括了三方面的技术，即全双工的视听通信技术、计算机网络技术及传感技术。
目前在全世界范围内规模最宏大、覆盖范围又最广的远程医疗教育和远程医疗网络是坐落于美国的乔治亚教育医学系统，它可以从事有线通信、无线通信和卫星通信等3种通信活动，它的主要目的是进行远程医疗教育活动，但远程医疗网络也是其中研发的一个重要组成部分。
除了美国之外，世界上许多其他发达国家、发展中国家，甚至是相对落后的国家也都纷纷投入到远程医疗的发展队列。
仅仅是欧洲及欧洲联盟联合组织就成立了4个关于生物医学方面的工程基地实验室、10个规模比较大的医疗研发公司、病理医学实验研发部门就有20多个以及由20个终端客户共同投入参加的大规模远程医疗系统推广实验项目，它们共同推动了远程医疗的发展和普及。
同时澳大利亚、中国、日本等国家也相继开展了各种形式的远程医疗活动。
1.3.2国内发展近况
根据发展阶段的记载，电台服务被公认是世界上最早时候的远程医疗所采用的主要形式，其目的是用来向那些跨洋远航游轮上的工作人员及游客提供突发性的应急医疗咨询服务的。
据有关资料记载，国内最早一次的远程医学活动被普遍认为是1986年的时候广州远洋货船上的工作人员利用电台向有关医疗部门报告了该船上一名突发急诊患者的病情，进而实现了国内跨洋会诊的先列[5]。
但是国内具有真正里程碑意义的远程医学活动严格上来说是从上世纪80年代才开始的。
例如：
解放军武警总医院通过国家专用卫星利用远程卫星通信技术与德国的一家知名医院在1988年进行了一次有关神经外科病例的研究讨论。
又如上海教育科研网和上海医大联合举办的远程医疗会诊项目与1995年正式启动，并成功设立了远程医疗会诊研究室。
运行在网络上该项系统，具有极强的交互式动态图像显示功能[6]。
目前，国内远程医疗已经和智能家居相结合，将远程监护设备嵌入到智能家居中，对空气质量进行实时检测，看它的指标是否适应患者居住，是否有对患者身体健康不利的成分。
嵌入式监护系统如下图1-5所示。
图1-5嵌入到智能家居中的监护系统示意图
现阶段，远程医疗之所以在我国还没有得到迅速推广和普及，这主要是由于我国地大物博，各个区域发展不同步、贫富差距悬殊、昂贵的设备费用问题和人们薄弱的意识等原因引起的。
尤其是农村和偏远山区的居民对远程医疗知之胜少，更是将其拒之门外。
因此，低成本医疗系统的开发成为了当务之急。
此外，那些职场人士或商人把更多的时间和心思花费在工作上，很少关心自己的身体状况即使知道自己患有某种慢性病，但只要不影响他们的正常工作，很少定期去医院接受检查。
远程医疗系统同样适用于职场和商业人士，对他们的身体状况进行实时监护，省去了去医院的时间，同时也让他们更加安心的工作。
1.4论文的研究内容和结构安排
1.4.1论文的主要研究内容
本论文对远程医疗的相关知识进行了研究，如何充分利用最新的物联网技术，并将其和远程医疗相结合起来，提高医疗资源的利用率，方便病人的日常生活及减轻病人的心理负担和家庭费用压力。
针对当前国内外在医疗领域的需求状况，新型远程医疗监护系统，尤其是基于无线传感网技术高效便捷的医疗监护系统有很好的应用前景。
在新型远程医疗监护系统的推广下，慢性病患者和体弱的老年人可以更方便地进行医疗健康监护，摆脱经常性的繁琐的就医环节，可以很大程度上减轻医院医疗资源的压力，患者自身也可减小心理和经济负担。
新型远程医疗监护系统采用了基于物联网的无线传感技术，文中详细分析研究了当前应用领域的无线通信技术和传感器芯片，系统利用人体生理传感器获取生理信息，再用Zigbee技术实现数据的传输，数据最终被传输到医院监护室，由医生对所获信息进行诊断和建议。
