畢業(yè)論文--一種基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的設計與研究

1、<p>　　本科畢業(yè)論文（設計）</p><p><b>　　(2013屆) </b></p><p>　　一種基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的設計與研究</p><p>　　院 系 計算機科學與技術系 </p><p>　　專 業(yè) 計算機科學與技術 </p><p>　　姓

2、 名 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　職 稱 助 教 </p><p>　　一種基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的設計與研究</p><p><b>　　摘 要</b></p><p

3、>　　本文研究了遠程醫(yī)療領域的相關知識，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的新型遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)設計方案，該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術，使用人體傳感器采集病人生理信號并對其進行分析、處理，并通過Zigbee無線傳感網(wǎng)絡將生理數(shù)據(jù)傳送至控制端，由控制平臺再經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)竭h端醫(yī)療服務中心，供醫(yī)護人員實時監(jiān)控和診斷，從而實現(xiàn)對患者生理狀況的遠程實時監(jiān)護。Zigbee無線傳感網(wǎng)絡的設備節(jié)點處理器芯片采用最新的CC2530芯片，具備很好的抗干擾性和低功耗性能，可

4、較好地適應遠程監(jiān)護系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。</p><p>　　該遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)設計方案主要針對一些慢性病患者對于長期遠程醫(yī)療監(jiān)護的迫切需求而設計。系統(tǒng)可以為醫(yī)療人員遠程獲取準確的患者生理監(jiān)護數(shù)據(jù)，在很大程度上緩解醫(yī)療系統(tǒng)的工作壓力，并減輕慢性病患者在經(jīng)濟和心理上的多重負擔。隨著計算機、通信技術和物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，遠程醫(yī)療監(jiān)護會成為未來醫(yī)療服務領域的應用趨勢，文中所設計的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)方案在未來社會生活中具備

5、很好的應用前景。</p><p>　　關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) Zigbee 遠程醫(yī)療 CC2530芯片 傳感器</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This paper studied the knowledge in the field of telemedicine, a new type of rem

6、ote medical monitoring system based on Internet of things is put forward, the system uses the technology of the Internet of things, human body sensors are used to collect the patient’s physiological signals and analyze t

7、he results, and through the Zigbee Wireless senor network the physiological data will be transmitted to the control side, then the control platform transmit these data to a remote medical service cent</p><p>

8、;　　The remote medical monitoring system is mainly designed for some patients with chronic disease in urgent need of long-term remote medical monitoring. The System can help access to accurate physiological monitoring dat

9、a of patients, a large extent it relieves the pressure of the health care system and reduces the multiple burdens of chronic disease patients in the economic and psychological. With the rapid development of computer, com

10、munications technology and the Internet of things technology, r</p><p>　　Key words: The Internet of things Zigbee remote medical CC2530 chip sensor</p><p><b>　　目 錄</b></p>

11、<p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1物聯(lián)網(wǎng)與遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的概述1</p><p>　　1.2課題研究的背景和意義3</p><p>　　1.3遠程醫(yī)療的發(fā)展狀況4</p><p>　　1.3.1國外發(fā)展狀況4</p><p>　　1.

12、3.2國內(nèi)發(fā)展近況5</p><p>　　1.4論文的研究內(nèi)容和結構安排6</p><p>　　1.4.1論文的主要研究內(nèi)容6</p><p>　　1.4.2論文的結構安排7</p><p>　　第2章 無線網(wǎng)絡通信技術8</p><p>　　2.1無線傳感器網(wǎng)絡的簡述8</p><p

13、>　　2.2不同無線通信技術的對比與選擇10</p><p>　　第3章 基于Zigbee技術的無線通信網(wǎng)絡12</p><p>　　3.1 Zigbee技術簡介12</p><p>　　3.2 Zigbee通信技術原理及其拓撲結構12</p><p>　　第4章 遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的研究與設計17</p>&

14、lt;p>　　4.1遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的總體設計17</p><p>　　4.2遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的硬件設計19</p><p>　　4.3遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的軟件設計22</p><p>　　第5章 總結與展望25</p><p>　　5.1研究總結25</p><p>　　5.2工作展望25</

15、p><p><b>　　致 謝27</b></p><p><b>　　參考文獻28</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1物聯(lián)網(wǎng)與遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的概述</p><p>　　眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)時代正在迅速

16、向我們走來，它是21世紀信息技術的重要發(fā)展方向。其英文名被稱為“The Internet of things”。物聯(lián)網(wǎng)并非是一個全新的東西，它的核心和理論支持依然是互聯(lián)網(wǎng)，它是在互聯(lián)網(wǎng)層面上延續(xù)和擴展的任何物體與物體之間通過射頻天線技術、紅外遙感裝置和條形或二維掃描等信息傳感設備，按照事先約定好的協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)相連接并進行數(shù)據(jù)交換和通信的一種網(wǎng)絡[1]。物聯(lián)網(wǎng)簡易圖如下圖1-1。</p><p>　　圖1-1 物

17、聯(lián)網(wǎng)結構示意圖</p><p>　　從技術架構上來看，物聯(lián)網(wǎng)可以分為三層：感知層、網(wǎng)絡層和應用層。其中，感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關組成，它的作用相當于人的眼耳口鼻和皮膚等神經(jīng)末梢，它是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源。網(wǎng)絡層由各種有線和無線通信網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)等組成，相當于人的神經(jīng)中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的數(shù)據(jù)。應用層相當于物聯(lián)網(wǎng)與用戶之間的接口，它與具體的用戶和行業(yè)需求有關。</p>

18、<p>　　物聯(lián)網(wǎng)中的“物”并非傳統(tǒng)意義上的一般物體。能夠稱得上物聯(lián)網(wǎng)的“物”必須具備以下幾個特點：有相應的接收器和發(fā)送器；具備一定的存儲功能；有CPU；還要有專門的應用程序以及數(shù)據(jù)傳輸通道；在網(wǎng)絡中要有自己唯一的可以被識別的編號等。在物聯(lián)網(wǎng)時期，計算機將發(fā)展到與普通事物無法分辨，即形態(tài)上“普物化”、功能上“泛在計算”。只要在物體中嵌入一個芯片，就能讓該物體的有關信息通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸出去，同時還能利用遠程計算機對物體進行控制，那

19、是網(wǎng)絡將無所不在地融入人們的日常生活中，為人所用、為人不知，即“泛在網(wǎng)”。</p><p>　　物聯(lián)網(wǎng)的用途十分廣泛，遍及家居智能控制、智能存儲和運輸、環(huán)境保護與監(jiān)測、工業(yè)全自動化、軍隊一體化和遠程醫(yī)療監(jiān)護等眾多領域。可以說，物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)為遠程醫(yī)療提供給了良好的發(fā)展前景。物聯(lián)網(wǎng)應用領域圖表如下1-2所示。</p><p>　　圖1-2 物聯(lián)網(wǎng)的應用示意圖</p><p

20、>　　傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護體系往往不能將病人的情況及時、準確的反饋給醫(yī)療專家，而且受到時間和地點的限制，病人大都在指定的時間，指定的地點接受醫(yī)生的檢查，從而導致延時就醫(yī)和誤診。因此，急需要一種能對病人的身體狀況進行實時監(jiān)控的系統(tǒng)，將病人的生理信息及時準確的傳給醫(yī)生，做到及時發(fā)現(xiàn)、及時診斷、及時醫(yī)治，而且也不影響病人的正?；顒樱凰麄兡軌蛟谧匀粻顟B(tài)下接受檢測。遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的應用正好滿足了人們的需求，它可以讓病人遠離住院的痛苦、減輕患者

