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上海交通大学工学硕士学位论文 摘要 第 i 页 基于无线传感器网络的远程医疗监护系统研究 基于无线传感器网络的远程医疗监护系统研究 摘摘 要要 随着计算机技术以及通信技术的快速发展，远程医疗技术也 相应有了极大提高，其中，远程监护作为远程医疗的一个主要应 用方面，越来越受到广大研究者的重视。但远程监护同时也是一 个相对薄弱的环节，国内已有的研究成果多为有线通信，与实际 应用距离尚远。 同时生活水平的提升使得人们愈来愈关注自身健 康状况，应用成熟的无线传感器网络技术，发展面向个人的远程 监护系统已成为迫切需要。 本文针对上述背景，主要研究了无线传感器网络在远程医疗 监护中的应用问题， 并开发了基于zigbee的医院远程医疗监护系 统。课题主要完成了以下几方面的工作： （1） 设计并开发了基于zigbee和tcp/ip的远程医疗监护系统 方案 （2）开发了基于avr单片机的生理数据采集终端 （3）开发了基于zigbee的生理参数无线传输网络 （4） 开发了基于atmega128的zigbee-tcp/ip集群化桥接协调 节点 （5）开发了基于虚拟仪器labview的网上医院服务器端监控 软件 实验结果表明，这套基于无线传感器网络的远程医疗监护系 上海交通大学工学硕士学位论文 摘要 第 ii 页 统能够准确的运行工作，达到了预先设计研究的目的。 关键字关键字： 远程医疗， 无线传感器网络， zigbee， tcp/ip， labview 上海交通大学工学硕士学位论文 abstract 第 iii 页 research on wsn (wireless sensor network)-based telemedicine system abstract with the development of computer and communication technology, the telemedicine system developed very rapidly. but most existing applications in this field are still based on long-cable and cannot meet the advanced medical treatment. meanwhile, the individual health status is becoming more focused by the society. its very necessary and urgent to develop a wireless-based telemedicine system. therefore, wireless sensor network technology is researched in this article, and introduced to telemedicine application: (1) a zigbee and tcp/ip-based telemedicine system is designed. (2) avr-based multi-parameter acquisition terminal is developed. (3) a zigbee network is built for the parameter transition. (4) avr-based transition gateway for zigbee-tcp/ip protocol bridging is developed. 上海交通大学工学硕士学位论文 abstract 第 iv 页 (5) telemedicine remote server monitor software is developed based on virtual instrument labview. keywords： telemedicine， wireless sensor network， zigbee，tcp/ip，labview 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。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结果由本人承 担。 