基于嵌入式技术的家庭远程医疗监护系统的设计与实现修改稿410.docx

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基于嵌入式技术的家庭远程医疗监护系统的设计与实现修改稿410

基于嵌入式技术的家庭远程医疗监护系统的设计与实现

摘要

技术决定着方向，随着不断地进步与创新，人们的生活也越来越轻松。

在这个计算机技术，电子技术，无线通讯技术等飞速发展的时代，传统的医疗监护正在将这些先进的技术与其融为一体，发展成高度智能化，便捷化，高效化的远程医疗监护系统。

该系统致力于提高偏远地区的就医效率，保障医疗资源的普遍共享及慢性病人的及时监护治疗。

家庭远程医疗监控系统是一个对象化的远程医疗系统，主要面向的是家庭，在家庭服务，只有少量的医疗资源共享，人们不需要再去医院，而是在家里就可以进行合理的医疗诊断。

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。

工作中，首先由医学数据采集工具采集数据，通过ZigBee无线网络将采集到数据传输到用户的计算机上，再由计算机上编写的智能医疗软件提供一些“心悸、胸闷、手指麻木和疼痛、肌肉酸痛、年龄、身高体重、有无以往病史等医学选项”供用户选择，辅以医学数据采集工具采集到的生理数据，通过决策树ID3算法来智能判断用户是否正常，并根据医学数据库给出相应的治疗方法或者初步的医疗建议，同时该软件可供用户随时查看自己的过往生理或病史数据并修改。

然后将数据经Internet发送到医疗中心的数据库，由医疗中心的医生通过在医疗中心服务器端编写的软件，可以快速准确的判断急需帮助的用户，根据对数据的分析给予人工建议和治疗。

本文主要重点介绍了Zigbee组网的硬件设计及软件设计；用户电脑部分决策树ID3算法与智能医疗软件的结合及模糊算法与医疗中心部分软件的结合；用户电脑部分和医疗中心部分数据库的编写及两端的通信。

第一章绪论

1.1课题的背景及现状

由于我国实行计划生育，大多数家庭都是一个孩子，随着孩子的长大逐渐的走入社会，越来越没有时间去照顾家里的父母，只能打电话去询问父母的身体状况，不能有效的带着父母去医院做体检，而且父母有了一些小毛病也会因为怕让孩子担心而不告诉孩子，这些是我们不愿意看到的。

随着社会的快速进步，人们对自己的身体是否健康越来越重视，然而由于我国的各方面的经济因素，那些设备先进医疗水平高的医院主要集中在大城市，我国人口基数又大，大家又都想去好的医院去看病，造成了部分医院的过度负载。

更不要说偏远地区的家庭，大量的外地务工人员的父母独自在家，儿女想要带父母去好的医院去检查身体，甚至可能要跨越几个城市的距离，既耗时又费力。

传统的医疗方式在现在这个社会已经跟不上人们越来越多的健康要求。

目前我国的医疗方式虽然还是传统的医院就医方式，但伴随着我国经济的高质量增长和对尖端技术的越来越重视，我国的电子技术，通讯技术，医疗技术得到了质的飞跃，将电子技术、信息技术、通讯技术、医疗技术相结合的远程医疗已经突破了人们的传统医疗的概念，得到了人们的接受。

人们越来越认识到远程医疗会给他们带来好处，他们可以更加便捷，更加廉价的去享受合理的医疗资源。

因此，这些因素很大程度上促进了远程医疗的进步，而家庭远程医疗监护系统以一种对象化的医疗模式，为家庭，为个人，用不同的技术与传统医疗相结合的方法，来探索家庭医疗、家庭监护、家庭成员健康保障等新需求的发展，致力于向家庭用户提供智能化简便化的新医疗。

1.2远程医疗技术的发展现状

1.2.1国外远程医疗的发展

远程医疗技术的被提出和发展最早是在国外，特别是欧洲和美国，他们在相关技术领域一直走在世界前列。

他们投入了大量的人力物力财力，由早期的战地急救，远程诊断等研究，开始逐步探索远程医疗技术的发展，为医疗新模式的信息化、简捷化、智能化做出了长足的贡献，也给了其他探索该技术的国家发展思路。

随着通信网络的大踏步发展，伴随着4G网络的降临，远程医疗将会得到更加迅速的推动。

通过查阅相关文献资料，美国作为整个行业的首位，在该领域的发展中一直起着积极地主导作用。

其Iowa大学将远程医疗的发展需求定位在偏远不发达地区，在那里通过大量的实验，证明了这些地区对远程医疗系统的需求是十分强烈的，对系统的未来发展有着非常重要的作用。