21、家庭的經(jīng)濟負擔，同時也緩解了就醫(yī)難、看病貴的問題。為把家庭作為醫(yī)療監(jiān)護的主要模式提供了可能性。</p><p>　　不同的時期人們對遠程醫(yī)療的理解和定義有所不同。早期因為受到各種技術的限制，遠程醫(yī)療僅僅被定義為：利用固定電話或電報對遠地病人實施的一種簡單的醫(yī)療處理。現(xiàn)如今隨著各種通信技術和計算機技術的發(fā)展，遠程醫(yī)療監(jiān)護的定義是：利用傳感器將采集到的病人生理信息數(shù)據(jù)或醫(yī)學信號通過電子信息技術和網(wǎng)絡通信技術傳輸?shù)结t(yī)院

22、的監(jiān)護中心并對數(shù)據(jù)和信號進行分析、處理，及時將分析結果反饋給醫(yī)生，以便醫(yī)生做出準確診斷和建議的醫(yī)療技術[2]。遠程醫(yī)療系統(tǒng)示意圖1-3。</p><p>　　圖1-3 遠程醫(yī)療系統(tǒng)示意圖</p><p>　　遠程醫(yī)療的發(fā)展已有40多年的歷史，它的發(fā)展歷程大概可以分為3個階段：第一階段也稱為萌芽階段從上世紀60年代初期到80年代中期，由于受計算機和通信技術的限制，主要利用電話或電報對那些不

23、能前來的遠地病人實施的一種簡單、特殊的醫(yī)療護理；第二階段也叫做革命性階段開始于上世紀80年代后期，因為通信技術的發(fā)展和不斷成熟，涌現(xiàn)出了一大批有價值的遠程醫(yī)療項目，國際各大知名醫(yī)院之間開展遠程醫(yī)學研究，探討各種疑難雜癥，各國國內(nèi)也增加醫(yī)學交流，建立并完善各自的遠程醫(yī)療水平；如今第三代遠程醫(yī)療時代亦稱高潮階段，正在不知不覺中向我們走來，這時期的遠程醫(yī)療正在向著微型化、多樣化、智能化、一體化等方向發(fā)展，更加自然地融入到人們的日常生活中。與前

24、二代遠程醫(yī)療相比，第三代遠程醫(yī)療具有如下得天獨厚的特征：通過公共通訊網(wǎng)絡提供服務，使醫(yī)療服務入口變得相對較容易些；提供了到桌面的圖形化界面服務，使維護變得比較簡單；多方位的立體化發(fā)展空間，項目的發(fā)展越來越趨于商業(yè)化，動機也變得更加單純化[3]。</p><p>　　1.2課題研究的背景和意義</p><p>　　近幾年，雖說國內(nèi)一直都在進行醫(yī)療體制改革，在縣級醫(yī)院實行醫(yī)院和藥房的分離體制。

25、但總體而言，公有制依然是目前國內(nèi)的大型醫(yī)院的主要形式，由于醫(yī)療制度和醫(yī)療資源分配上的原因，每個科室的醫(yī)療專家都喜歡集中在醫(yī)療環(huán)境和待遇較好的大醫(yī)院里，小醫(yī)院的醫(yī)療力量相對薄弱，山區(qū)的醫(yī)療設施更是簡陋至極。正是這些缺陷導致了看病難、看病貴等一系列長期困擾我們的問題，同時醫(yī)療資源的嚴重不足和分布不均衡，是國內(nèi)醫(yī)療的最大障礙。隨著人們生活質(zhì)量的逐漸提升，對各種需求都在不斷提升尤其是在醫(yī)療服務方面的要求，傳統(tǒng)的、單一的醫(yī)療方式已經(jīng)不能滿足人們的

26、醫(yī)療需要。因此，迫切需要一種新型醫(yī)療模式的出現(xiàn)，而此時計算機的迅速發(fā)展、網(wǎng)絡技術和傳感器的出現(xiàn)為遠程醫(yī)療的發(fā)展提供了機遇。遠程醫(yī)療系統(tǒng)的研究在醫(yī)療方面有著深遠的意義[4]：</p><p>　　很大程度上提高了基層醫(yī)院的醫(yī)療服務水平。一些相對較差的小醫(yī)院通過請大醫(yī)院的專家對病人進行會診，可以提高該醫(yī)院會診的準確率。</p><p>　　緩解了醫(yī)療人員和醫(yī)療器械分布不均衡的問題。更加合理有效

27、的發(fā)揮大醫(yī)院醫(yī)療專家的作用，同時緩解了大醫(yī)院的就醫(yī)壓力，避免了大型醫(yī)院出現(xiàn)就醫(yī)人員擁擠的情況。</p><p>　　曾加了醫(yī)療專家和醫(yī)護人員之間的交流機會。遠程醫(yī)學將在醫(yī)護人員與專業(yè)醫(yī)生交流的廣度和深度方面有很大的改善，給醫(yī)護人員更多的學習機會，同時也減少了不必要的開支。</p><p>　　減輕了患者家庭的醫(yī)療經(jīng)濟負擔，給患者更多的自由活動時間和空間。病人無需住院，省去了昂貴的住院費。同

28、時，減少了病人檢測使得恐懼感。</p><p>　　在特別危險環(huán)境下對患者的救治遠程醫(yī)療系統(tǒng)發(fā)揮了無可比擬的優(yōu)越性。提供及時的醫(yī)療信息和現(xiàn)場環(huán)境，讓病人與專家在第一時間接觸，了解病情以便專家做出及時診斷，減少病情拖延時間。</p><p>　　遠程醫(yī)學教育、遠程監(jiān)護、遠程診斷等都屬于遠程醫(yī)療的范疇，本文就是針對慢性病患者而提出的一種遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)設計方案，給患者帶來更加自由安心的生活，在

29、未來的社會生活中將有廣泛的應用前景。</p><p>　　1.3遠程醫(yī)療的發(fā)展狀況</p><p>　　1.3.1國外發(fā)展狀況</p><p>　　在遠程醫(yī)療系統(tǒng)的研究與發(fā)展過程中，美國和西歐這些發(fā)達國家的發(fā)展速度屬最快，他們起步比較早，國家的資金和技術的投入也比較大，因此遠程醫(yī)療技術要遠遠領先其它國家很多，同時也使得遠程醫(yī)療技術較早的在這些國家得到應用并完善，而且

30、他們采用的通信方式大多是利用衛(wèi)星通信和綜合業(yè)務數(shù)據(jù)網(wǎng)，在軍事醫(yī)學、遠程會診、遠程咨詢、遠程醫(yī)學信息的遠距離傳輸?shù)确矫嫒〉昧撕艽蟮倪M展。尤其是在遠程醫(yī)療系統(tǒng)中的一些子系統(tǒng)發(fā)展水平較高，比如醫(yī)院的信息化系統(tǒng)和患者的電子病歷以及圖片存檔等技術都相當?shù)某墒?。與國內(nèi)相比，雖說美國的遠程醫(yī)療雖然起步早，但其資產(chǎn)階級性質(zhì)的司法制度曾一度阻礙了遠程醫(yī)療的全面開展。</p><p>　　國外一些研究機構已經(jīng)研發(fā)并推廣類似傳感器床的

31、監(jiān)護設備，如圖1-4所示，該醫(yī)療監(jiān)護床能對病人的體溫和脈搏進行檢測。主要考慮到當病人睡覺時，放在身上的傳感器節(jié)點過于礙事，不能讓患者正常的休息，若將傳感器節(jié)點取下，則又無法測量患者夜間的生理信號變化情況，所以設計了這樣一種設備，即使病人在熟睡時，它的生理數(shù)據(jù)也會被實時監(jiān)護的。</p><p>　　圖1-4 具備傳感器的特殊床示意圖</p><p>　　把遠程醫(yī)療系統(tǒng)作為一個開放性的獨立的

