CN105554103B - 基于可穿戴节点的无线医疗传感网应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于可穿戴节点的无线医疗传感网应用系统，采集节点通过无线方式连接汇聚节点，将采集到的数据送至汇聚节点，汇聚节点通过无线方式连接网关，将采集节点的数据转发至网关，网关通过TCP/IP协议将数据转发至后台PC服务器；采集节点为病人所携带，采集和传输传感器数据；汇聚节点与采集节点采用2.4G通信，与网关通信采用433M通信；PC服务器负责与网关通信和数据存储，PC服务器的用户程序提供显示，报警，管理的用户交互功能。本发明的有益效果是能持续的采集数据，方便分析出病人体征数据的一个走向。

Description

基于可穿戴节点的无线医疗传感网应用系统

技术领域

本发明属于智能穿戴设备技术领域，涉及基于可穿戴节点的无线医疗传感网应用系统。

背景技术

随着近年智能手机和无线技术的发展，怎么样将无线技术与传统医疗相结合越来越受到人们的关注。现有的无线医疗产品主要分为两个方面，即智能穿戴设备和无线医疗管理系统。

智能穿戴设备是由智能手机和互联网的发展所衍生出来的，其主要是利用传感器采集人的生理数据。例如将传感器放在鞋底，当人步行的时候，传感器通过蓝牙将信息传输到手机，然后再通过手机传输到云端，然后对其进行分析并给出一个报告。又如将传感器用在睡眠监测中，当人睡眠的时候，就会带上一个睡眠监测的仪器，通过与家庭中的无线WIFi相连接，传感器能够在我们睡眠的时候记录下我们的睡眠过程，并对睡眠质量进行评估。智能穿戴融合了现在的大数据、云计算、传感网技术，通过这些技术的相融合，在实际生活中让人们对自己的身体知己知彼。无线医疗管理系统则是利用现在的无线技术，将医院的开处方、划价等操作变成一个无纸化操作，进一步减少由于字迹不清等误解引起的抓错药等事故。在国外，有一个专门研究无线医疗的研究所叫“西方无线研究所”，他们将医疗与无线相结合，将这两个看似没关系领域通过技术的融合，使医疗变得更加人性化。这只是其中一个，除此以外，还有多达600的无线公司在涉足无线医疗行业。在国内，医疗行业主要还是传统的操作流程，无线医疗还不普及。也有少数的医院在应用无线医疗的管理系统，例如上海东方医院用到了54M的无线局域网，通过这个无线网络来管理整个医院，减少了很多纸制化操作。

无线医疗是未来医疗的一个发展趋势，而通过无线技术采集患者生理信息也将成为必然，医生需要这样一套系统去关注患者每时每刻的生理指数，以及时调整患者的治疗方案。

传统医护工作都是医护人员人工采集，不能持续的采集数据，并不能分析出病人体征数据的一个走向；而此设计则是通过病人佩戴便携式传感器自动采集，采集信息能够自动上传，针对采集到的信息能够清楚的看出病人生理体征的变化图。

发明内容

本发明的目的在于提供基于可穿戴节点的无线医疗传感网应用系统，解决了传统医护工作都是医护人员人工采集，不能持续的采集数据，不能分析出病人体征数据的一个走向的问题。

本发明所采用的技术方案是包括采集节点，采集节点通过无线方式连接汇聚节点，将采集到的数据送至汇聚节点，汇聚节点通过无线方式连接网关，将采集节点的数据转发至网关，网关通过TCP/IP协议将数据转发至后台PC服务器。