学位论文作者签名：曹靖华 日期：2008 年 2 月 19 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书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， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：曹靖华 指导教师签名：刘成良 日期： 2008年2月 19 日 日期： 200 年 2月19 日 上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 第一章第一章 绪论绪论 1.1 项目背景简介项目背景简介 医疗监护仪器目前可以分为两类， 一类是指在医院内由职业医生或专 业技术人员使用的专门仪器， 对病人进行生理指标的监护； 另一类是在普 通人员的家庭内或者户外， 在医生的指导下， 由病人本人或者家属使用远 程医疗监护系统对病人进行监护， 所得到的生理指标将及时传送给相关医 生。 目前，医院所使用的监护方法，大多使用固定的医疗监护仪，连接设 备将传感器探头连接在病人与监护设备之间进行信号的传递。复杂的设 备、众多的连线，会造成病人心理上的压力和紧张情绪，可能会影响病人 身体状况， 使得诊断所得到的数据与真实情况有一定差距， 给病人和医护 人员都带来不便，可能会影响对病情的正确诊断。 为了使经常需要测量生理指标的人员（比如慢性病人或者老年患者 等） 能够在家中在随意运动的状态下测量某些常规指标， 目前国际上对远 程医疗的关注越来越强。 本文设计出一种无线医疗监护系统，利用 zigbee 无线传输医疗传感 器之间的数据， 并由现场的一个桥接协调节点转发这些数据给远程的医生 值班室， 减少了监护设备与医疗传感器之间的连线， 使得被监护人能够拥 有较多的自由活动空间， 在获得较准确的测量指标的同时， 免除病人在家 庭与医院之间奔波的劳苦。 需要长期监护的病人或者不便行动的老年人可 以将“病床”搬到家里，无须承受家庭和医院之间的奔波。 本项目由上海市徐汇区大华医院委托， 对这种无线的远程医疗监护系 统进行应用可行性的研究，最终将在大华医院临床试用。 1.2 远程医疗简介远程医疗简介 1.2.1 远程医疗概念远程医疗概念 首先介绍一下远程医学的概念，远程医学是随着通信技术、计算机网 络和多媒体技术的发展，并应用在医学上而不断发展起来的一门学科。 上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 远程医学从广义上讲是使用远程通信技术和计算机多媒体技术提供 医学信息和服务， 是电子医疗数据通过信息技术从一个地方到另一个地方 的传输。它包括远程诊断、远程会诊和护理、远程教育、远程医学信息服 务等所有医学活动。从侠义上讲，它是指远程医疗，包括远程影像学、远 程会诊及会议、远程护理等医疗活动。1 一方面， 基于医院工作效率改进的要求， 另一方面， 随着社会的发展， 人们的生活节奏越来越快， 工作和生活的压力也越来越大， 导致了很多人 患病之后没有时间去医院看病， 或老年人经常不便去医院进行检查， 从而 导致身体状况的恶化。 为了使经常需要测量生理指标的人员 （比如慢性病 人或者老年患者等）能够在家中在随意运动的状态下测量某些常规指标， 目前国际上对远程医疗的关注越来越强。 所谓的远程医疗监护系统主要有以下两种应用模式：2 模式一： 利用计算机网络技术，借助视频仪与麦克风扩音器等简单设备，单纯 提供医师与病患之间影音诊察的通道。 这种方式优点是： 实现病人与医生 或者医生与医生间远程的一对一可视化即时语音交流， 需要的技术水平相 对较低，使用简单方便。 模式二： 利用各式医疗诊断设备，由患者进行简单的操作，远程值班医生可以 借由网络的接口实时获得患者的各项生理资料，包括血压、血糖、血氧浓 度、脉搏、体温、心电图等，并通过网络给患者医疗建议，或者直接奔赴 病患所处地点进行急诊。 后者优点是使用了仪器使医生得到专业的诊断数据， 从而有效帮助医 生判断病人的情况。 现在一般提到的远程医疗都指第二种模式，利用这种远程医疗系统， 可以不受空间距离的限制， 使条件好的医疗机构为异地的患者进行疾病诊 断和健康护理服务， 或者为异地医生提供手术指导和疾病诊断、 治疗的咨 询。其最大优点是资源共享的高效性、对紧急情况能紧急处理的时效性、 节省医院和患者开支的经济性。 1.2.2 远程医疗监护远程医疗监护 远程监护可以定义为， 通过通信网络将远端的生理信息和医学信号传 送到监护中心进行分析， 并给出诊断意见的一种技术手段。 远程监护系统 上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 第 3 页 三个部分，即监护中心、远端监测设备和通信网络。 对危重病人必须时刻进行监测，发现危情立即报警，通知医生及时进 行抢救。这主要用于重症监护病房（icu） 、冠心病监护病房（ccu） 、新 生儿监护室（n icu） 和手术室（or）等，对重要脏器功能损害严重的 病人，手术中或手术后处于危险期的患者进行监护。 