32、分布式系統(tǒng)的概念，是美國人在1988年首次提出來。它囊括了三方面的技術，即全雙工的視聽通信技術、計算機網(wǎng)絡技術及傳感技術。目前在全世界范圍內(nèi)規(guī)模最宏大、覆蓋范圍又最廣的遠程醫(yī)療教育和遠程醫(yī)療網(wǎng)絡是坐落于美國的喬治亞教育醫(yī)學系統(tǒng)，它可以從事有線通信、無線通信和衛(wèi)星通信等3種通信活動，它的主要目的是進行遠程醫(yī)療教育活動，但遠程醫(yī)療網(wǎng)絡也是其中研發(fā)的一個重要組成部分。</p><p>　　除了美國之外，世界上許多其他發(fā)

33、達國家、發(fā)展中國家，甚至是相對落后的國家也都紛紛投入到遠程醫(yī)療的發(fā)展隊列。僅僅是歐洲及歐洲聯(lián)盟聯(lián)合組織就成立了4個關于生物醫(yī)學方面的工程基地實驗室、10個規(guī)模比較大的醫(yī)療研發(fā)公司、病理醫(yī)學實驗研發(fā)部門就有20多個以及由20個終端客戶共同投入?yún)⒓拥拇笠?guī)模遠程醫(yī)療系統(tǒng)推廣實驗項目，它們共同推動了遠程醫(yī)療的發(fā)展和普及。同時澳大利亞、中國、日本等國家也相繼開展了各種形式的遠程醫(yī)療活動。</p><p>　　1.3.2國內(nèi)

34、發(fā)展近況</p><p>　　根據(jù)發(fā)展階段的記載，電臺服務被公認是世界上最早時候的遠程醫(yī)療所采用的主要形式，其目的是用來向那些跨洋遠航游輪上的工作人員及游客提供突發(fā)性的應急醫(yī)療咨詢服務的。據(jù)有關資料記載，國內(nèi)最早一次的遠程醫(yī)學活動被普遍認為是1986年的時候廣州遠洋貨船上的工作人員利用電臺向有關醫(yī)療部門報告了該船上一名突發(fā)急診患者的病情，進而實現(xiàn)了國內(nèi)跨洋會診的先列[5]。但是國內(nèi)具有真正里程碑意義的遠程醫(yī)學活動

35、嚴格上來說是從上世紀80年代才開始的。例如：解放軍武警總醫(yī)院通過國家專用衛(wèi)星利用遠程衛(wèi)星通信技術與德國的一家知名醫(yī)院在1988年進行了一次有關神經(jīng)外科病例的研究討論。又如上海教育科研網(wǎng)和上海醫(yī)大聯(lián)合舉辦的遠程醫(yī)療會診項目與1995年正式啟動，并成功設立了遠程醫(yī)療會診研究室。運行在網(wǎng)絡上該項系統(tǒng)，具有極強的交互式動態(tài)圖像顯示功能[6]。</p><p>　　目前，國內(nèi)遠程醫(yī)療已經(jīng)和智能家居相結合，將遠程監(jiān)護設備嵌入

36、到智能家居中，對空氣質(zhì)量進行實時檢測，看它的指標是否適應患者居住，是否有對患者身體健康不利的成分。嵌入式監(jiān)護系統(tǒng)如下圖1-5所示。</p><p>　　圖1-5 嵌入到智能家居中的監(jiān)護系統(tǒng)示意圖</p><p>　　現(xiàn)階段，遠程醫(yī)療之所以在我國還沒有得到迅速推廣和普及，這主要是由于我國地大物博，各個區(qū)域發(fā)展不同步、貧富差距懸殊、昂貴的設備費用問題和人們薄弱的意識等原因引起的。尤其是農(nóng)村和

37、偏遠山區(qū)的居民對遠程醫(yī)療知之勝少，更是將其拒之門外。因此，低成本醫(yī)療系統(tǒng)的開發(fā)成為了當務之急。此外，那些職場人士或商人把更多的時間和心思花費在工作上，很少關心自己的身體狀況即使知道自己患有某種慢性病，但只要不影響他們的正常工作，很少定期去醫(yī)院接受檢查。遠程醫(yī)療系統(tǒng)同樣適用于職場和商業(yè)人士，對他們的身體狀況進行實時監(jiān)護，省去了去醫(yī)院的時間，同時也讓他們更加安心的工作。</p><p>　　1.4論文的研究內(nèi)容和結構

38、安排</p><p>　　1.4.1論文的主要研究內(nèi)容</p><p>　　本論文對遠程醫(yī)療的相關知識進行了研究，如何充分利用最新的物聯(lián)網(wǎng)技術，并將其和遠程醫(yī)療相結合起來，提高醫(yī)療資源的利用率，方便病人的日常生活及減輕病人的心理負擔和家庭費用壓力。針對當前國內(nèi)外在醫(yī)療領域的需求狀況，新型遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，尤其是基于無線傳感網(wǎng)技術高效便捷的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)有很好的應用前景。在新型遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)

39、的推廣下，慢性病患者和體弱的老年人可以更方便地進行醫(yī)療健康監(jiān)護，擺脫經(jīng)常性的繁瑣的就醫(yī)環(huán)節(jié)，可以很大程度上減輕醫(yī)院醫(yī)療資源的壓力，患者自身也可減小心理和經(jīng)濟負擔。</p><p>　　新型遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)采用了基于物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感技術，文中詳細分析研究了當前應用領域的無線通信技術和傳感器芯片，系統(tǒng)利用人體生理傳感器獲取生理信息，再用Zigbee技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)最終被傳輸?shù)结t(yī)院監(jiān)護室，由醫(yī)生對所獲信息進行診

40、斷和建議。系統(tǒng)設計中選擇抗干擾性和低功耗性能的CC2530芯片和低功耗、低成本的短距離無線通信Zigbee技術。為了保證病人數(shù)據(jù)準確、及時的傳輸?shù)结t(yī)院端，選擇傳輸可靠地TCP套接字作為該系統(tǒng)的傳輸控制協(xié)議，并詳細介紹了家庭終端控制平臺和醫(yī)療服務中心之間數(shù)據(jù)傳輸與控制的架構。</p><p>　　1.4.2論文的結構安排</p><p>　　論文的結構大致可以分為四個部分：第一部分是基礎，是

41、論文的開端；第二部分介紹基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的核心技術；第三部分為系統(tǒng)功能框架的整體設計，是論文的核心；第四部分為論文總結部分。論文各章的具體內(nèi)容安排：</p><p>　　第一章：緒論。該章介紹了物聯(lián)網(wǎng)和遠程醫(yī)療的概念和發(fā)展歷程，研究了當前國內(nèi)外最新研究現(xiàn)狀，詳細分析了遠程醫(yī)療技術對于社會生活生產(chǎn)的重大意義，并對本輪文做了提綱式簡介。</p><p>　　第二章:無線傳感器網(wǎng)絡簡

42、介和不同無線通信技術的對比與選擇，分析選擇Zigbee技術作為傳感網(wǎng)通信方式的優(yōu)勢。</p><p>　　第三章：重點介紹Zigbee技術，包括Zigbee概念的提出、Zigbee拓撲結構類型和協(xié)議結構以及各層的具體作用。</p><p>　　第四章：設計基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的整體架構，給出系統(tǒng)的設計思路，介紹硬件傳感器節(jié)點的設計方案以及軟件的功能模塊和設計方法。</p>