采集节点为病人所携带，采集和传输传感器数据；每个病房内放置一个汇聚节点用于汇聚该病房内的所有采集节点以及在走廊内且靠近该汇聚节点的采集节点的数据；汇聚节点与采集节点采用2.4G通信，与网关通信采用433M通信；采集节点包括MCU，MCU分别连接热敏电阻和无线芯片，纽扣电池给MCU和无线收发器供电，热敏电阻一端接地，另一端与MCU的AD输入管脚、20K电阻的一端连接在一起，20K电阻的另一端连接MCU的IO1端口；网关和汇聚节点之间的通信采用轮询方式，即网关逐个询问汇聚节点来获取汇聚节点需要发送的数据，轮询的顺序由汇聚节点的ID决定，网关收到汇聚节点上传的数据后，通过UDP发送给PC服务器；PC服务器负责与网关通信和数据存储，PC服务器的用户程序提供显示，报警，管理的用户交互功能；用户程序运行时需要登录，护士身份登陆后直接添加医生姓名，然后以此为过滤信息，提取出该医生名下病人和其传感器数据，每行显示一个病人的数据，单击某个病人显示出其病人的当前温度信息和历史信息曲线，对于每个病人，体温显示时设定相应的阈值，当超过此阈值时，该行数据以红色显示警示并能通过扬声器报警，值班护士通过显示的信息可以快速的定位到病房甚至病床进行及时的治疗护理，并且在下次登陆时，默认显示上次监测的信息，另外，当有新病人或者是病人出院时，护士增加或者删除该病人携带的采集节点设备信息，当医生登陆时，在登陆时通过对比后台数据库，直接显示出当前自己名下病人的体温情况和历史信息。

进一步，所述采集节点睡眠方法：发送指令让无线芯片进入睡眠模式，然后写MCU自身寄存器进入STOP模式，进入STOP模式后，寄存器仍然保持，所有外设和CPU都停止工作，初睡眠定时器除外，通过定时器中断唤醒，无线芯片通过片选CS下降沿唤醒，节点在每一次醒来时，先将时间戳+1，然后判断是否有事件处理，如果有，则处理事件后进入睡眠，如果没有事件，则立即进入睡眠。

进一步，所述采集节点与汇聚节点之间的数据传输采用防碰撞方案：

方案1：时间同步防碰撞；

采集节点在进行数据传输之前需要加入汇聚节点网络，入网之后采集节点的ID、IP和Actvity信息都保存在汇聚节点的缓存中，每个终端节点具体入网通信流程如下：

1)采集节点处于未入网状态时，定时发出入网请求广播，目标ID为0xffffffff，定时的值由定值Tnb+随机数，Tnb/10<随机数<Tnb来确定，请求包携带采集节点的硬件ID，如果未收到应答，则下一次切换信道发送请求；

2)汇聚节点收到入网请求，判断该采集节点是否已经入网，若有，则更新life并回发IP和时间戳，若没有，则发送新产生的唯一的IP再回发；

3)采集节点收到入网应答，获得IP和时间戳，完成入网，入网后会同步更新该时间戳，需要发送数据时，在时间戳后除以20取余，余等于IP的时刻发送数据，这样由于IP不一样，就可以避开节点间的发送碰撞；采集节点发送数据后会等待最多20ms来接收应答，如果节点连续三次发送数据都无应答，则重新寻网；

4)汇聚节点每收到一次采集节点的数据都需要更新其Actvity值为1，并回发应答，包含时间戳，以此校准采集节点自身定时器误差；

5)采集节点如果没有数据要发，需隔一段时间Ta发送心跳包，以更新其Actvity，汇聚节点需间隔2Ta对入网的采集节点Actvity属性值减1，当减到0时认为该节点已掉网，则从缓存删除。

方案2：随机通信防碰撞；

已入网的采集节点随时可以发送数据，若无应答，则认为碰撞，产生用于定时的随机数Tnb/10<随机数<2Tnb用于下一次重发，如果连续5次无应答，则认为该采集节点掉网，需要重新加入网络发送数据。

本发明的有益效果是能持续的采集数据，方便分析出病人体征数据的一个走向。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图；