某些病症现象出现时间短，需要作较长时间监测才能记录到异常现 象。 通过现代通信技术可以对远程监护患者进行长期实时的监测， 提供及 时的医疗服务。 监护对象也可以在家中或在旅行中，监测可以由患者自行完成，也可 以由家庭医生在患者家中或在社区诊所完成，监测结果既可以本地存储， 也可以通过通信网络传送到医疗诊所， 并通过信息网络实现与远程专家会 诊讨论。 1.2.3 远程医疗诞生及国内外发展现状远程医疗诞生及国内外发展现状 远程医疗的诞生是和人类航空航天分不开的， 它的发展大致可以分为 四个阶段：15 第一代远程医疗系统是介于上个世纪 60 年代初到 80 年代之间， 由于 受到信息的传送量和通信条件的制约， 远程医疗的发展比较缓慢， 仅仅在 航天等尖端科技领域内进行着。但正如很多高新技术最终将走向民用一 样， 有关专家开始尝试将这一高新科技医疗手段造福于普通人。 总的说来， 这一时期远程医疗的发展比较缓慢。 第二代远程医疗系统是 80 年代后期到 90 年代初期， 伴随着计算机硬 件价格和通讯费用的急速下降， 远程医疗逐渐揭开了她那神秘的外纱， 走 向了军民两大领域。从 medline 所收录的文献数量看，1988 年1997 年 的 10 年间，远程医疗方面的文献数量呈几何级数增长。在远程医疗系统 的实施过程中， 美国和西欧国家发展速度最快， 联系方式多是通过卫星和 综合业务数据网（isdn） ，在远程咨询、远程会诊、医学图像的远距离传 输、远程会议和军事医学方面取得了较大进展。 第三代远程医疗系统和机器人技术密不可分，虚拟现实技术、mems 技术、 通讯技术的发展为远程医疗增色不少， 微创手术工作站的建立使得 远程手术得以实现。 这一阶段， 现代远程信息技术和智能化医疗手段相结 合，使得远程医疗几乎是“完美无缺”了。据报道，日本东京大学和冈山 大学医学部远程控制的血管缝合机器人，通过老鼠实验实现了直径为 1 上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 第 4 页 毫米血管的远程操作缝合手术， 这种远程手术的精准度在当时来说应该算 是很高了。 第四代远程医疗系统是第三代的延伸， 家庭监护和社区医院是其主要 形式， 社区医院其实不是一所医院， 是一个由局域网和互联网组成的虚拟 世界， 而各大医院或者中心医院才是真正的医院， 它们提供技术支持和服 务。 未来的远程医疗还面临着将医疗健康以更迅速、 简洁的方式普及化的 问题。这其中，远程家庭医疗是一个比较好的途径。 国外的发展状况总体上见是比较先进的，主要是远程会诊和治疗，其 次是战时急救。 此外， 还有医院的信息化系统和医疗卡以及 pacs （picture archiving and communication systems，医学影像存档和通讯系统）系统。 美国乔治亚洲教育医学系统（csams）是目前世界上规模最大、覆 盖面最广的远程教育和远程医疗网络， 可进行有线、 无线和卫星通信活动， 远程医疗网是其中的一部分。 美国军方研制了一种供战时使用的人体状态监护仪（psm, personnel status monitor） ，这种微型仪器由士兵佩带，用于监护携带者的呼吸、体 温、心率及其它生理参数。这两种监护都是对运动中的个体进行监护。 希腊还有一种安装于救护车中的监护系统，通过 gsm 网络与医院的 监护中心取得联系， 可随时监测患者的生理参数， 以便及时获得医生指导， 争取抢救时间，这一系统已在希腊、瑞典、意大利、塞浦路斯投入使用。 日本北海道大学的一个远程医疗研究小组研究了多种移动通信方式 的远程监护系统，可用于飞机、轮船、救护车关于移动医疗方面的研究， 国内目前还没有成熟的产品。 欧洲及欧盟组织了 3 个生物医学工程实验室、10 个大公司、20 个病 理学实验室和 120 个终端用户参加的大规模远程医疗系统推广实验， 推动 了远程医疗的普及。澳大利亚、南非、日本、香港等国家和地区也相继开 展了各种形式的远程医疗活动。 而我国的发展状况总体上是比较落后的。目前的远程会诊方式有：借 助点对点的电话线和卫星通信网络； 服务对象上分为中医推广、 军队医疗 保障的日常执勤和战场急诊。 我国从上世纪 80 年代才开始远程医疗的探索。1988 年解放军总医院 通过卫星与德国一家医院进行了神经外科远程病例讨论。2001 年 8 月， 中国首次由远程遥控机器人完成的脑外科手术在中国海军总医院取得成 果。 这次手术采用由北京航空航天大学机器人研究所和海军总医院共同开 上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 第 5 页 发得要操作远程医用机器人系统，互联网在其中扮演了举足轻重的角色。 