43、;<p>　　第五章：總結和展望。對本文的設計做分析總結，分析該課題研究的相關內(nèi)容以及未來發(fā)展前景。</p><p>　　第2章 無線網(wǎng)絡通信技術</p><p>　　2.1無線傳感器網(wǎng)絡的簡述</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展過程大致分為三個發(fā)展階段：從最初的傳感器發(fā)展階段，到無線傳感器的發(fā)展階段，再到無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn)。這里所謂的無線傳

44、感器網(wǎng)絡就是指由那些被布控在待監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的、廉價微小型的、低功耗的傳感器節(jié)點構成的利用無線通信方式而形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡[7]。通常在無線傳感器網(wǎng)絡中，獲取信息的感應器、被感知對象、信息的獲取者以及數(shù)據(jù)的傳輸技術等四個要素必然被包括。其中，獲取信息的感應器一般是由電源模塊、感知部件、處理器模塊和軟件等幾個部分組成，它們之間相互協(xié)調(diào)作用，共同完成對外界信息的感知，它是無線傳感器網(wǎng)絡的基礎，主要負責數(shù)據(jù)的采集；被感知的對象即無線傳

45、感器網(wǎng)絡的檢測對象，它是技術攻克的關鍵所在，因為其決定了無線傳感器應用領域的范疇，所以急需各種感應器件的研發(fā)；信息的獲取者即無線傳感器網(wǎng)絡的檢測者，他是傳感信息的接收者和控制命令的發(fā)送者，主要負責數(shù)據(jù)的讀取、分析和報告，不可或缺；數(shù)據(jù)傳輸技術是整個無線傳感器網(wǎng)絡的核心，它決定所接受到的數(shù)據(jù)能否準確、及時的被傳送出去以及傳輸所用的協(xié)議。</p><p>　　目前，國內(nèi)已經(jīng)研發(fā)了一大批具有自主知識產(chǎn)權的無線傳感器網(wǎng)絡

46、芯片。下圖2-1是2006年10月無線傳感網(wǎng)絡的第一代匯聚節(jié)點；2008年11月又研制出了實現(xiàn)Zigbee協(xié)議和WLAN互聯(lián)的網(wǎng)關原型，如下圖2-2。</p><p>　　圖2-1 節(jié)點芯片示意圖</p><p>　　圖2-2 網(wǎng)關節(jié)點示意圖</p><p>　　與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡相比，無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展之所以如此迅速是因為其有獨特的特點優(yōu)勢：1.網(wǎng)絡的動態(tài)自組織性

47、。在傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的節(jié)點并非是靜態(tài)的靠人為設定的，而是一種動態(tài)的。只要在有效的距離范圍內(nèi)，感應器節(jié)點就會自動的進行網(wǎng)絡自組織，新節(jié)點會自動的加入到傳感器網(wǎng)絡中并進行正常的通信。2.多跳的路由功能。因為節(jié)點受通信距離的限制，由于距離過遠，當終端節(jié)點無法與協(xié)調(diào)器節(jié)點直接進行通信時，此時就需要由其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)完成數(shù)據(jù)的傳輸，則該節(jié)點就相當于路由節(jié)點。3.動態(tài)的網(wǎng)絡拓撲結構。傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點可能因為能源耗盡或其它機械故障等原因而終止工作，這些因素

48、都會讓無線傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸路徑發(fā)生改變，即網(wǎng)絡拓撲結構發(fā)生改變。</p><p>　　一般而言，傳感器通常被要求放在那些有危險的地方或是人力根本無法完成的大量布置區(qū)域，如：機器人放置或飛機投擲。這就要求其不僅具備自組織能力、動態(tài)網(wǎng)絡拓撲和多跳路由功能，而且要求傳感器硬件能夠適應各種不同的惡劣環(huán)境，具有很好的容錯性和魯棒性。下圖2-3為無線傳感器體系結構圖示。</p><p>　　圖2-

49、3 無線傳感器網(wǎng)絡體系結構示意圖</p><p>　　2.2不同無線通信技術的對比與選擇</p><p>　　如今普遍使用的無線通信技術有：無線局域網(wǎng)、Wi-Fi、藍牙、移動通信等，而Zigbee技術是最近幾年才剛剛發(fā)展起來的一種短距離無線通信標準?，F(xiàn)從傳輸速率、覆蓋距離、電池壽命等幾個方面對這各種無線通信方式的比較[8]。</p><p>　　紅外線：信號不是特

50、別強，不僅極易受到距離和角度的制約，而且不具備穿透性。</p><p>　　Wi-Fi：無線保證局域網(wǎng)，最大的好處是上網(wǎng)方便，只要在無線覆蓋區(qū)域內(nèi)，可以隨時隨地上網(wǎng)。它是一種無線電波，容易受到其他電波的干擾性，在安全性方面也不如藍牙，上網(wǎng)費用還是比較適中，但它的發(fā)展卻受到限制，因為真正需要隨時隨地上網(wǎng)的人，不是那么多，大部分人還在呆在家里面或是辦公室里采用固定上網(wǎng)的方式。</p><p>

51、　　藍牙：網(wǎng)絡覆蓋的半徑范圍比較小一般在10米之內(nèi)且相當耗電，但它可以穿透物體，安全性也比較高。</p><p>　　移動通信：覆蓋范圍有幾公里甚至幾十公里，信號質(zhì)量也可以，它最大的缺點就是成本價格相當較高，不適合一般用戶。</p><p>　　Zigbee：功耗、成本都相對較低，適合短距離和慢通信而且容易非常安裝，比較適合大規(guī)模布置。</p><p>　　幾種常用

52、無線通信技術對比表格如下圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4 各種無線通信技術對比圖示意圖</p><p>　　通過以上數(shù)據(jù)表中對各種不同的無線通信技術的比較，不難看出，Zigbee正好填補低端無線通信的空缺。它具有傳統(tǒng)無線遙感技術不可逾越的優(yōu)點:</p><p>　　較低的功耗，省電。工作周期短、功耗較低，采用了休眠模式，當沒有數(shù)據(jù)傳輸時便進入休眠模式減

53、少功耗。預計普通的2節(jié)五號電池就可以保證單節(jié)點的使用時間長達6個月至2年左右。</p><p>　　節(jié)點成本比較低。Zigbee聯(lián)盟制定的Zigbee協(xié)議是免專利費使用的，且終端節(jié)點的設計相對來說比較簡單，減去了一些不必要的模塊，進而降低整個網(wǎng)絡成本。</p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸速率較合適。一般從10K字節(jié)/秒到250K字節(jié)/秒，主要用于低速傳輸，適合那些對速度要求不是特別敏感的網(wǎng)絡。&

54、lt;/p><p>　　網(wǎng)絡節(jié)點的容量較大。雖然單節(jié)點覆蓋范圍有限，一般不超過７５米，但由于其具備很好的網(wǎng)絡自組織能力，便于網(wǎng)絡的擴展，每個Zigbee網(wǎng)絡可支持多達200個協(xié)調(diào)器設備，而且每個協(xié)調(diào)器設備又可以連接60000多個終端節(jié)點。</p><p>　　網(wǎng)絡延時小。Zigbee的響應速速比較快，從休眠模式進入啟動模式或從激活模式轉(zhuǎn)入休眠模式都只需要15ms,且搜索設備時的延時也只有30m