图2是采集节点结构示意图；

图3是采集节点的热敏电阻连接示意图；

图4是汇聚节点结构示意图；

图5是本发明系统终端节点入网通信流程。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

该项目是把无线传感网新技术用于住院病人的体征检测管理。通过随身传感器采集体征数据，用无线方式汇总到总控制台，医护人员可以实时的观测所有病房的病人数据，及时发现数据预警并及时诊断处理，提高了医护管理的技术水平和工作效率。取代传统有线网络的无线传输方式可以灵活快速部署、省却布线施工的烦扰和人工成本，还可以重新配置网络节点和路径以满足医院现场布局的变动。

整个系统分为四个子系统：随身采集节点、汇聚节点、网关机、PC端管理系统。随身采集节点获取病人的数据，例如体温、脉搏等；每个房间的汇聚节点以无线方式汇总多个采集节点的相关数据；多个房间的汇聚节点组成无线主干链路，并通过网关机利用TCP/IP协议将所有数据上传到后台服务器；后台管理模块对收集到的实时数据进行分析，直观的展示给医护工作者。

该设计主要利用无线2.4G前端传输和无线433M主干传输，通过对两种无线传输技术的高度整合，使得在现有无线传感网的基础上，结合实际场合，真正的将无线传感网技术应用到了实际生活中。对于现在普遍的传感网架构而言，此设计最大的优点是充分利用了不同频率的传输特性，在整个系统中根据传输距离、功耗、功能选择使用不同的传输模式，使得整个系统在稳定性、拓展性、实用性上得到很大的提升。

系统组成如图1所示，采集节点为病人所携带，采集和传输传感器数据，采集节点通过无线方式连接汇聚节点，将采集到的数据送至汇聚节点，汇聚节点通过无线方式连接网关，将采集节点的数据转发至网关，网关通过TCP/IP协议将数据转发至后台服务器。

在实际应用中，每个病房内放置一个汇聚节点用于汇聚该病房内的所有采集节点以及在走廊内且靠近该汇聚节点的采集节点的数据。单个网关可以管理一定的汇聚节点的数据，考虑到医院病房较多，单个网关并不能即使处理这些数据，因此可以使用多个网关进行较多数量病房的管理。为保证每个病房与网关设备的可靠通信，网关设备应尽量安装在与住院大楼每一个房间没有较多墙壁阻挡的位置。

采集节点主要负责病人生命体征值(此处为体温)的采集和传输，较为重要的是低功耗、低成本和防碰撞通信。采集节点的初步功能为体温数据采集和传输，要求使用mf54NTC热敏电阻，其工作电流约0.1mA，成本小至可忽略不计。温度采样周期设定为1min，精度为0.1摄氏度。单个采集节点使用纽扣电池持续供电时间为一周，并且成本控制在10元以内。

采集节点的两种方案，分别是采用CC2541的方案和采用STM32F030F4P6(MCU)+LT8900(RADIO)的方案。两种方案如表1所示。

表1

采集节点的组成框图如图2所示。纽扣电池直接给无线芯片和MCU供电，热敏电阻通过MCU的IO口供电。在实现低功耗时，MCU发指令使无线芯片睡眠，然后MCU自己再休眠，而对于热敏电阻，仅仅在采集温度的前后给热敏电阻供电。热敏电阻电路如图3所示。热敏电阻接地和MCU的AD采集输入脚，再使用20k精密电阻将AD脚上拉至IO 1提供的电源电压。当测量时，IO 1置位高电平，电压等于电源电压(也是AD的满量程电压)，AD脚采集到的电压是热敏电阻和精密电阻的分压，AD采集分辨率是12bit。

采集节点采用空闲睡眠来实现低功耗，睡眠时间的基本单位是100ms，如果该睡眠周期内有事件处理，则该周期睡眠时间等于100ms减去事件处理事件。

采集节点睡眠方法是，发送指令让无线芯片进入睡眠模式(sleepmode)，然后写MCU自身寄存器进入STOP模式，进入STOP模式后，寄存器仍然保持，所有外设和CPU都停止工作(初睡眠定时器外)，通过定时器中断唤醒，无线芯片通过片选CS下降沿唤醒。节点在每一次醒来时，先将时间戳+1，然后判断是否有事件处理，如果有，则处理事件后进入睡眠，如果没有事件，则立即进入睡眠。