无论是上海教育科研网、 上海医大远程会诊项目， 还是中国医学科学院北 京协和医院、 中国医学科学院阜外心血管病医院的医院网站， 都极大地促 进了我国远程医疗事业的发展。 解放军总后勤部卫生部也提出了国家 “金 卫工程” 军字 2 号工程， 即建设全军医药卫生信息网络和远程医疗会诊系 统。清华大学曾开发了采用程控电话网的家庭心电/血压远程监护系统。 第四军医大研制出一套军用的野地远程监护系统。 上海大学正在研制的车 载监护系统。17 目前，国内的远程医疗还没有得到普及，利用无线网络实现远程医疗 的实例还很少。 这是社会方方面面的诸多原因造成的。 首当其冲的就是远 程医疗费用问题。无论普通的卫星会诊还是电话网会诊，成本都很高，不 适合个人使用。 事实上， 真正最需要远程医疗的是广大农村和边远地区的 患者。 而落后的经济根本无力引进和发展这一技术， 把这些患者挡在了远 程医疗的大门外，阻止了远程医疗的发展。我国是一个幅员广阔的国家， 医疗水平有明显的区域性差别， 特别是广大农村和边远地区， 因此远程医 疗在我国更有发展的必要。 另一方面，在我国的发达地区，大量商务人士由于工作忙碌，忽视了 自己的身体健康， 在健康检查教育的同时， 如果这些人配置移动的远程医 疗监护系统，那么一旦出现问题，能够立即警报，从而引起重视。 纵观远程医疗的发展，我们发现将来远程医疗的发展方向是朝着无 线、移动和便携式方向发展。在不同的地区不同的场合，远程医疗监护采 用不同的解决方案。 1.3 无线传感器网络简介无线传感器网络简介 无线传感器网络（wsn，wireless sensor network）被认为是 21 世纪 最重要的技术之一。 传感器技术本身不断地在发展、深化和交叉，从原先单一的敏感元件 发展到混合集成传感器、智能传感器、无线传感器网络等，真正朝着无所 不在的信息获取技术方向迈进。 无线传感器网络是一种特殊的 ad-hoc 网络，是由许多无线传感器节 点协同组织起来的。这些微型节点具有无线通信、数据采集和处理、协同 合作等功能， 可应用于布线和电源供给困难或人员不能到达的区域 （如受 到污染、环境不能被破坏或敌对区域）和一些临时场合等。无线传感器网 上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 第 6 页 络的节点可以随机或者特定地布置在目标环境中， 它们之间通过特定的协 议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任 务。22 无线传感器网络在军事、国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境 监测、 抢险救灾、 危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值， 具有十分广阔的应用前景。 1.3.1 短距离无线通信短距离无线通信 近几年来，由于数据通信需求的推动，加上半导体技术、计算机等相 关电子技术领域的快速发展， 短距离无线通信技术也经历了一个快速发展 的阶段，zigbee 技术（ieee 802.15.4 技术） 、wlan 技术（ieee802.11） 、 蓝牙技术（bluetooth, ieee 802.15.1） 、移动自组织（ad-hoc）网络技术和 uwb（ultra wide band）技术等取得了令人瞩目的成就。 有这样的观点认为，未来的 4g 系统网络是各种不同网络拓扑结构的 集成，其中包括未来的蜂窝移动通信网络、卫星网络、公共交换电话网 （pstn） 、wlan/plan 和移动 ad-hoc 网络等，这些网络均集成到因特 网的骨干网中。 到目前为止， 学术界和工程界对于什么是短距离无线通信技术或通信 网络并没有一个严格的定义。 但一般来说， 我们认为几十米或 100 米之内 的通信距离为短距离的通信范围。 实际上， 无线通信系统的通信距离并不 是一个固定的值， 它会随着工作环境与移动节点的移动在较大的范围内变 化，因此，精确的归纳技术与距离的关系并没有太大的意义。 作为终端间直接通信的技术，短距离无线通信技术具有以下共同特 征：24 1）低成本（low cost） 2）低功耗（low power） 3）对等性（peer to peer） 低成本是短距离无线通信的客观要求， 因为各种通信终端的产销量都 很大，要提供终端间的直通能力，没有足够低的成本是很难推广的。举个 例子， 目前传统的红外通信收发模块已经降至 1 美元， 而蓝牙 （bluetooth） 模块还维持在 10 美元左右的高价，这对于本身就因竞争激烈而利润很薄 的终端厂商而言无疑是极难大范围推广的， 所以目前蓝牙功能还只是作为 高端手机的可选配置。 