55、s。相比較而言，藍牙和Wi-Fi則需要3s以上。</p><p>　　可靠性。為了避免發(fā)送數(shù)據(jù)時出現(xiàn)的沖突或競爭，采用了載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免策略，即發(fā)送前先檢測信道，檢測到信道無信息傳輸時就開始本次傳輸，當檢測到信道有數(shù)據(jù)傳輸時，則延時一段時間在檢測信道。</p><p>　　第3章 基于Zigbee技術的無線通信網(wǎng)絡</p><p>　　3.1 Zigbe

56、e技術簡介</p><p>　　人們之所以取名為Zigbee是根據(jù)蜂群的交流方式來命名的:當一只蜜蜂發(fā)現(xiàn)食物時，它會通過跳Zigzag形狀的舞蹈來傳遞發(fā)現(xiàn)食物的信息，以便達到食物源的方向、位置和距離的共享，為其他蜜蜂指路[9]。</p><p>　　Zigbee技術主要應用于無線個人局域網(wǎng)領域，它是在IEEE 802.15.4無線協(xié)議標準的基礎上研制開發(fā)的。它是一種可以提供給固定的、便攜的

57、或移動設備使用的極低復雜度、較低成本和低能耗的無線網(wǎng)絡連接技術。在Zigbee網(wǎng)絡中，根據(jù)節(jié)點設備所具有的通信能力和燒入其中的程序，可以將節(jié)點分為全功能設備和精簡功能設備兩大類，即主節(jié)點和子節(jié)點，而且在Zigbee網(wǎng)絡中的所有子節(jié)點必須通過主節(jié)點（亦稱：網(wǎng)關）才能向外發(fā)送和接受外部信息。</p><p>　　3.2 Zigbee通信技術原理及其拓撲結構</p><p>　　3.2.1 Zi

58、gbee協(xié)議結構</p><p>　　起初人們使用的大都是遠距離有線或無線通信技術，但是隨著通信技術的發(fā)展，人們迫切需要一種能在距離自身很近的范圍內(nèi)的短距離無線通信技術。為了滿足人們的需要，在1998年3月，美國電氣電子委員會成立了IEEE802.15工作小組，該小組專門從事短距離無線通信技術的研究，其中IEEE802.15.4就是該組織研究的一種無線個人局域網(wǎng)。但是對于這個無線個人局域網(wǎng)他們只定義了物理層和媒體

59、訪問控制層，因此它具有很好的開放性。Zigbee協(xié)議棧就是建立在IEEE802.15.4定義的物理層和媒體訪問控制層的規(guī)范之上；其中網(wǎng)絡層和應用規(guī)范層的協(xié)議就是由Zigbee聯(lián)盟自行定義的，而且它們是免費開放的；應用層則是由用戶根據(jù)自己需求而定義，因此極大的方便了用戶的使用[10]。Zigbee協(xié)議棧的架構圖如3-1所示。</p><p>　　圖3-1 Zigbee協(xié)議棧層次圖</p><p

60、>　　同OSI一樣，Zigbee協(xié)議棧也是一種層次式的協(xié)議結構。在Zigbee的層次協(xié)議結構中，每一層都是通過使用它的下一層所提供的服務并加入該層自己的特有功能共同完成數(shù)據(jù)的封裝，同時利用接口向它的上一層提供必要的服務，所有的這些服務都是設備中的實體通過發(fā)送那些不能被中斷的服務原語來實現(xiàn)的。常用的服務原語主要分為以下4種類型：請求原語、指示原語、響應原語和確認原語。Zigbee協(xié)議棧中的每一層具體的功能介紹如下[11]：</

61、p><p>　　最底層物理層由射頻收發(fā)模塊（相當于天線）和控制模塊2個主要部分共同構成，利用物理層的數(shù)據(jù)服務接入點和物理層的服務管理接入點同MAC層進行數(shù)據(jù)通信。該層的主要工作任務是：負責數(shù)據(jù)的發(fā)送和數(shù)據(jù)接受；利用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免技術進行信道沖突檢測；控制無線收發(fā)機的啟動和終止工作等。</p><p>　　MAC層與物理層之間的通信主要是通過PLME-SAP和PD-SAP進行的，況且

62、MAC層可以支持多種不同的邏輯鏈路控制協(xié)議標準。它的主要作用是：產(chǎn)生數(shù)據(jù)幀并進行幀的同步；具備對數(shù)據(jù)的檢錯和糾錯功能，從而保證了傳輸數(shù)據(jù)的可靠性等。</p><p>　　網(wǎng)絡層是傳感器網(wǎng)絡中各節(jié)點之間進行正常通信的必不可少的重要環(huán)節(jié)，Zigbee協(xié)議的網(wǎng)絡層主要實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡中節(jié)點的自動組建功能。其中，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)服務實體和服務管理實體是網(wǎng)絡層必須提供的2個實體，除此以外網(wǎng)絡層還負責提供一些必要的函數(shù)確保MAC層能

63、正常工作。</p><p>　　應用層主要由三個部分組成：它們分別為應用支持子層、Zigbee設備對象（包括ZDO管理平臺）和用戶應用層。其中應用支持子層負責鄰居設備的發(fā)現(xiàn)與綁定；Zigbee設備對象用來接收并處理遠程控制不同的請求；用戶應用層負責程序的燒入，節(jié)點的性質(zhì)就是根據(jù)載入的程序確定的。</p><p>　　3.2.2 Zigbee網(wǎng)絡拓撲結構</p><p&g

64、t;　　基于Zigbee協(xié)議的網(wǎng)絡總的來說有三種基本結構類型，而且在所有的網(wǎng)絡拓撲中，至少含有兩個必要的組成部分：協(xié)調(diào)器（FFD）和終端設備(RFD)。有時候根據(jù)人們的需要，為了擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍，還可以適當?shù)脑黾勇酚晒?jié)點[12]。</p><p><b>　　星型拓撲結構</b></p><p>　　在星型網(wǎng)絡拓撲結構中包括一個Zigbee協(xié)調(diào)器即全功能設備和一個或

65、多個終端設備即精簡功能設備。在這種結構中，每個不同終端設備之間要想通信都必須通過協(xié)調(diào)器節(jié)點來完成。因此主節(jié)點的工作量相對較大，耗電量也比一般節(jié)點多，而且如果協(xié)調(diào)器發(fā)生故障，則整個Zigbee網(wǎng)絡就處于癱瘓狀態(tài)，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃员容^差，一般不采用這種方式。Zigbee的星型結構如下圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 Zigbee星型拓撲結構示意圖</p><p><b&

66、gt;　　樹型拓撲結構</b></p><p>　　樹型網(wǎng)絡結構，亦可理解為層次式的網(wǎng)絡結構。在這種網(wǎng)絡中，終端設備可能直接連上Zigbee協(xié)調(diào)器，也可能和路由器相連接。此處路由器的主要功能是為了增加Zigbee網(wǎng)絡中終端節(jié)點的數(shù)量和擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍。很明顯它是對星型拓撲結構的改進，擴大了網(wǎng)絡的覆蓋范圍，但是由于終端節(jié)點和路由節(jié)點都要通過協(xié)調(diào)節(jié)點，這樣協(xié)調(diào)節(jié)點里的路由表就比較多，查找路由表時它的工作

67、量也會相應的增加，而且當協(xié)調(diào)節(jié)點出現(xiàn)問題，真?zhèn)€網(wǎng)絡依然會癱瘓，可靠性還是得不到保障。Zigbee網(wǎng)絡的樹型拓撲結構如下圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 Zigbee樹形拓撲結構示意圖</p><p><b>　　圖型拓撲結構</b></p><p>　　圖型網(wǎng)絡結構比星型網(wǎng)絡結構和樹型網(wǎng)絡結構復雜的多，在圖型網(wǎng)絡拓撲結構中一個FF