系统设计中选择抗干扰性和低功耗性能的CC2530芯片和低功耗、低成本的短距离无线通信Zigbee技术。
为了保证病人数据准确、及时的传输到医院端，选择传输可靠地TCP套接字作为该系统的传输控制协议，并详细介绍了家庭终端控制平台和医疗服务中心之间数据传输与控制的架构。
1.4.2论文的结构安排
论文的结构大致可以分为四个部分：
第一部分是基础，是论文的开端；第二部分介绍基于物联网的远程医疗监护系统的核心技术；第三部分为系统功能框架的整体设计，是论文的核心；第四部分为论文总结部分。
论文各章的具体内容安排：
第一章：
绪论。
该章介绍了物联网和远程医疗的概念和发展历程，研究了当前国内外最新研究现状，详细分析了远程医疗技术对于社会生活生产的重大意义，并对本轮文做了提纲式简介。
第二章:
无线传感器网络简介和不同无线通信技术的对比与选择，分析选择Zigbee技术作为传感网通信方式的优势。
第三章：
重点介绍Zigbee技术，包括Zigbee概念的提出、Zigbee拓扑结构类型和协议结构以及各层的具体作用。
第四章：
设计基于物联网的远程医疗监护系统的整体架构，给出系统的设计思路，介绍硬件传感器节点的设计方案以及软件的功能模块和设计方法。
第五章：
总结和展望。
对本文的设计做分析总结，分析该课题研究的相关内容以及未来发展前景。
第2章无线网络通信技术
2.1无线传感器网络的简述
无线传感器网络的发展过程大致分为三个发展阶段：
从最初的传感器发展阶段，到无线传感器的发展阶段，再到无线传感器网络的出现。
这里所谓的无线传感器网络就是指由那些被布控在待监测区域内大量的、廉价微小型的、低功耗的传感器节点构成的利用无线通信方式而形成的一个多跳的自组织网络[7]。
通常在无线传感器网络中，获取信息的感应器、被感知对象、信息的获取者以及数据的传输技术等四个要素必然被包括。
其中，获取信息的感应器一般是由电源模块、感知部件、处理器模块和软件等几个部分组成，它们之间相互协调作用，共同完成对外界信息的感知，它是无线传感器网络的基础，主要负责数据的采集；被感知的对象即无线传感器网络的检测对象，它是技术攻克的关键所在，因为其决定了无线传感器应用领域的范畴，所以急需各种感应器件的研发；信息的获取者即无线传感器网络的检测者，他是传感信息的接收者和控制命令的发送者，主要负责数据的读取、分析和报告，不可或缺；数据传输技术是整个无线传感器网络的核心，它决定所接受到的数据能否准确、及时的被传送出去以及传输所用的协议。
目前，国内已经研发了一大批具有自主知识产权的无线传感器网络芯片。
下图2-1是2006年10月无线传感网络的第一代汇聚节点；2008年11月又研制出了实现Zigbee协议和WLAN互联的网关原型，如下图2-2。
图2-1节点芯片示意图
图2-2网关节点示意图
与传统的网络相比，无线传感器网络的发展之所以如此迅速是因为其有独特的特点优势：
1.网络的动态自组织性。
在传感器网络系统的节点并非是静态的靠人为设定的，而是一种动态的。
只要在有效的距离范围内，感应器节点就会自动的进行网络自组织，新节点会自动的加入到传感器网络中并进行正常的通信。
2.多跳的路由功能。
因为节点受通信距离的限制，由于距离过远，当终端节点无法与协调器节点直接进行通信时，此时就需要由其他节点转发完成数据的传输，则该节点就相当于路由节点。
3.动态的网络拓扑结构。
传感器网络的节点可能因为能源耗尽或其它机械故障等原因而终止工作，这些因素都会让无线传感器网络中数据传输路径发生改变，即网络拓扑结构发生改变。
一般而言，传感器通常被要求放在那些有危险的地方或是人力根本无法完成的大量布置区域，如：
机器人放置或飞机投掷。