上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 第 7 页 低功耗是相对其它无线通信技术而言的一个特点， 这与其通信距离短 这个先天特点密切相关，无线电波在传播中的损耗随着距离增大而增大， 因此要求发射功率也要匹配无线电波的传播距离。 在各种短距离无线通信 技术中， 由于传播距离近， 遇到障碍物的几率也小， 发射功率普遍都很低， 通常在 1 毫瓦量级，而普通的手机发射功率都在几十毫瓦以上。另外，短 距离无线通信模块如果作为其它通信终端如手机的附加， 其发射功率还受 到电源共享、电磁兼容等约束。 对等通信是短距离无线通信的重要特征， 有别于基于网络基础设施的 无线通信技术。基于网络基础设施的无线通信技术包括 2g/3g 蜂窝移动 通信、无线局域网、数字集群通信等，用户终端需要“接入”网络才能享 受通信服务。 而短距离无线通信主要是终端之间的短距离的对等通信， 无 需网络设备进行中转， 因此空中接口设计和高层协议都相对比较简单， 无 线资源的管理通常采用竞争的方式（如载波侦听） 。 1.3.2 无线传感器网络概述无线传感器网络概述 无线传感器网络是指在特定应用环境中布置的传感器节点以无线通 信方式组织成网络， 传感器节点完成制定的数据采集工作， 节点通过无线 传感器网络将数据发送到网络， 并最终由特定的应用接收。 传感器节点集 成传感器件、数据处理单元和通信模块，并通过自组织的方式构成网络。 借助于传感器节点中内置的形式多样的传感器件， 可以测量所在周边环境 的热、红外、声纳、雷达和地震波等信号，从而探测包括温度、湿度、噪 声、光强度、压力、土壤成分、移动物体大小、速度、方向等众多我们感 兴趣的物质现象。无线传感器网络是一种全新的信息获取和信息处理模 式。 现代信息技术的三大基础是传感器技术、通信技术和计算机技术，它 们分别完成信息的采集、 传输和处理， 构成了信息系统的 “感观” 、 “神经” 和“大脑” 。这三大技术的结合极大的促进了信息化的进程，无线传感器 网络正是这三大技术结合的产物。 无线传感器网络就是由大量的能与物理环境进行交互、 同事具有数据 处理功能和无线通信功能的新型传感器构成的互连的系统， 该系统可以完 成复杂的监控任务。 这里说的传感器， 并不是传统意义上的单纯的对物理 信号进行感知并转化为数字信号的传感器， 它将传感器模块、 数据处理模 块和无线通信模块集成在一块很小的物理单元上， 功能比传统的传感器增 上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 第 8 页 强了许多， 不仅能够对环境信息进行感知， 而且具有数据处理及无线通信 的功能。 1.3.3 无线网络标准无线网络标准 ieee（institute of electrical and electronics engineers） ，电气和电子工 程师协会是世界上著名的专业组织， 每年出版大量的技术杂志并召开很多 会议。 ieee 计算机委员会下设的 ieee 802 负责制定电子工程和计算机领域 的标准，又称为 lmsc（lan /man standards committee，局域网/城域 网标准委员会） ，致力于研究局域网和城域网的物理层和 mac 层规范， 对应 osi 参考模型的下两层。 ieee802 目前在无线领域主要有 4 个工作组：802.11（无线局域网 wireless lan，wlan） 、802.15（无线个域网 wireless personal area network，wpan） 、802.16（宽带无线接入 broadband wireless access） 、 802.20（移动宽带无线接入 mobile broadband wireless access，mbwa） 。 在每个工作组下又设置了任务组。7 ieee802.11，即 wi-fi，是目前非常流行的无线局域网技术。 ieee802.15 委员会制定了如表 1 所示的几种不同的 wpan 标准，区 别在于通讯速率、qos（quality of service，是网络的一种安全机制, 是用 来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术）能力等。 表 1-1 几种不同的 wpan 标准 table.1-1 several wpan protocols 标准标准 说明说明 ieee802.15.1 蓝牙 1.1 版 ieee802.15.1a 蓝牙 1.2 版 ieee802.15.2 处理在公用 ism 频段内无线 设备的共存问题 ieee802.15.3a uwb（ultra wide band）标准 ieee802.15.3b wpan 维护 ieee802.15.4 低速率 wpan（zigbee） ieee802.15.5 超级 wpan 802.15.1 标准即蓝牙技术，具有中等速率，适合于从蜂窝电话到 pda 上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 第 9 页 的通信，其 qos 机制适合于话音业务。