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基于ZigBee技术的医疗监护系统分析与实现.pdf

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Ke,啊ord sW№less Medical Mo血oriIlg;ZigBee;Eml顾lded Linll【;∞pia Co坞;SQLiteDatal豫∞IlI华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名诲磐“务 日期坳∥年j/月磁日¨l学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许学位论文被查阅除在保密期内的保密论文外;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。本学位论文属于口保密,在 年解密后适用本授权书。囵不保密。学位论文全文电子版提交后囵同意在校园网上发布,供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览。请在以上相应方框内打“√”作者签名扮移啤 日期川季h 7日指导教师签名么南屯 日期弘呻辞6冯7日第1章绪论1.1课题背景第1章 绪论本课题来自企业实际需求。该企业致力于病房输液和监护领域的产品开发、生产和销售。随着公司的发展和产品的多样化,在前期制定总的产品发展规划,以明确发展方向,制定必要的框架,使产品线的建设和发展更合理。本文基于企业在监护系统的产品发展规划进行展开。监护系统是一种对患者的生理或生化参数进行连续、长时间、自动、实时监测。对数据分析处理后实现多类别自动报警、自动记录的某些医学仪器的组合,是电子技术、计算机技术、通讯技术、生物检测技术和现代医学相关技术相结合的产物。由于它可以用来对所关注的参数进行实时分析、显示、长时间的记录,而且对结果具备一定的综合判断能力,及时地提醒和帮助医务人员对患者的病情变化做出适当的判断和处理,大大减轻医务人员的工作量【11。输液、注射是临床抢救和治疗的重要而常用的手段,也是护士基础护理的重要内容之一。为了进一步保证临床工作的安全性和有依据性,减少医疗纠纷,输液设备开始加入的历史记录存储功能,为了输注液设备记录和监护信息数据的集中化、自动化采集与管理,医院引入中央监护系统。目前国内医院病房中使用的监护设备、输注设备大部分没有实现联网功能。医护人员在监护病人的过程中,需要不断的巡房,不但费时且效率低。目前部分医院建成的联网监护系统大多只是少数几个病房的有线联网,存在布线困难、可移动性不强等缺点。仅仅实现了监护信息的集中监控,机动性、智能性不强,主要体现在以下两方面· 医护人员一旦离开监控室,就无法做到随时了解病人的监护信息;· 现有的各种医疗监护方案,主要侧重点都是在“监’’,没有很好体现“护“的概念,护士区的工作站对收到的监护信息没有任何分析和处理,无法对输液过程出现的异常作出安全警示,也无法实现远程调节功能。近年来发展起来的无线组网技术,相对有线网络具有建网容易、移动性强、管理方便等优点,能够迎合医院布网的特殊需求。因此,在实现病房输液设备、监护设备无线联网的同时,增强监护系统的机动性、智能性是监护系统建设的重要内容。华南理工大学硕士学位论文1.2国内外现状我国医疗监护仪的使用,起始于对心血管疾病的监护,目前已经广泛地用于心脑血管、呼吸、妇产、新生儿、麻醉手术及睡眠等监护。由单一学科发展到多病种、多科室、多学科应用,同时也由大医院拓宽到中小医院,已经或正在由特殊使用变成为常规手段,并正以很快的速度扩展其使用范围【2】。据不完全统计,我国医疗监护仪的生产厂家已有70多个;不同类型、不同规格和型号的产品已达数百种。与国际一流技术水平相比,我国医疗监护仪在特殊品种和某些性能指标上尚存在差距。近年来,随着科技的发展和国内监护仪厂商的不断进步,国内监护仪产品呈现了网络化、模块化、多功能、便携式及无线产品等新技术特征,并且软硬件水平都在飞速提高。其中网络化是监护、输注设备研发的重要发展方向。1.2.1监护仪网络化随着网络技术的快速发展,目前国内市场上的新型监护仪已经普遍具有网络功能。监护仪的网络化极大地方便了医院对患者信息的管理。例如现代监护系统中采取床边监护仪连接中央主机的方式使病人的监护信息通过网络传到中央主机进行分析存储。