68、D節(jié)點可以直接與另外圖形網(wǎng)絡拓撲結構中的FFD設備進行消息通信，而且每個網(wǎng)絡結構中的子節(jié)點之間要想發(fā)送消息則必須經(jīng)過它的父節(jié)點才可以。網(wǎng)狀拓撲結構的好處是可以減少消息的反應時間，增強節(jié)點之間的信息交換，同時保證消息的可靠性。與星型拓撲結構和樹型拓撲結構相比，網(wǎng)狀結構有明顯的優(yōu)勢：不僅可以擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍，而且即使協(xié)調(diào)節(jié)點能量耗盡或是出現(xiàn)硬件故障，數(shù)據(jù)可以選擇其他的路徑進行傳輸即具備很好的動態(tài)網(wǎng)絡拓撲結構。Zigbee網(wǎng)絡的圖型拓撲結構

69、如下圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 Zigbee星型拓撲結構示意圖</p><p>　　通過對以上3種不同的網(wǎng)絡拓撲結構的比較，可以看出星型網(wǎng)絡拓撲結構屬于單跳型網(wǎng)絡，樹型網(wǎng)絡拓撲結構和圖型網(wǎng)絡拓撲結構屬于多跳型網(wǎng)絡。實際應用中對不同網(wǎng)絡拓撲結構的選擇是根據(jù)終端節(jié)點距離協(xié)調(diào)節(jié)點的相對位置以及系統(tǒng)的需求而選定的。由于Zigbee網(wǎng)絡是一種屬于多通道的網(wǎng)絡，因此網(wǎng)絡中的每一個節(jié)

70、點都要有合適的通道作為傳輸媒介。為了保障數(shù)據(jù)的可靠傳輸，Zigbee網(wǎng)絡中大多采用圖型拓撲結構，本論文中的基于Zigbee的無線通信網(wǎng)絡采用的就是圖型拓撲結構。</p><p>　　第4章 遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的研究與設計</p><p>　　4.1遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的總體設計</p><p>　　如今市面上已經(jīng)有了許多諸如脈搏測量儀、血壓測量計等醫(yī)療保健、監(jiān)護儀器，這

71、些醫(yī)療設備可以很方便的對病人的生理數(shù)據(jù)進行采集并分析，反饋測試報告。如下圖4-1所示。</p><p><b>　?。?）脈搏測量儀</b></p><p><b>　?。?）血壓測量儀</b></p><p>　　圖4-1 脈搏、血壓節(jié)點示意圖</p><p>　　雖說這些設備也能對病人的病情進

72、行監(jiān)護和報告，但是他們都還只是相當于一個智能終端，僅負責患者生理數(shù)據(jù)的采集，然后通過顯示屏顯示出來供患者自己參看，并不能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程醫(yī)院，供醫(yī)護人員參考。另外市面上的這些設備價格相對較高，一般都要幾百塊錢，因此對于普通家庭特別是農(nóng)村和邊遠山區(qū)的居民而言很少有人會熱衷于這樣的醫(yī)療設備，這些設備的購買人群主要集中在大、中城市而且是那些善于保健的人。再者，這些醫(yī)療設備過于單一，并不能區(qū)分不同程度的患病人群，也不會根據(jù)患者的實際情況進行實時

73、調(diào)整，固利用這些醫(yī)療設備檢測病人的生理數(shù)據(jù)，其準確性還受到限制，只能說是對病情大致情況的了解。</p><p>　　針對目前市面上醫(yī)療監(jiān)護的缺陷，可以將最新的物聯(lián)網(wǎng)技術應用于遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中，從而改善和提升整個監(jiān)護系統(tǒng)的性能。簡而言之，就是通過傳感器將血壓、脈搏和血糖等生理特征連上互聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)患者的生理數(shù)據(jù)可以與不同的醫(yī)護人員共享。這樣就避免了一些錯誤的判斷，因為患者可能對一些生理數(shù)據(jù)的參數(shù)并不是很理解，如

74、果觀察結果只供給他們自己看，很多時候他們無法理解其中的意思，有事可能導致他們誤解了生理顯示參數(shù)，而做出一些不恰當?shù)奶幚?。利用互?lián)網(wǎng)將生理數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程醫(yī)院端，可以讓醫(yī)護人員做出準確判斷，這樣更有利于患者的病情。因此，經(jīng)過仔細認真的研究、分析與總結，最終提出了如圖4-2所示的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的整體架構圖。</p><p>　　圖4-2 遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)整體結構示意圖</p><

75、p>　　該監(jiān)護系統(tǒng)中，病人身上的各種不同類型的傳感器節(jié)點用來采集病人的各種不同生理指標，比如脈搏、血壓、血糖、呼吸等，所獲取的數(shù)據(jù)信息通過無線通信方式傳輸出去，在這里為了降低成本和盡可能長時間的使用設備，我使用的是短距離Zigbee無線通信技術，將采集到的患者生理數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)節(jié)點。此處的協(xié)調(diào)器節(jié)點就相當于一個醫(yī)療數(shù)據(jù)中樞模塊，其中包括Zigbee通信協(xié)議、數(shù)據(jù)信息的記錄和控制系統(tǒng)等部分，可以將傳感器采集到并發(fā)送過來的患者

76、數(shù)據(jù)信息進行適當處理和保存。處理后的生理數(shù)據(jù)信息可以利用TCP套接字技術通過互聯(lián)網(wǎng)傳送到遠程的醫(yī)療服務平臺，再由醫(yī)護人員從醫(yī)療服務平臺中取出數(shù)據(jù)來統(tǒng)計和分析，以便及時對病人的病情進行了解。這里的數(shù)據(jù)可以雙向傳輸，一方面，數(shù)據(jù)全部自動被傳輸?shù)结t(yī)院端，另一方面，醫(yī)生可以根據(jù)需要，自行從服務平臺的數(shù)據(jù)庫中提取病人的數(shù)據(jù)，這樣醫(yī)生可以查看某個病人這一個月的生理參數(shù)的變化或同一種病對不同人群的影響。當發(fā)現(xiàn)有病人出現(xiàn)異常時，通過電話聯(lián)系病人提出忠告

77、和建議或讓患者直接來醫(yī)院接受進一步的檢測。這種設計方法的好處是：可以給患者更多的自由時間，不必每天還要惦記哪天去醫(yī)院做檢查，同時也減輕</p><p>　　該醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的設計充分考慮到了以下幾方面的需求：1.由于病人的生理特征多種多樣，這就對傳感設備提出了高要求，適應不同病理的設備亟待開發(fā)。2.普通的PC機難以存儲龐大的數(shù)據(jù)，因此大型服務器也是必須的。3.病人不同的生理數(shù)據(jù)需要不同的處理軟件，高可靠、高精確的處

78、理軟件也是不可或缺的。4.病人電子檔案的建立，便于不同醫(yī)院、不同醫(yī)生對病人的交互診斷和病人信息的共享。</p><p>　　4.2遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的硬件設計</p><p>　　4.2.1節(jié)點芯片的選擇</p><p>　　目前市場上生成Zigbee芯片的廠商有JENNIC、FREESCALE、MICROCHIP等，但這些公司都使用自己公司研發(fā)的處理器芯片，這樣開發(fā)