802.15.3 标准即高速率的 wpan 标准，适合于多媒体应用，有较高的 qos 保证。802.15.4 标准和 zigbee 技术完全融合，目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无 线通信的应用，对数据速率和 qos 的要求不高。 目前用于设计无线传感网络的主流网络协议有 wi-fi、bluetooth 和 zigbee 等。三者的比较如表 1-2 所示： 表 1-2 wi-fi，bluetooth 和 zigbee 的比较 table.1-2 differences among wi-fi, bluetooth and zigbee 标准标准 wi-fi 蓝牙蓝牙 zigbee 单点覆盖距离 50 米 10 米 50300 米 网络扩展性 无 无 自动扩展 电池寿命 数小时 数天 数年 传输速率 111mbps 1mbps 250kbps 频段 2.4ghz 2.4ghz 868mhz2.4ghz 网络节点数 50 8 65000 联网所需时间 3 秒 10 秒 30 毫秒 终端设备费用 高 一般 低 使用成本 一般 低 低 安装使用难易 难 一般 非常简单 应用领域 无线局域网 无线耳机； pc-pda-笔记 本电脑连接 工业监控； 智能家居； 家庭护理； 安全系统； 工业监控 1.4 项目任务以及研究意义项目任务以及研究意义 本次课题的主要完成的工作如下： （1）调查了人体医疗监护常用的几个生理参数 （2）研究 zigbee 通信原理、协议以及数据传输流程等 （2）针对医院和个人用户的不同需求以及不同的应用环境，设计了 相应的两套解决方案 （3）本课题主要实现基于 zigbee 技术的医疗监护系统，开发无线生 理数据采集终端以及数据转发模块， 医生在值班室通过监控服务器软件可 以同时监控数名病人的状态。 上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 第 10 页 1.5 本章小结本章小结 本章首先介绍了本项目的背景以及远程医疗的概念、 产生及其发展现 状， 然后介绍了无线传感器网络的基本概念， 比较了几种无线通信协议的 区别。最后明确了课题项目任务及研究意义。 上海交通大学工学硕士学位论文 第二章 基于无线网络的远程医疗监护系统方案设计 第 11 页 第二章第二章 基于无线网络的远程医疗监护 系统方案设计 基于无线网络的远程医疗监护 系统方案设计 根据调查分析，远程医疗监护在不同的客户群中应用方式是有较大区 别的。比如在医院实施的远程监护，由于病房是固定的，数据信息的传输 可以采取有线的方式，而针对个人用户实施的远程医疗监护，则具有很强 的移动性，数据信息的传输必须是无线方式的。 不论对于哪种应用环境，整套远程医疗监护系统按功能划分，可以分 为三大模块，即生理参数的采集、传输和远程监控处理。 如图2-1所示为方案设计框图。系统分为三大模块，生理数据采集终端、 桥接协调节点以及远程网上医院服务器端。 生理数据采集终端实现对病人生理参数的采集和无线传输。 桥接协调节点负责对无线网络的管理和对生理参数的转发。 远程网上医院服务器端的监控软件则接收各病人的生理参数，做出相 应处理，供医生查看以及做诊断等。 在本课题中， 分别设计了基于zigbee的医院解决方案和基于蓝牙的个人 用户解决方案。两者的不同之处在于生理参数的无线传输方式不同，这也 是考虑到不同用户的不同需求来制定的。 上海交通大学工学硕士学位论文 第二章 基于无线网络的远程医疗监护系统方案设计 第 12 页 图 2-1 远程医疗监护系统结构图 fig. 2-1 hardware structure of telemedicine system 2.1 基于基于zigbee技术的网络化医院集群监护系统解决 方案 技术的网络化医院集群监护系统解决 方案 2.1.1 方案总体结构方案总体结构 针对医院（或者家庭用户）的远程医疗系统如图2-2所示。医生在值班 室可同时对多个病房的多名病人进行监护诊断。 无线网络采用zigbee方式进行数据传输。zigbee是一种基于ieee 802.15.4标准的短距无线通信标准。 它是为实现家庭及办公室自动化的控制 系统、医疗保健设备及自动化检查系统的通信应用，以及传感器之间的数 据传送而开发的。 