法国开发了一套名为“电子医生”的远程医疗系统，该系统不仅使患者免于四处奔走，还大大增加了医疗的大面积覆盖，降低了成本。

目前已经有许多欧洲国家对此系统进行推广。

瑞典全国几乎所有的大医院都建成了医疗数据传输系统，依靠该体系可以更加效率地开展各项业务。

在日本，有一家医疗公司为了发展远程医疗系统，寻求与其他网络技术的公司协同发展。

意在解决城市与偏远地区之间的医疗技术，服务等差距。

其中东京VIEWSEND这家企业，通过其独特的存片技术以及网络技术，研制了可供用户相互联动的远程医疗系统，更好地发挥远程医疗的作用

1.2.2国内远程医疗的发展

我国地域广阔，地区的医疗水平之间存在着明显差异，其中在农村和偏远山区更能体现，所以远程医疗系统具有广阔的前景。

但是，远程医疗的发展在中国比许多国家都差，技术相对落后。

自上世纪80年代左右才开始展开逐步的探索。

1986年一名海上船员在海上得了急症无法治疗，该员工的公司医院为解决他的急症治疗，通过越洋电报进行会诊。

并成功为全国各地的医院进行了远程会诊。

1994年中山医院第一次通过将图像与数据在医院之间互动同传的模式，研究了远程医疗，给了其他医院一个发展的模型，

2005年4月，北京大学医学部设立了一个远程医疗中心。

该中心有着精湛的医疗技术，可靠的医务人员，友善的医疗服务，这些优点都可以与其他医院同享，同时为其他的医院提供发展上的帮助，以达到使不同地区的人们可以享受到更好的医疗资源。

有了各个医院对远程医疗系统的逐步探索发展，国家也对该系统的发展与计划有了相应的部署。

到现在远程医疗已经活跃在我国的农村与城市之间。

随着技术的创新融合，远程医疗技术也发生了阶段性的变化，原来只是通过电视等工具查看诊断，现在通过各种新技术的加入，已经发展成了综合图像处理，语音处理的数据传输诊断。

1.3本课题研究的主要内容

本课题要完成的主要有以下几点，1.根据家庭用户的实际情况，综合筛选对比几种不同的方案，选择一种性价比较高的系统方案，并且搭建系统的主要框架。

2.主要学习CC2530的芯片手册及其功能实现，完成医学数据采集工具部分的硬件及软件设计。

3.学习Zigbee技术及其已成功的研究事例，完成不同节点之间的组网，及数据传输。

4.查阅资料了解及查询相应的医生生理信息知识，通过决策树ID3算法与生理信息数据的结合，完成用户电脑端的智能医疗软件的编写；通过模糊控制算法与用户提交的生理信息数据的结合，完成医疗中心端的监控软件的编写。

5.学习及完善SQLServer相关的知识，掌握C/S模式下两端通信的主要知识，完成两端数据库的编写及两端数据库之间的通信。

6.在实验室完成系统的整体测试，对产生的问题进行总结和改正。

1.3.1预期目标

1．通过医学数据采集工具，准确的采集到用户的医学生理数据

2.将采集到的数据通过ZigBee网络传输到用户电脑。

3.在家庭电脑端与医疗中心端建立相应相关软件。

通过决策树ID3算法来处理用户的生理数据与选项数据，以此为依据来进行用户电脑端的智能反馈的医疗。

4.在家庭电脑端与医疗中心端建立相应数据库，将用户测量的生理数据进行有效的保存。

5.用户电脑端与医疗中心端的数据能有效传输并保存。

1.3.2课题研究的意义

该医疗系统极大地方便了许多医疗需求者，特别是家里的留守老人和一些身体不方便的残疾患者，使他们不用再像以前一样，艰难跋涉去仅有的一些医院寻求治疗和诊断，大大减轻了人们的劳苦。

同时在家里进行医疗，可以缓解人们在医院时的紧张压力，以更加轻松的心情去检查身体，而且时时刻刻都可以进行必要的检查，给自己更给儿女以安心。

不仅如此，该系统在客户端设计的一个软件来分析用户的生理信息，然后综合用户情况提出一些合理的改善建议，使用户可以在第一时间得到反馈且根据有效的信息进行自我调节，更有效地填补了医疗的空白期。