79、人員學習起來相對較吃力。本論文中用到的所有傳感芯片都是TI公司研制的芯片，它使用了最原始的8051CPU，對初學者來說學習起來相對簡單，而且容易找到相關資料也易向人請教。</p><p>　　在遠程監(jiān)護系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點負責病人生理數(shù)據(jù)的采集和傳輸，但由于傳感器節(jié)點和路由節(jié)點的數(shù)據(jù)處理量相對較小，人體傳感節(jié)點數(shù)量也較多且網(wǎng)絡可靠性要好。TI公司最新研發(fā)的CC2530芯片能夠以非常低的總材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點，

80、固適合應用與建立遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。CC2530芯片如下圖4-3。</p><p>　　圖4-3 CC2530芯片示意圖</p><p>　　CC2530芯片有21個可編程的I/O端口，用于信號的輸入和輸出或地址總線；6個電源模擬AVDD端口，用于2V~3.6V外界模擬電壓的連接；40號引腳接1.8V數(shù)字電源去耦電路；32和33號引腳為數(shù)字I/O模擬端口；30號引腳為模擬I/O參考電流的外

81、部精密偏置電阻；25和26號引腳分別為正、負RF輸入信號到LAN（低噪聲放大器）,22和23號引腳是晶振引腳，晶振的頻率設置與串行通信的波特率有關；20號引腳為復位端，當出現(xiàn)故障或死機時可以重新啟動。</p><p>　　8051單片機有5個中斷源，優(yōu)先級從高到底一次為外部中斷0，定時器0、外部中斷1、定時器1和串行口。8051CPU誕生快40年，隨著芯片科技的發(fā)展8051也在不斷完善和提升，CC2530使用的是

82、增強型的8051CPU，它在低功耗、高速度和低噪聲等方面與之前的8051都有了質(zhì)的飛躍，可以和2.4GHz的Zigbee無線收發(fā)電路完美的配合工作，不會對高頻無線通信產(chǎn)生影響。CC2530芯片的主要特性[13]：</p><p>　　強大無線前端。2.4GHz IEEE802.15.4標準射頻發(fā)射器，出色的接受靈敏度和抗干擾能力。</p><p>　　低功耗。接收模式24毫安，發(fā)送模式29

83、毫安。</p><p>　　微控制器。高性能和低功耗8051微控制器內(nèi)核。</p><p>　　外設。強大五通道DMA，CSMA/CA硬件支持，AES加密安全協(xié)處理器。</p><p>　　應用。Zigbee系統(tǒng)/樓宇自動化，低功率無線傳感器網(wǎng)絡。</p><p>　　CC2530芯片電路圖如下圖4-4。</p><p&g

84、t;　　圖4-4 CC2530芯片開發(fā)板示意圖</p><p>　　4.2.2節(jié)點的組成及其個個模塊的功能</p><p>　　傳感器網(wǎng)絡中的終端節(jié)點通常主要由傳感器模塊、能源供應模塊、處理器模塊和射頻傳輸模塊四部分硬件組成。節(jié)點結構圖如下4-5所示。</p><p>　　圖4-5 傳感器節(jié)點內(nèi)部結構示意圖</p><p>　　由于該論文

85、是關于遠程醫(yī)療方面的，脈搏、血壓、血糖等節(jié)點最終都要佩戴在患者身上，所以節(jié)點的體積和和重量要適中，且不能影響患者的日常生活和行動。該醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中，節(jié)點的實現(xiàn)是以8051處理器單元為核心的；由電源模塊給其他各模塊提供電能。其中，傳感器單元負責采集需要的人體生理數(shù)據(jù)，由于人體的脈搏、血糖和血壓等生理信息是連續(xù)的波形信號，所以需要A/D轉(zhuǎn)換器將人體模擬信號轉(zhuǎn)換為處理器芯片能夠接受并處理的數(shù)字信號；能源供應單元主要是提供能量來源，由兩節(jié)1.5

86、V的堿性電池夠成，以保障節(jié)點的正常工作，隨著技術的日趨發(fā)展成熟今后還會改用微型紐扣電池，以進一步減小節(jié)點的體積；處理器單元負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、功耗管理和任務管理等，可以說它是真?zhèn)€傳感器節(jié)點的大腦中樞；傳輸單元主要負責節(jié)點之間的無線通信和數(shù)據(jù)交換，它相當于一個射頻天線，作為無線收發(fā)模塊，CC2530芯片集成了領先的 2.4GHz射頻收發(fā)器的優(yōu)良性能，該頻率符合IEEE802.15.4所定義的物理層和MAC層標準[14]。

87、</p><p>　　CC2530接收器是一個低中頻的接收器，由內(nèi)置的片式天線接收射頻信號通過低噪聲放大器放大，然后在正交變換下變頻為2MHz的中頻信號，形成正交信號和同向信號。這2路信號經(jīng)過濾波器、放大器，再由ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后再對數(shù)字信息進行必要的處理（包括自動增益控制、解調(diào)、信道過濾以及同步幀等）即完成了對數(shù)據(jù)的接收。CC2530的發(fā)送器是一種基于升頻的變頻器，接收到的信號放在一個執(zhí)行先進

88、先出(FIFO)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，采用DMA（直接存儲器訪問）方式來進行緩沖區(qū)與存儲器之間的數(shù)據(jù)交換。因為MAC層生成的數(shù)據(jù)幀的前道符合開始符，傳輸?shù)男盘栃枰凑罩苯有蛄袛U頻方式進行調(diào)制后，再傳輸?shù)絻陕窋?shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）將其轉(zhuǎn)化成模擬信號，模擬信號又經(jīng)過低通濾波器將信號傳遞給正交相移升頻混頻器，最后，模擬射頻信號經(jīng)過低通濾波器直接變頻到設定的頻道上，再經(jīng)天線由設定的頻率將信號發(fā)送出去。</p><p>　　4.3

89、遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的軟件設計</p><p>　　4.3.1應用開發(fā)工具IAR</p><p>　　由于剛買來的所有節(jié)點都是一樣的，并不區(qū)分主節(jié)點和子節(jié)點。通過向節(jié)點芯片中寫入不同的程序來加以區(qū)分各個節(jié)點的具體功能。這里就涉及到軟件的開發(fā)工具，IAR的C或C++編譯器和調(diào)試器是現(xiàn)今世界上最完整的和最容易使用的嵌入式應用開發(fā)工具。盡管IAR是一款需要付費的軟件，但與其他免費的編譯相比，它的優(yōu)勢

90、在于經(jīng)IAR編譯器軟件編譯而生成的可執(zhí)行代碼能夠運行在尺寸更小、成本更低的處理器上，因此它得到了廣泛的應用[15]。論文中涉及到的節(jié)點要求低成本、低功耗，正好IAR符合開發(fā)設計要求。應用IAR作為開發(fā)環(huán)境首先應新建一個工作區(qū)，在該工作區(qū)中根據(jù)開發(fā)需要可以創(chuàng)建一個或多個工程。在一個工程中建立相應的程序文件，再在該文件中編輯相應的代碼，IAR最大的好處是提供了程序頭部框架，只需在函數(shù)內(nèi)寫入主要代碼即可，極大的方便了程序的編寫。程序編寫好之后

91、在沒有出現(xiàn)報錯提示的前提下，然后開始調(diào)試編寫好的程序，并不斷糾正其中的Bug，最后將編譯生成的無誤的可執(zhí)行代碼燒寫到CC2530節(jié)點中，節(jié)點就具備相應的功能并能完成具體的命令。IAR軟件界面圖如下4-6所示。</p><p>　　圖4-6 IAR軟件界面示意圖</p><p>　　4.3.2 PC機上的控制軟件</p><p>　　PC機接收到病人的生理數(shù)據(jù)之后，