由于采集节点与汇聚节点之间的数据传输是多对一的传输，因此需要有防碰撞机制，两种方案来实现防碰撞：

入网：采集节点与汇聚节点建立通信关联。汇聚节点是网络发起者。

IP：采集节点入网后的由汇聚节点分配的在该汇聚节点网络里唯一的地址标识，类型为无符号char。

硬件ID：每个采集节点唯一的ID，该ID从MCU内部读出，一共4字节。

Actvity：入网的采集节点在汇聚节点缓存中的生命周期。如果为0，汇聚节点就会把该采集节点从本网络中注销，不会再响应该采集节点的数据包(入网请求除外)。

时间戳：用于时间同步的时间计数值，单位为100ms，下文中提到的时间都以此为单位，由汇聚节点产生初值。

Tnb：入网轮询间隔时间基数，在该方案中为10。

Ta：采集节点发送心跳包的间隔时间。在该方案中为50。

方案1：时间同步防碰撞。

采集节点在进行数据传输之前需要加入汇聚节点网络，入网之后采集节点的ID、IP和Actvity等信息都保存在汇聚节点的缓存中。每个终端节点具体入网通信流程如图5所示：

1)采集节点处于未入网状态时，定时发出入网请求广播(目标ID为0xffffffff)，定时的值由定值Tnb+随机数(Tnb/10<随机数<Tnb)来确定，请求包携带采集节点的硬件ID，如果未收到应答，则下一次切换信道发送请求。

2)汇聚节点收到入网请求，判断该采集节点是否已经入网，若有，则更新life并回发IP和时间戳，若没有，则发送新产生的唯一的IP再回发。

3)采集节点收到入网应答，获得IP和时间戳，完成入网。入网后会同步更新该时间戳，需要发送数据时，在时间戳后除以20取余，余等于IP的时刻发送数据，这样由于IP不一样，就可以避开节点间的发送碰撞。采集节点发送数据后会等待最多20ms来接收应答。如果节点连续三次发送数据都无应答，则重新寻网。

4)汇聚节点每收到一次采集节点的数据都需要更新其Actvity值为1，并回发应答，包含时间戳，以此校准采集节点自身定时器误差。

5)采集节点如果没有数据要发，需隔一段时间Ta发送心跳包。以更新其Actvity，汇聚节点需间隔2Ta对入网的采集节点Actvity属性值减1，当减到0时认为该节点已掉网，则从缓存删除。

方案2：随机通信防碰撞。

与方案1不同的是，该方案没有时间戳，已入网的采集节点随时可以发送数据，若无应答，则认为碰撞，产生用于定时的随机数(Tnb/10<随机数<2Tnb)用于下一次重发，如果连续5次无应答，则认为该采集节点掉网，需要重新加入网络发送数据。

方案1和方案2的采集节点都采用主动发起通信的方式工作，这样可以避免多余的监听接受，更节能。此外，病房之间也会存在信号交叉覆盖，并且由于系统采用的是2.4G无线传输方案，但是诸如wifi、蓝牙以及很多医疗器械等都是采用2.4G传输，因此为了减小碰撞域，在信道设计时需要避免这些设备，然后采用相邻几个病房采用不同的信道进行数据传输的方法来避免相同信道的两个房间有信号的交叉覆盖。又因为采集节点寻网需要各信道轮询，为了保证实时性，两次寻网的时间间隔基数Tnb设计为10，也就是1s，远小于需要发送数据的时间间隔。这样设计的结果是使寻网速度更快。

汇聚节点组成框图如图4所示，汇聚节点与采集节点采用2.4G通信，与网关通信采用433M通信。汇聚节点硬件选型方案为：lt8900(2.4G)+STM32F030K6T6(MCU)+si4463(433M)。BOM成本约为25元。433M模块采用的是si4463方案，穿墙能力较强，传输距离较远(1.2kbps，空旷处传输距离为2000m)。汇聚节点包含一根柱状天线，一个电源接口。汇聚节点软件运行RT_Thread多线程实时操作系统，以实时响应上层网关机和下层采集传感器的数据请求。

