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基于Wi-Fi的家庭医疗生理参数监测系统的研发.pdf

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万方数据万方数据万方数据河北工业大学硕士学位论文 I 摘 要 随着科学技术的不断发展,医疗技术也在不断地进步。如何将先进的科学技术转化为帮助老年人及慢性病患者的产品,这是康复工程研究的一个重要课题。近年来,与慢性病老龄化问题相对应的是糖尿病、高血压、高血脂等慢性病患者数量的急剧增加,加重了家庭养老及社会医疗的负担。同时随着生活水平的提高,人们越来越多的开始关注自身健康,由此家庭医疗保健工程进入了人们的生活。医疗的重心由原来的疾病治疗为主转为预防和提高身体素质为主。医疗监护仪逐渐从医疗机构扩展到医疗保健市场当中。现阶段,多生理参数监护仪虽然功能强大,但专业性强,且需由专业技术人员进行操作,因此,一种操作方便,不具备专业知识的人也能够看明白的智能监护仪,成为当下发展的趋势。传统的生理参数数据传输是基于USB串口、CAN总线等技术的,这给老年人及家人的活动范围带来了极大的限制。随着信息技术和无线传输技术的发展,为便携式生理参数监测系统提供了解决方案。 本文提出了一种能够实时采集、分析、显示人体多种生理参数的无线通信设计的实现,以及在 PC 上开发无线终端应用程序方案。设计采用 OEM 定制的高精度生理参数采集卡实现生理参数的采集,使用单片机和 Wi-Fi 芯片 ST-MW-09S 实现生理参数检测系统硬件电路的设计。采用Windows Sockets通信机制,实现无线数据通讯,并开发了Windows操作系统下的无线终端客户端应用程序。采用套接字重叠I/O模型,多线程操作机制,用户可以在PC终端上简单便捷的安装并使用监护软件,并对用户的生理参数达到了实时监测的效果。 关键字监护仪,生理参数,Windows Sockets,Wi-Fi,重叠I/O 万方数据基于Wi-Fi的家庭医疗生理参数监测系统的研发 II ABSTRACT With the continuous development of science and technology, social medical treatment has a huge promotion. How the advanced science and technology can be used to produce the products for chronic diseases and seniors is an important topic of the rehabilitation engineering research. In recent years, the increasing number of chronic diseases such as diabetes, hypertension, hyperlipidemia , etc increases the burden of family and social care, which is produced by the problem of aging and chronic. With the increasing standards, more and more people begin paying attention to their own health. At this time, Home Health Care Engineering HHCE is stepping into our life. The main focus of medical treatment has changed from healing diseases to improving physical quality. Medical monitor gradually extends to the family from the medical health care marketplace. Nowadays, though multi-physiological parameters monitor is very powerful, it is professionalized and must be operated by professionals. Therefore, developing a monitor, which is convenient to operate and can be understood by ordinary people who has no professional knowledge, becomes the development trend. The transmission of physiological parameters is based on the USB serial, CAN bus technology, which bring great limits to the scope of activities of the elder and their family. The paper proposes a design of multi-physiological parameters monitor base on wireless communication, which can realize collecting, analyzing, displaying in real-time, as well as the wireless terminal application applied on PC. The function of physiological parameters acquisition is realized by OEM custom model with high-precision perance. MCU and ST-MW-09S are used to achieve wireless communication. Adopting Windows Sockets to realize wireless data communication. This paper designs a wireless terminal application of client. Users can use the monitor software easily on PC, and realize monitoring physiological parameters in real-time. KEYWORDS monitor, physiological parameter, Windows Sockets, Wi-Fi, Overlapped I/O 万方数据河北工业大学硕士学位论文 III 目 录 第一章 绪论 .................................................................................................................... - 1 - 1.1 研究背景和意义 ......................................................................................................... - 1 - 1.2 生理参数监护仪的现状及发展趋势 ......................................................................... - 3 - 1.3 无线通信和嵌入式系统在检测系统方面的应用 ..................................................... - 6 - 1.4 论文的主要内容 ......................................................................................................... - 6 - 第二章 生理参数监测系统的工作原理及组成 ............................................................ - 9 - 2.1 Windows操作系统简介 .............................................................................................. - 9 - 2.2 不同生理参数的检测原理 ......................................................................................... - 9 - 2.3 生理参数监测系统的组成 ........................................................................................ - 12 - 2.4 本章小结 .................................................................................................................... - 12 - 第三章 生理参数检测系统的设计 ............................................................................... - 13 - 3.1 生理参数检测系统概述 ............................................................................................ - 13 - 3.2 电源模块的设计 ........................................................................................................ - 13 - 3.3 生理参数采集卡介绍 ................................................................................................ - 14 - 3.3.1 生理参数采集卡工作原理 .............................................................................. - 14 - 3.3.2 生理参数采集卡数据包格式协议 .................................................................. - 18 - 3.4 Wi-Fi无线模块的设计 .............................................................................................. - 20 - 3.4.1 Wi-Fi无线模块概述 ......................................................................................... - 20 - 3.4.2 Wi-Fi无线模块硬件的设计 ............................................................................. - 20 - 3.5 本章小结 .................................................................................................................... - 25 - 第四章 无线网络数据的通信 ....................................................................................... - 27 - 4.1 网络通信概述 ............................................................................................................ - 27 - 4.1.1 网络通信协议 .................................................................................................. - 27 - 4.1.2 Windows Sockets发展史 ................................................................................. - 28 - 4.2 C/S模型 ..................................................................................................................... - 29 - 4.3 重叠I/O模型 ............................................................................................................. - 31 - 4.4 本章小结 .................................................................................................................... - 33 - 第五章 生理参数监测系统的软件设计 ....................................................................... - 35 - 5.1 软件开发工具简介 .................................................................................................... - 35 - 5.1.1 Visual C6.0 .................................................................................................... - 35 - 万方数据基于Wi-Fi的家庭医疗生理参数监测系统的研发 IV 5.1.2 软件特点 .......................................................................................................... - 35 - 5.2 软件设计 .................................................................................................................... - 37 - 5.2.1 无线数据通信 .................................................................................................. - 38 - 5.2.2 菜单栏的设计 .................................................................................................. - 40 - 5.2.3 波形界面的设计 .............................................................................................. - 42 - 5.2.4 程序状态栏的显示 .......................................................................................... - 45 - 5.2.5 数据的存储 ...................................................................................................... - 45 - 5.3 实验结果分析 ............................................................................................................ - 46 - 5.4 本章小结 .................................................................................................................... - 47 - 第六章 总结与展望 ....................................................................................................... - 49 - 6.1 论文完成的主要工作 ................................................................................................ - 49 - 6.2 工作展望 .................................................................................................................... - 50 - 参考文献 ........................................................................................................................... - 51 - 致 谢 ........................................................................................................................... - 55 - 攻读学位期间所取得的相关科研成果 ........................................................................... - 57 - 万方数据河北工业大学硕士学位论文 - 1 - 第一章 绪论 生理参数监测仪是一种通过检测人的各种生理参数,与事先设定好的指标相比较,从而实时获得人身体健康状况的一种装置或系统。通过对该系统的广泛使用,可以在一定程度上减轻相关医务工作人员的工作负担,另一方面也可以辅助提高对病人的护理质量。基于该系统给医务工作人员和病人带来的种种好处,其已经被各医疗机构广泛使用,甚至成为一种不可或缺的医疗设备[1]。 1.1 研究背景和意义 当今世界,大多数的发达国家都已经或即将步入老龄化社会。与此同时中国也早已步入老龄化社会。早在2000年时,年龄在60岁及以上的人口就已经突破1.3亿,超过人口总数的10%;到2013年,老年人口数量已突破2亿,占全国总人口的14.8;预计到 2025 年,这个数字将要超过 2.8 亿,届时将占到人口总数的 18.4%左右;到2050 年将继续增大到 4 亿左右,会占到那时人口总数的 25以上。随着人口的老龄化,将会给社会的各个方面带来种种问题。妥善地解决好人口老龄化所带来的这些问题,可以极大的缓解这种趋势给社会带来的各种矛盾[2][3]。 与人口老龄化问题相对应的是糖尿病、高血压、高血脂等慢性病患者数量的急剧增加,极大的加重了家庭养老及社会医疗的负担。随之而来的是对老年人常见慢性疾病以及老年人群护理需求的增加。据不完全统计显示,中国六十岁及以上老年人的慢性病的患病率高达538.8‰,患病人口总数已超过7219.9万人。通常慢性病患者的残疾率和死亡率也相对较高,同时这类人群的自我照顾能力一般也很弱,需要政府、社会和家庭给予更大的帮助。 随着目前空巢老人数量的急剧增加,从某种程度上也增加了对老年人进行家庭式护理的困难。针对这种情况,卫生部早在中国护理事业发展规划纲要(2005-2010)中就已经明确的提出了要大力发展社区医疗护理,同时拓展医疗护理服务范围。重点关注老年人、慢性疾病患者等弱势群体的需求需要,要实践医疗护理工作也要为最广大的人民群众服务。但是,由于目前国内社会养老体系仍不完善,还处在刚刚起步的阶段,存在很多需要解决的问题。突出的表现就是社会医疗服务不能满足需求,从而直接制约国内老年人,慢性疾病患者等群体的身体健康状况的改善。总之,多数老年人最终还是选择在家中养老。于是就需要一种能够简单方便的适合于家用的生理参数万方数据基于Wi-Fi的家庭医疗生理参数监测系统的研发 - 2 - 监测系统,去解决多数的老年人还需要定期到医院等医疗服务机构进行检查而带来的诸多不便。 于是市场上出现了各种各样的用于监测身体生理参数的设备,以满足临床监护需求。典型的产品如MP-6000插件式多参数监护仪,如图1.1所示。但是这类仪器都是需要用户有一定的医疗常识而且一般用于医院,不适宜在家庭使用。因此一个既可以检测人体身体参数,又可以及时得到医生指导的家庭远程医疗监护系统便是解决这个问题的最佳方案[4]。 国内外专注于医疗领域的公司和新兴的科技公司都已经在这个领域进行了大量的研究。另外,绝大多数的生理参数监测仪都还存在于各个医疗服务机构中,一般必须得有专业的技术人员来进行操作,检测结果也得有专业人员来进行分析。此外较大的体积和昂贵的价格也在一定程度上制约了人体生理参数监测仪的使用和普及。随着国内信息化进程的推进,各个医疗机构也在转变着自己的服务模式。为了克服上述生理参数监护仪的不足,需要一种便携式的监测系统为用户使用,而且要求简单,方便操作等[5][6]。 图1.1 MP-6000插件式多参数监护仪 传统的生理参数传输是基于USB串口、CAN总线等技术的,这给患者或老人的活动范围带来了极大的限制,同时也无法对自身记录的数据进行科学分析以窥测病情的变化。随着信息技术和无线传输技术的发展,为便携式生理参数监测系统的设计提供了解决方案。目前常用的无线通信技术有IrDA技术、ZigBee技术、蓝牙技术、Wi-Fi技术。 IrDA 技术是利用红外线进行点对点通信的技术,其优点是功耗低、体积小、无需申请特定频率的使用执照等等,但是其最大传输距离仅仅3米,传输速率为4Mb/s,且是一种视距传输技术,由于红外线波长较短,需点对点直线传输,所以适合短距离万方数据河北工业大学硕士学位论文 - 3 - 无线通信。ZigBee技术是一种低成本、低功耗、低复杂度的无线通信技术,但是其传输速率低、成本较高、距离短,且手机电脑等不预配ZigBee,所以应用并不广泛。蓝牙技术支持设备短距离通信,一般在 10m 之内,功耗低、通信安全、能有效越过障碍物,但通讯速率不是很高,且该技术现在还没有完全成熟,有待实际使用的检验。Wi-Fi技术能在数百米范围内进行通信,覆盖范围广,传输速率快,最高可达54Mbps,辐射小,传输可靠,且应该范围广,目前在学校、机场、商城等人员较密集的地方,都设置了热点,有网络覆盖,基于传统家庭交换机,只要增加安装一个无线路由,就可以扩展网络覆盖范围,手机、电脑、PAD等只要在该网络覆盖区域内,就可以连接无线网络,高速上网,而且无须布线,不受现实地理条件的限制,健康安全,目前其应用最为广泛[7][8]。 因此,本文通过将Wi-Fi技术运用到个人医疗设备上,建立了一套基于Wi-Fi的家庭医疗生理参数监测系统。该系统不仅可以改变病人的日常监护方式,而且也起到了一定的预防作用,比以往监护方式更具有优越性和临床性。后续还可以通过和附近的医院建立社区医疗服务体系,实现远程监护功能,进而降低社会的护理压力和医疗成本[9][10]。 1.2 生理参数监护仪的现状及发展趋势 生理参数监护仪的基本原理是首先利用传感器检测人的各种生理参数,并转化为电信号,然后利用放大器进行放大后,再将数据传送到分析软件[11]。通过对所接收到的数据进行分析,最后将处理好的测量结果显示出来,同时还需要进行存储或打印。当检测得到的某些生理参数超出了事先设定好的阈值时,系统就会发出警示信号给相关的医护人员,方便及时处理。 随着科学技术的不断进步,国内可以生产生理参数监护仪的公司也越来越多,相应的产品也呈现出了信息化、功能多样化和使用方便快捷等新特征,无论是硬件还是软件,其生产水平都在快速提高[12]。 生理参数监护仪的快速发展与近些年来的电子、通信、计算机还有生物医学工程的快速发展是密不可分的。此前,国内生产的生理参数监护仪大多是没有软件部分的非智能型的。后来国内开始仿制一些国外的先进设备的功能。其中主要的进口产品多数是以Z80或8086作为核心开发的,而绝大多数只能检测某一个生理参数或两到三个生理参数。随着以96和MCS51系列单片机在国内大量推广使用,生理参数监护仪也开始应用单片机作为其核心部件。相应的产品逐渐开始由仿制向自主研发转变,各个厂家的产品也全部覆盖了从单个生理参数检测到多个生理参数检测的所有范围,并且逐渐实现了功能的模块化[13]。然而,受限于单片机的数据处理能力,需要将多个单万方数据
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