另外,中央监护系统可以通过与医院网络系统联网,将医院其他科室病人的相关资料进行汇总存储,使得病人在医院的所有检查、病情等资料都能存储到中央信息系统,便于更好地对病人进行诊断和治疗。监护仪的网络化还降低了医护人员的工作强度,特别是在夜间工作人员较少的情况下,也能同时监测多个病人,通过智能分析报警,使每个病人都能得到及时的监护和治疗。监护仪的网络功能也推动了远程医疗的发展,允许临床医生远程访问网络上的信息,使医学专家可以在异地快速简便地诊断病情。1.2.2无线通信新技术在监护系统中的应用无线通信新技术的应用是监护仪发展的新趋势,随着各种无线通信技术的发展,已有多种无线通信技术被应用在监护仪尤其是便携式监护仪中,典型的如蓝牙BlueTooth及无线局域网WiFi等。在监护仪领域,蓝牙技术越来越多地被应用,国内外监护仪厂商都纷纷把这一技术应用在自己的产品中。例如上海诺诚电气有限公司在全球首先将蓝牙技术应用于临床脑电设备和神经监护系统领域中并率先在国内注册专利,3年的临床应用证明无线蓝牙遥测脑电设备和神经监护系统具有体积小、功耗低、抗干扰能2第l章绪论力强、数据传输安全可靠等优点【2】。Wi.FiWhlessFidelity无线高保真也是一种无线通信协议IEEE802.1lb,与蓝牙一样同属于短距离无线通信技术。WiFi速率最高可达11Mb/s,虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些,但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹,可达100M左右。无线局域网wi.Fi方式由于技术门槛和成本较高,以前只能在进口监护仪中看到,随着投资费用的降低和国内厂商实力的增强,国内也出现了这类监护产品。例如MOBI移动无线网络多参数监护系统内嵌了无线网络通讯模块无线局域网、CDMA、GPRS,凭借遍布全球的网络资源实现了病人在全球范围的任何时间、任何地点、与任何人医生、用任意接入方式,完成多种生理参数的实时传输与监测【2】。针对病房的无线联网,国内已出现了很多方案。由于监护设备监测的数据相对较小,所以最常应用的技术有Zi曲ee和蓝牙。Zigbee和蓝牙都属于短距离无线通信技术,适合短距离、低数据速率的无线通信。与蓝牙相比,Z逸Bee更简单、功率及费用也更低。由于z远bee具有省电、可靠、时延短、网络容量大、安全等优点,较符合现代医院对医疗仪器小型化、低功耗、零污染等要求,成为未来无线监护联网的主导技术。目前,在医疗监护领域,研究人员已经将Z远bee技术应用于建立无线个人健康监护局域网,其主要是通过Z远bee技术,将多个人体生理信息检测装置组网。美国学者Ernjl Jovanov等人实现一种用于监护的无线体域网Wireless Bod“∽a Net、Vorks,WBAN,该系统是基于Zigbee技术的多通道遥测系统,集成多种传感器,可以实时采集、分析各种生理数据,并且通过Imernet将数据以电子病历的形式存于数据库中,可以用于术后监护或急救【3】。在欧洲,2004年启动的“Heahhv Am”项目计划开发一系列人体植入医疗器件,以帮助老年人和残疾人。该项目的核心是将植入体内的医疗设备利用无线体域网与基站通讯,最远距离可达3 m,使得医疗保健专业人员能够收集器件的性能数据和患者数据【4J。文献[1921],针对医院的ZigBee无线监护网络提出设计方案,使用一种叫tMote sky的桥接设备连接ZigBee拓扑和医院局域网,比较实用,可同时监护5个病人。Jo的LEAL等人针对医院病房的需求背景,提出一个ZigBee无线组网方案,该系统采用tMote sky作为桥接设备,使用网形网络拓扑,最多可以同时监护40个病人I 5。。在国内,赵泽等人也提出一种基于zi曲ee的传感器节点和监护基站设备的系统结构设计,对Z追bee技术应用于监护领域做了一些尝试【61。杨莹,徐钊,王文明等人设计了一套无线通讯系统,通过星型网络和一个无线网关把一个房间内的监护仪的信号送入公司的局域网,使监护仪摆脱了电缆的限制,实现了医疗监护系统的网络化【.71。罗惠谦3华南理工大学硕士学位论文等提出一套方案,通过一个基站设备连接无线局域网WLAN,节点和基站设备所使用的近距离通信标准为802.1 5.4/z逸Bee标准,系统可以应用于家庭以及医院病房,构成远程的家庭、社区以及医院的医疗监护系统【8】o1.3本文创新点国内外提出了很多基于Z远Bee技术的医疗监护系统方案,大都是针对组网方式的方案。