网关运行有TCP/IP协议栈，可自动获取或者手动配置IP，与PC采用网线直接或者间接链接，只要同在一个局域网即可。为减轻网络符合和增加传输实时性，单个网关最多可管理20个汇聚节点(也就是20个病房)，网关和汇聚节点之间的通信采用轮询方式，即网关逐个询问汇聚节点来获取汇聚节点需要发送的数据。轮询的顺序由汇聚节点的ID决定，汇聚节点的ID列表由PC传输给网关机。网关收到汇聚节点上传的数据后，通过UDP发送给PC。网关有一个RJ45接口，一根柱状天线，一个电源接口，和一个console配置接口。

网关设备硬件选型为：si4463+STM32F103RCT6+ENC28J60。BOM成本约为35元。ENC28J60是市面上几乎最便宜的集成MAC的以太网收发器，传输速率10Mbps，对于本应用，完全满足需求，软件上搭载RT_Thread多线程实时操作系统和lwip协议栈，是能满足该需求的性价比最高的软硬组合。

PC服务器负责与网关机通信和数据存储。另一部分是用户程序，主要功能是提供显示，报警，管理的用户交互功能。

PC后台软件使用UDP与网关通信，比起TCP，UDP通信更灵活自由，应用层数据包加校验和来实现排错机制。PC后台软件采用多线程服务器模式，使用TCP与前端用户程序通信。

用户程序同时运行多个实例，可同时供医生和护士使用，运行时需要登录。护士身份登陆后可以直接添加医生姓名，然后以此为过滤信息，从后台服务器中提取出该医生名下病人和其传感器数据，每行显示一个病人的数据。单击某个病人那一列可显示出其病人的当前温度信息和历史信息曲线。此外，对于每个病人，体温显示时可以设定相应的阈值(可以系统默认阈值也可以自行设定)，当超过此阈值时，该行数据以红色显示警示并能通过扬声器报警。值班护士通过显示的信息可以快速的定位到病房甚至病床进行及时的治疗护理。并且在下次登陆时，默认显示上次监测的信息。另外，当有新病人或者是病人出院时，护士可以增加或者删除该设备信息。当医生登陆时，在登陆时通过对比后台数据库，直接显示出当前自己名下病人的体温情况并可以查看历史信息。

系统中的每个节点都有唯一的硬件ID号，这可以从芯片中读取，并且无需人为设置，当使用新的汇聚节点时，可使用ID读取工具(本系统的额外辅助工具，USB接口，包含在本系统内，需要研发)。将ID读取工具插入PC的USB接口，将被读取的设备放置距离ID读取工具1米内。然后便可在PC端得到ID，工作人员可输入该汇聚节点即将安装至的病房房号，将其关联，并可设置其工作信道，注意距离相隔不足4米的病房信道不能相同。

当发放新的采集节点给病人时，与增加汇聚节点类似，不同处在于与ID关联的是病人名字和医生名字，且不需要设置信道。采集节点在结构上可以是预先装好电池，采用薄膜隔开电池正极的状态。当开始使用时，抽掉薄膜即可。采集节点有一个指示灯，正常工作时，绿色指示灯慢速闪烁，脱离网络时，快速闪烁。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.基于可穿戴节点的无线医疗传感网应用系统，其特征在于：

包括采集节点，采集节点通过无线方式连接汇聚节点，将采集到的数据送至汇聚节点，汇聚节点通过无线方式连接网关，将采集节点的数据转发至网关，网关通过TCP/IP协议将数据转发至后台PC服务器；