这就要求其不仅具备自组织能力、动态网络拓扑和多跳路由功能，而且要求传感器硬件能够适应各种不同的恶劣环境，具有很好的容错性和鲁棒性。
下图2-3为无线传感器体系结构图示。
图2-3无线传感器网络体系结构示意图
2.2不同无线通信技术的对比与选择
如今普遍使用的无线通信技术有：
无线局域网、Wi-Fi、蓝牙、移动通信等，而Zigbee技术是最近几年才刚刚发展起来的一种短距离无线通信标准。
现从传输速率、覆盖距离、电池寿命等几个方面对这各种无线通信方式的比较[8]。
红外线：
信号不是特别强，不仅极易受到距离和角度的制约，而且不具备穿透性。
Wi-Fi：
无线保证局域网，最大的好处是上网方便，只要在无线覆盖区域内，可以随时随地上网。
它是一种无线电波，容易受到其他电波的干扰性，在安全性方面也不如蓝牙，上网费用还是比较适中，但它的发展却受到限制，因为真正需要随时随地上网的人，不是那么多，大部分人还在呆在家里面或是办公室里采用固定上网的方式。
蓝牙：
网络覆盖的半径范围比较小一般在10米之内且相当耗电，但它可以穿透物体，安全性也比较高。
移动通信：
覆盖范围有几公里甚至几十公里，信号质量也可以，它最大的缺点就是成本价格相当较高，不适合一般用户。
Zigbee：
功耗、成本都相对较低，适合短距离和慢通信而且容易非常安装，比较适合大规模布置。
几种常用无线通信技术对比表格如下图2-4所示。
图2-4各种无线通信技术对比图示意图
通过以上数据表中对各种不同的无线通信技术的比较，不难看出，Zigbee正好填补低端无线通信的空缺。
它具有传统无线遥感技术不可逾越的优点:
1）较低的功耗，省电。
工作周期短、功耗较低，采用了休眠模式，当没有数据传输时便进入休眠模式减少功耗。
预计普通的2节五号电池就可以保证单节点的使用时间长达6个月至2年左右。
2）节点成本比较低。
Zigbee联盟制定的Zigbee协议是免专利费使用的，且终端节点的设计相对来说比较简单，减去了一些不必要的模块，进而降低整个网络成本。
3）数据传输速率较合适。
一般从10K字节/秒到250K字节/秒，主要用于低速传输，适合那些对速度要求不是特别敏感的网络。
4）网络节点的容量较大。
虽然单节点覆盖范围有限，一般不超过７５米，但由于其具备很好的网络自组织能力，便于网络的扩展，每个Zigbee网络可支持多达200个协调器设备，而且每个协调器设备又可以连接60000多个终端节点。
5）网络延时小。
Zigbee的响应速速比较快，从休眠模式进入启动模式或从激活模式转入休眠模式都只需要15ms,且搜索设备时的延时也只有30ms。
相比较而言，蓝牙和Wi-Fi则需要3s以上。
6）可靠性。
为了避免发送数据时出现的冲突或竞争，采用了载波监听多路访问/冲突避免策略，即发送前先检测信道，检测到信道无信息传输时就开始本次传输，当检测到信道有数据传输时，则延时一段时间在检测信道。
第3章基于Zigbee技术的无线通信网络
3.1Zigbee技术简介
人们之所以取名为Zigbee是根据蜂群的交流方式来命名的:
当一只蜜蜂发现食物时，它会通过跳Zigzag形状的舞蹈来传递发现食物的信息，以便达到食物源的方向、位置和距离的共享，为其他蜜蜂指路[9]。
Zigbee技术主要应用于无线个人局域网领域，它是在IEEE802.15.4无线协议标准的基础上研制开发的。
它是一种可以提供给固定的、便携的或移动设备使用的极低复杂度、较低成本和低能耗的无线网络连接技术。
在Zigbee网络中，根据节点设备所具有的通信能力和烧入其中的程序，可以将节点分为全功能设备和
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