上海交通大学工学硕士学位论文 第二章 基于无线网络的远程医疗监护系统方案设计 第 13 页 图 2-2 基于 zigbee 的医院医疗监护系统示意图 fig. 2-2 solution for zigbee-based telemedicine system for hospital 在该方案中，生理数据采集终端由病人自己操作，一方面采集病人的 生理数据，比如脉搏、血压、血氧饱和度、体温等，另一方面把这些数据 通过zigbee无线网络发送给桥接协调节点。 桥接协调节点一方面负责zigbee无线网络的管理工作， 另一方面将收到 的各个病人的生理参数通过tcp/ip协议格式转发给医生值班室服务器端。 服务器端的网上医院监控软件对所有病人的生理参数进行处理、存档 等操作，并通过简单的数据分析，供医生诊断参考用。 如图2-3所示，这位老妇人在家中戴上血压饱和度采集终端，她自己可 以看到自己的血压值，同时她的血压参数会发送到她家中安装的桥接协调 节点，继而转发至远程服务器，远程的网上医生就可以看到她的生理数据， 进行诊断。 上海交通大学工学硕士学位论文 第二章 基于无线网络的远程医疗监护系统方案设计 第 14 页 图 2-3 基于 zigbee 的医院医疗监护系统应用实例图 fig. 2-3 application of the zigbee-base telemedicine system 2.1.2 方案关键技术介绍方案关键技术介绍zigbee ieee 802.15.4 标准于 2003 年 5 月制定完成，它满足国际标准化组织 （iso）开放系统互连（osi）参考模型，主要包括物理层、数据链路层。 ieee 802.15.4 协议与其他无线网络相比，突出的优点是：组网能力强， 适应面广，可靠性高，节能性好。9 ieee 802.15.4 作为一个新兴的无线通讯协议，是 ieee 确定的低速个 人区域网络（personal area network， pan）标准。这个标准定义了“物 理层” （physical layer， phy）和“介质访问层” （medium access layer， mac） 。 物理层规范确定无线网络的工作频段以及在该频段上传输数据的 基准传输率。 介质访问层规范定义了在同一区域工作的多个 802.15.4 无线 信号如何共享空中频段。 但是，仅仅定义物理层和介质访问层并不能完全解决问题。因为没有 统一的使用规范，不同厂家生产出的设备存在兼容性问题。于是 zigbee 联盟应运而生：众多设备厂家联合在一起，推出一套标准化平台 zigbee。 如前所述， zigbee 采用 ieee 802.15.4 规范作为介质访问层和物理层。 ieee 802.15.4 共定义了三个工作频带，2.4ghz、915mhz、868mhz。每 个频带提供固定数量的信道。2.4ghz 频带总共提供 16 个信道（信道 11-26） ， 915mhz 提供 10 个 （信道 1-10） ， 而 868mhz 则提供 1 个信道 （信 道 0） 。 协议的比特率由所选择的工作频率决定。2.4ghz 频带所提供的数据 速率为 250kbps，915mhz 频带所提供的数据速率为 40kbps，而 868mhz 频带所提供的数据速率为 20kbps。由于数据包开销和处理延迟，实际的 上海交通大学工学硕士学位论文 第二章 基于无线网络的远程医疗监护系统方案设计 第 15 页 数据吞吐量会小于规定的比特率。 如图 2-4 所示，为 zigbee 协议的整体框架结构图。其中，物理层和 介质访问控制层由 ieee 802.15.4 规范；网络层、安全层和应用程序接口 由 zigbee 联盟制定。14 图 2-4 zigbee 协议框架结构图 fig. 2-4 structure of zigbee protocol 目前，很多厂家都陆续开始推出针对不同硬件的 zigbee 协议栈，它 把网络层、安全层和应用程序接口都封装在里面，提供相应的 api 供用 户开发使用。 其中安全层（security）主要实现密钥管理、存取等功能。 应用程序接口负责向用户提供简单的应用软件接口（api） ，包括应用 子层支持 （application sub-layer support， aps） 、 zigbee 设备对象 （zigbee device object，zdo）等，实现应用层对设备的管理。 zigbee 协议栈的核心部分在网络层。 网络层主要实现节点加入或离开 网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能，支持 cluster-tree，aodvjr，cluster-treeaodvjr 等多种路由算法，支持星 型（star） 、树型（cluster-tree） 、网状（mesh）等多种拓扑结构。 