采集节点为病人所携带，采集和传输传感器数据；每个病房内放置一个汇聚节点用于汇聚该病房内的所有采集节点以及在走廊内且靠近该汇聚节点的采集节点的数据；汇聚节点与采集节点采用2.4G通信，与网关通信采用433M通信；采集节点包括MCU，MCU分别连接热敏电阻和无线芯片，纽扣电池给MCU和无线收发器供电，热敏电阻一端接地，另一端与MCU的AD输入管脚、20K电阻的一端连接在一起，20K电阻的另一端连接MCU的IO1端口；网关和汇聚节点之间的通信采用轮询方式，即网关逐个询问汇聚节点来获取汇聚节点需要发送的数据，轮询的顺序由汇聚节点的ID决定，网关收到汇聚节点上传的数据后，通过UDP发送给PC服务器；PC服务器负责与网关通信和数据存储，PC服务器的用户程序提供显示，报警，管理的用户交互功能；用户程序运行时需要登录，护士身份登陆后直接添加医生姓名，然后以此为过滤信息，提取出该医生名下病人和其传感器数据，每行显示一个病人的数据，单击某个病人显示出其病人的当前温度信息和历史信息曲线，对于每个病人，体温显示时设定相应的阈值，当超过此阈值时，该行数据以红色显示警示并能通过扬声器报警，值班护士通过显示的信息可以快速的定位到病房甚至病床进行及时的治疗护理，并且在下次登陆时，默认显示上次监测的信息，另外，当有新病人或者是病人出院时，护士增加或者删除该病人携带的采集节点设备信息，当医生登陆时，在登陆时通过对比后台数据库，直接显示出当前自己名下病人的体温情况和历史信息；

所述采集节点与汇聚节点之间的数据传输采用防碰撞方案：

方案1：时间同步防碰撞；

采集节点在进行数据传输之前需要加入汇聚节点网络，入网之后采集节点的ID、IP和Actvity信息都保存在汇聚节点的缓存中，每个终端节点具体入网通信流程如下：

1)采集节点处于未入网状态时，定时发出入网请求广播，目标ID为0xffffffff，定时的值由定值Tnb+随机数，Tnb/10<随机数<Tnb来确定，请求包携带采集节点的硬件ID，如果未收到应答，则下一次切换信道发送请求；

2)汇聚节点收到入网请求，判断该采集节点是否已经入网，若有，则更新life并回发IP和时间戳，若没有，则发送新产生的唯一的IP再回发；

3)采集节点收到入网应答，获得IP和时间戳，完成入网，入网后会同步更新该时间戳，需要发送数据时，在时间戳后除以20取余，余等于IP的时刻发送数据，这样由于IP不一样，就可以避开节点间的发送碰撞；采集节点发送数据后会等待最多20ms来接收应答，如果节点连续三次发送数据都无应答，则重新寻网；

4)汇聚节点每收到一次采集节点的数据都需要更新其Actvity值为1，并回发应答，包含时间戳，以此校准采集节点自身定时器误差；

5)采集节点如果没有数据要发，需隔一段时间Ta发送心跳包，以更新其Actvity，汇聚节点需间隔2Ta对入网的采集节点Actvity属性值减1，当减到0时认为该节点已掉网，则从缓存删除；

方案2：随机通信防碰撞；

已入网的采集节点随时可以发送数据，若无应答，则认为碰撞，产生用于定时的随机数Tnb/10<随机数<2Tnb用于下一次重发，如果连续5次无应答，则认为该采集节点掉网，需要重新加入网络发送数据。

2.按照权利要求1所述基于可穿戴节点的无线医疗传感网应用系统，其特征在于：所述采集节点睡眠方法：发送指令让无线芯片进入睡眠模式，然后写MCU自身寄存器进入STOP模式，进入STOP模式后，寄存器仍然保持，所有外设和CPU都停止工作，除 睡眠定时器外，通过定时器中断唤醒，无线芯片通过片选CS下降沿唤醒，节点在每一次醒来时，先将时间戳+1，然后判断是否有事件处理，如果有，则处理事件后进入睡眠，如果没有事件，则立即进入睡眠。