92、需要與遠程醫(yī)院終端電腦進行通信將數(shù)據(jù)傳輸過去。套接字是支持TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡通信的基本操作單元，是通信的基石。它用來表示兩個參與者之間連接的端點，在所有套接字場合中，兩個參與者分別是客戶端和服務器端。客戶端主動請求與服務器建立連接，而服務器端則別動等待連接的到來。</p><p>　　該系統(tǒng)中，患者家中的PC機和醫(yī)院的終端就是2個客戶端，而遠程醫(yī)療服務平臺則是服務器端。在醫(yī)療服務平臺上（即服務器端）建立一個s

93、ocket,分別設置好PC端和醫(yī)院端的IP以及監(jiān)聽的端口號與建立的socket進行綁定，然后服務器端開始不停的監(jiān)聽該端口是否有連接請求。當接收到客戶端的連接請求后，發(fā)送確認與其建立連接進行通信。2個客戶端分別建立一個socket，分別設置好服務器端的IP和提供服務的端口號與該socket的綁定。需要通信時，首先由客戶端發(fā)送連接請求，當接收到服務器的確認后，盡力連接開始于服務器進行通信[16]。</p><p>　

94、　套接字的類型有3種：分別為Stream Socket、Dgram Socket、Row Socket。因為該醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)傳輸?shù)氖遣∪说纳頂?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量相對較小，一般不會產(chǎn)生阻塞，而且必須確保醫(yī)院端接收到的數(shù)據(jù)準確無誤，為此我使用面向連接的TCP套接字。TCP套接字傳輸流程圖如下4-6所示。</p><p>　　圖4-5 系統(tǒng)遠程數(shù)據(jù)傳輸工作流程示意圖</p><p>　　第5章 總結

95、與展望</p><p><b>　　5.1研究總結</b></p><p>　　本文首先介紹物聯(lián)網(wǎng)的相關知識并對遠程醫(yī)療系統(tǒng)進行了探討，主要突出遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)在醫(yī)療方面的應用和作用。同時也研究和探討了各種不同無線通信技術并對它們的優(yōu)缺點進行了比較，重點介紹了短距離Zigbee通信技術及獲取患者生理數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點的硬件設計和系統(tǒng)的軟件設計，在此基礎之上，提出了一種基

96、于物聯(lián)網(wǎng)的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的整體設計架構圖。</p><p>　　在論文的研究過程中，對物聯(lián)網(wǎng)知識的深入理解和Zigbee協(xié)議的掌握有一定的難度，剛開始不能很好的明白如何將物聯(lián)網(wǎng)與遠程醫(yī)療相互聯(lián)系起來。通過查閱有關資料，知道了物聯(lián)網(wǎng)的層次結構即感知層、網(wǎng)絡層和應用層及物聯(lián)網(wǎng)技術在現(xiàn)實生活中的廣泛應用。短距離無線通信Zigbee也是以前從未接觸過的東西，對它的理解更是一頭霧水，通過老師的講解和我對相關資料的研究，終

97、于明白了它的優(yōu)勢所在。但是在研究的過程中也出現(xiàn)了許多新的問題，如：Zigbee網(wǎng)絡拓撲結構和協(xié)議棧是怎樣的？通過自己的深入研究學習終于弄清楚了其中的來龍去脈。</p><p>　　我們知道，隨著人們生活水平的不斷提高和科學技術的深遠發(fā)展，遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)也必將會在日益健壯，這樣就對病人生理數(shù)據(jù)的安全性和保密性提出了更高的要求，在保證病人的生理數(shù)據(jù)在不同醫(yī)院和不同醫(yī)生之間共享的同時，加強對病人隱私的保護也刻不容緩，

98、防止患者的生理數(shù)據(jù)被非法竊??；同時，為了保證患者電子檔案的共享，可以將生理數(shù)據(jù)放到一個服務平臺中，這樣大型的服務器也是必須的，以保證存儲大量的病人生理數(shù)據(jù)，這些問題都在研究過程中充分考慮到并亟待解決的。</p><p>　　相信隨著物聯(lián)網(wǎng)技術和嵌入式技術的穩(wěn)健發(fā)展。傳統(tǒng)的醫(yī)療模式將逐漸被基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程醫(yī)療模式或嵌入式的遠程醫(yī)療模式取而代之，這也必將從根本上緩解了大醫(yī)院的就醫(yī)壓力和解決國內(nèi)醫(yī)療資源分布問題，同時也

99、減輕了病人的精神和心理的痛苦和病人家屬的經(jīng)濟困難。</p><p><b>　　5.2工作展望</b></p><p>　　隨著計算機、網(wǎng)絡技術和信息時代的迅速發(fā)展，利用遠程通信技術開展醫(yī)療、教學、醫(yī)學交流等工作，對國內(nèi)現(xiàn)代化醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展有著巨大的推動力作用。二十一世紀的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)正在向著普通化、專業(yè)化、微小型化和一體化等多樣化方向發(fā)展[17]。大型城市、中小

100、城市、鄉(xiāng)村和邊遠山區(qū)醫(yī)療一體化是遠程醫(yī)療的未來發(fā)展前景，除此之外，外來的遠程醫(yī)學活動不僅包含遠程醫(yī)療監(jiān)護，而且擴大到遠程衛(wèi)生和遠程保健等，更好的服務于人民群眾。再者，隨著嵌入式技術的日趨成熟，總有一天該項技術會被廣泛的應用在遠程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)上。我們可以這樣設想一下，在床上或者是板凳上嵌入一塊傳感芯片，這樣不管病人是坐著或是晚上睡覺都能實現(xiàn)對病人進行實時監(jiān)測?？傊t(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展始終都與新型科技的發(fā)展密切相關聯(lián)的，應用者不斷的對遠程監(jiān)

101、控系統(tǒng)的簡單性、易用性和及時性提出更高的新要求，所以必須要更好的、更及時的應用新興發(fā)展技術，這樣才能保證遠程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)不斷的發(fā)展強健，不斷的滿足人們的各種需要，它也必將大大改善和提高人們的生活質(zhì)量。</p><p>　　隨著未來技術的越發(fā)發(fā)達，醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的設計就越來先進。以后隨著芯片制作技術的不斷成熟和功能的不斷強大，可以將用來采集各種不同生理數(shù)據(jù)的芯片集成到一個指甲大小的芯片中或是更小的芯片中，直接植入到人

102、體內(nèi)?？傊h程醫(yī)療監(jiān)護會和物聯(lián)網(wǎng)一起在醫(yī)療監(jiān)護和保健等方面構建起人類健康的守護神。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本論文的選題、課題的研究與設計及論文撰寫工作是在**老師的悉心指導下完成的。在這半年時間中，**老師待我熱情誠懇，他那謙虛嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，對工作一絲不茍的作風深深的影響和激勵著我，是我人生中學習的榜樣。在此，我要感謝*

103、老師在論文研究和寫作上給予的幫助，在他的指導下，我不僅在學術上受益匪淺，而且學會了獨立思考，分析問題、解決問題的能力。同時，對于那些在我論文撰寫和修改期間所有給予我?guī)椭耐瑢W、老師表示深深的謝意！</p><p>　　由于本人能力的有限，在論文中難免有些瑕疵的地方，懇請各位老師建議指正。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p&

104、gt;　　[1] 李向文.物聯(lián)網(wǎng)概論[M].北京:中國物資出版社,2011.</p><p>　　[2] 張?zhí)锟?遠程醫(yī)療的實現(xiàn)與理想[J].記者觀察,2001,（3）:103—106.</p><p>　　[3] 任毅.基于無線傳感器網(wǎng)絡的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)研究[D].武漢:武漢理工大學,2007. </p><p>　　[4] 劉建.基于Zigbee技術的