在现有合适组网方案之上,本文提出的医疗监护系统方案有以下创新点· 加入手持无线监护终端和GSM模块,增加机动性· 连接中央监护工作站,连接电子病历数据库,可通过手持终端编辑病历,增加机动性。· 无线监护系统采用机器学习算法,对当前监测到的各种监护数据和历史记录进行综合分析,评估输液速度、剂量等是否合理,作出安全警示,增加智能性系统方便医护人员移动工作,带来更大的便利性,最大可能减轻监护工作量。医护人员随时可以实现以下方式查看病人监护信息· 通过监护中心工作站或者连接到该系统的PC终端· 通过手持无线监护终端· 手机接收SMS信息,医生离开医院后也可以收到重要监护信息。1.4本文研究内容本文根据企业产品规划,设计并论证了基于ZigBee技术的医疗监护系统方案。重点实现了无线手持监护终端的初步开发。具体包括人机界面开发,嵌入式数据库设计,ZigBee网络接入,实现实时数据采集与监控。本文结构如下· 绪论提出课题背景,研究了无线技术在医疗监护中的应用情况和医疗监护技术国内外发展现状,介绍本文研究内容,介绍各章结构,提出本文创新点。· Zigbee技术及其组网方式介绍zigBee无线技术,分析了ZigBee技术在医疗等领域的应用背景和组网技术。· 系统结构提出系统整体设计方案,设计了两套难易不同的系统组网方案。介绍手持监护终端4第l章绪论的硬件结构,分析其网络接入方式。· 开发环境的建立进行系统选型,实现了操作系统移植,LCD和触摸屏驱动开发,建立图形界面开发环境,建立ZigBee收发模块的开发环境。· 手持终端软件设计分析手持终端软件开发流程,设计图形界面;分析数据库需求,建立针对嵌入式手持终端的数据库;设计Z远Bee收发模块软件;设计手持终端与ZigBee收发模块通信协议,实现ZigBee网络接入,实时监测动态数据;最后给出手持终端演示效果图片。· 结语总结系统设计和开发工作,提出可改进之处和后续研究方向。5华南理工大学硕士学位论文2.1引言第2章 ZigBee技术及组网方式随着科学技术的发展,无线技术逐步取代有线技术,仅支持静态固定拓扑的无线网络也逐渐被支持动态变化拓扑的无线网络所取代。在短距离无线控制、监测、数据传输领域,通用的技术有蓝牙、WiFi、HomeI心等。它们虽然各有优势,但是存在功耗大、组网能力差等劣势。于2004年推出ZigBee技术,拥有功耗低,组网灵活等优点。本章主要任务包括介绍ZigBee技术、分析ZigBee拓扑结构、分析国内外组网应用实例,为第三章提出适合医院的组网方案提供依据。2.2几种可选无线组网技术的优缺点2.2.1蓝牙技术蓝牙传输频段也是通用的2.4GHz频段,速度可以达到lMbPs。但是,蓝牙技术的缺点相当明显的,突出表现在芯片大小和价格难以下调,抗干扰能力不强,传输距离太短,信息安全问题等等【9】。因此,如果使用蓝牙应用于远程监控系统中无论在价格上、还是在规模上和安全上都不能满足用户的需要。2.2.2 HomeRF家庭射频HoIneI心技术是无绳电话技术和无线局域网WLAN技术相互融合发展的产物。家庭射频系统的设计目的就是为了在家用电器设备之间传送话音和数据,并且能够与公众交换电话网PSTN和互联网进行交互式操作。使用2.4GHz IsM频段。数据传输速率达到100Mbit/s。更多的是在家庭网络中使用。100mW发射功率,通信距离150英尺,典型的家庭庭园范围。每个网络最高可达127个设备。2.2.3 Wi.Fi技术Wi.Fiwireless Fidelity无线高保真属于IEEE802.“规范,主要目的是提供WLAN接入,也是目前WLAN的主要技术标准,其工作频率也是2.4GHz,它拥有优异的带宽,但这是以大的功耗为代价,大多数便携Wi.Fi装置都需要常规充电。不适合本系统6第2章ZigBee技术及系统网络结构2.2.4 Z.wave技术ZWrave也是刚推出不久的一种低成本、低功耗、组网灵活的无线通信技术,它的主要目标是和ZigBee抢占家用市场【101。它的工作频段为900MHz ISM频段。它们同属于低速率无线通信技术,不同的是zigBee在不同频带具有不同的带宽。Z适Bee的传输距离大约为后者的2.5倍,如果再通过中继或其它技术会传输的更远,可以达到几公里,所以Z远Bee技术比Z.WraVe更适合于工业控制领域。