该系统在医疗费用上也比平时去医院看病减少了许多，平常去医院看病即使是小问题也要挂号，排队等。

在家里自我检查既给自己提供了方便，减少了花费，也节省了医院的公共资源，让那些需要急救的人最先受到治疗。

1.4本课题的创新点

1.创新的研究了决策树算法在医疗采集数据处理中的应用。

2.创新的在家庭远程医疗监护系统中研究了智能反馈医疗。

1.5论文的章节介绍

第一章：

绪论部分，主要介绍了课题的现状背景，课题的研究意义及发展情况，大概介绍了文章要研究的内容。

第二章：

主要包括系统整体框架的介绍；医学数据采集工具的元器件的选择，整体的设计。

第三章：

主要介绍了无线通信方式的对比分析，Zigbee技术的简析，RFD终端节点以及协调器设备的程序设计。

第四章：

主要介绍了决策树ID3算法的简析，决策树ID3算法与生理数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。

1.6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

2.1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。

2.2医学数据采集工具的设计

2.2.1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、Atmel3.5mm接口数据转接卡组成。

CC2530芯片：

有着2.4-GHzIEEE802.15.4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8051CPU，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CC2530F32、CC2530F64、CC2530F128、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）3.3V-5V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

Atmel3.5mm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。

2.2.2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2CC2530芯片

图3电源部分

图4串口部分

图5DS18B20

图6LCD1602

2.2.3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HT1117-3.3芯片，将外部5V电压转换为该硬件设备需要的3.3V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P1.0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6×8或8×8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。

2.2.4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3.2所示，数据转接卡通过串口与CC2530芯片相连，图3.3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Internet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ZigBeeRFD节点

2.2.5USB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USB1.0，USB2.0逐步发展到USB3.0版本，在ntel、微软、惠普、、NEC、ST-NXP等公司的联合协助下，USB3.0的理论速率达到了最高的5.0Gb/s,外部设备在新一代的USB3.0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5.0Gb/s。

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。

2.3ZigBEE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

2.4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。

3.1无线传输方式的分析

3.1.1ZigBee无线网络

ZigBee技术的发展主要依据在IEEE802.15.4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802.15.4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），2.4GHz（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。

3.1.2GPRS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快捷。

GPRS网络的优点：

网络不间断：

外部设备与GPRS网络连接的时间极短，可以随时与网络连接。

数据传输快：

GPRS的理论传输速率可以达到171.2kbps,即使在某些环境的影响下会相应的降低传输速率，但整体上还是很高的。

GPRS网络的不足之处：

成本相对较高：

一个GPRS模块在市场上的价格大约为180元左右，而且由于GPRS是通过流量消耗多少来计费的，对于大量传输数据的用户，会产生相对较高的资费。

环境影响大：

在某些环境下如封闭的卧室等，会出现连接不上网络，或者连接网络时断时续的情况，对于急需要发送数据的用户来说，会带来非常严重的后果。

3.1.3蓝牙技术

蓝牙技术的创造堪称一次震撼的变革，它的出现打破了以往有线连接的束缚，成为了最早的无线连接方式。

它的发展目标是低成本，近距离的无线传输，主要面向于与移动设备通信。

蓝牙技术最早为爱立信公司在1994年所研发，并在接下来的几年内成功吸引了各大移动设备公司的加入。

设备与设备之间的蓝牙通信必须满足主动被动的关系，只能由主动方搜寻被动方（双方可以根据需求的不同，交换主动方和被动方的角色关系），发起配对，建立相应的链接，链接成功建立后两方都可以传输和接收数据。

蓝牙技术的主要优点为：

（1）波段开发性：

蓝牙技术工作的波段为2.4GHz，该波段为全球开放，不需要花费任何费用。

（2）在短距离的数据传输方式上，蓝牙技术是最简单，最低功耗，最安全的方式。

（3）市场应用广泛，产品数量极多，有着相当多样化的功能。

（4）良好的蔽障性：

在传输的空间中出现的障碍物都可以穿过，基本不存在空间上的需求。

（5）可发送语音数据，组网简单容易。

蓝牙技术的不足之处：

（1）传输距离短，不适合远距离的传输

（2）容易受到微波，高功率设备等影响。

3.2本课题无线网络方式的选择

表1以上几种无线通讯技术的对比

种类

ZigBee

蓝牙

GPRS

单点覆盖距离

10~3000m

10m以内

无限制

网络扩展性

自扩展

无

无

能耗

1mW~3mW

1mW~100mW

100mW

复杂性

简单

复杂

非常复杂

传输速率

20~250kbps

1Mbps

1~114kbps

频段

（915M,868M,2.4G）Hz

2.4GHz

无限制

组网节