但是,Z.WaVe技术在能量消耗、开发的进度、产品价格等方面都有很强的竞争力。日后,Z.Wave很有可能将是ZigBee的主要竞争对手。总而言之,每一种协议都有它自己的特点,它们之间的特性比较如表2.1【11越,131。蓝牙主要应用于高Qos,多样的任务周期,中等数据传输率的平等静态的具有活跃节点的无线网络中;Wi.Fi主要应用于有稳定电源,要求较高数据处传输速率的场合;Z.WraVe主要应用于中等数量设备、不频繁使用、小数据量的场合;而zigBee则主要是应用在非常的的任务周期,低能耗,低花费的静态及动态的具有很多活跃节点的无线网络中。表2.1几种无线传输方式的比较Table 2-1 colnparison between some kind of wireless technologyZ远Bee BlueTboth Wi.Fi Z.Ⅵ,ave HomleRF系统开销 小 较大 大 小 大电池寿命 长 较短 短 长 中网络节点数 255/65000 7 2007 232 127有效物理范围 1.100m 10m 100m 30m 50m数据传输率 20/40/250kbps lM/s 11/54M/s 9.6lbps 1.6Mbps安全性 高 高 高 两 高传输介质 868/915MH2./2 2.4GHz 2.4GHz 868/900M 2.4G.4GHz Hz2.2.4 ZigBee特点Z远Bee是一种强调极低耗电、极低成本的短距离无线网络技术。它主要有以下特点- 低功耗。在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持1个节点工作6.24个月,7华南理工大学硕士学位论文甚至更长。这是z培Bee的突出优势。相比较,蓝牙能工作数周,Wi-Fi可工作数小时。_ 低成本。通过大幅简化协议不到蓝牙的1/10,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以805l的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32K的代码,子功能节点少至4KB代码,而且ZigBee免协议专利费。_ 低速率。ZigBee作在20.250kbps的较低速率,分别提供250kbps2.4GHz、40kbps9l 5MHz和20kbps868MHz的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。· 近距离。传输范围一般介于lO~10m之间,在增加RF发射功率后,亦可增加到1.3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。_ 短时延。ZigBee的响应速度较快,一般从睡H民转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需30111s,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要3一10S、Wi-Fi需要3s。· 高容量。ZigBee可采用多种网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000个节点的大型网络。- 高安全。Z毽Bee提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单ACL防止非法获取数据以及采用高级加密标准AES.128的对称密码,以灵活确定其安全属性。一 免执照频率。采用直接序列扩频在工业科学医疗ISM频段,2.4GHz全球、915MHz美国和868Mz欧洲。ZigBee主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间,典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。2.3ZigBee协议2.3.1 ZigBee协议概述Z迢Bee协议使用IEEE802.15.4规范作为介质访问层MAC和物理层PHYIEEE802.15.4总共定义了3个工作频带2.4GHz,915MHz和868MHz。每个频8
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