在 ieee802.15.4 网络中， 根据设备所具有的通信能力， 可以分为全功 能设备（full-function device，ffd）和精简功能设备（reduced-function device， rfd） 。 ffd 之间以及 ffd 和 rfd 之间都可以相互通信； 但 rfd 只能与 ffd 通信， 而不能与其他 rfd 通信。 rfd 主要用于简单的控制应 用，传输的数据量较少，对传输资源和通信资源占用不多，可以采用非常 廉价的实现方案，在网络结构中一般作为通信终端。ffd 一般需要功能 上海交通大学工学硕士学位论文 第二章 基于无线网络的远程医疗监护系统方案设计 第 16 页 相对比较强大的 mcu，一般在网络结构中用作于网络控制和管理功能。 zigbee网络可由zigbee网络协调器（coordinator） 、zigbee路由器 （router） 、zigbee终端设备（end device）组成，且必须包括一台zigbee 协调器，负责管理和维护网络，包括路由、安全性、节点的附着与离开等 等。 协调器是ffd设备， 是zigbee网络中的主控制器。 如图2-5所示是zigbee 网络的一个例子，给出了网络中各种设备的类型以及它们在网络中所处的 地位。23 图 2-5 zigbee 网络组件和结构 fig. 2-5 structure of zigbee network （1）协调器（coordinator） 协调器是启动和配置网络的一种设备。协调器可以保持间接寻址用的 绑定表格， 支持关联， 同时还能设计信任中心和执行其它活动。 一个zigbee 网络只允许有一个zigbee协调器。协调器可以通过选择网络的工作信道和 个域网识别标志(pan id)来启动一个zigbee网络。一旦网络启动，路由器 和终端设备就能加入网络。协调器除了直接参与应用以外，还要完成成员 身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。 （2）路由器（router） 路由器是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其它设备。zigbee 点对点网络可以有多个zigbee路由器。而zigbee星型网络不支持zigbee路 由器。路由器有两个功能：一是增加网络中的节点数量，二是扩大网络的 物理范围。有了路由器后，终端设备就不必安装在协调器的有效射频范围 内。 （3）终端设备（end device） 终端设备可以执行它的相关功能， 并使用zigbee网络到达其它需要与其 通信的设备。它的存储器容量要求最少。终端设备不能参与路由数据，因 上海交通大学工学硕士学位论文 第二章 基于无线网络的远程医疗监护系统方案设计 第 17 页 此在不发射和接收数据时可以休眠，因此一般由电池供电。 zigbee 网络根据应用的需要可以组织成星型网络、 树型网络和网状网 络（后两者统称为点对点网络） ，如图 2-6 所示。在星型结构中，所有的 设备都与中心设备网络协调器通信。 在这种网络中， 网络协调器一般使用 电力系统供电，而其他设备采用电池供电。星型网络适合家庭自动化、个 人计算机外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。与星型网络不同， 点对点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内， 任何两个设备之间都 能直接通信。 点对点网络中也需要网络协调器， 负责实现管理链路状态信 息，认证设备身份等功能。点对点网络可以支持 ad-hoc 网络，允许通过 多跳路由的方式在网络中传输数据。 点对点网络可以构造更复杂的网络结 构，适合于设备分布范围广的应用，比如在工业检测与控制、货物库存跟 踪和智能农业等方面有非常好的应用前景。 图 2-6 星形网络和点对点网络 fig. 2-6 structure of star network and point-to-point network zigbee 在无线传感器领域中受到了人们的密切关注，主要是由于 zigbee 承诺能为可靠、高性价比和低功率的无线通信提供全球性统一规 范。 在目前的无线设备市场中， zigbee联盟经过不懈地努力已经将zigbee 的地位提升了一大步。 仅仅用了几年的时间， 该联盟就发展了 200 多家联 盟成员。zigbee 芯片组和协议栈已经可以很容易地从许多供货商那里得 到。用户在开发 zigbee 系统时，只需对应用层进行操作。 上海交通大学工学硕士学位论文 第二章 基于无线网络的远程医疗监护系统方案设计 第 18 页 2.2 基于蓝牙技术的个人用户远程医疗监护系统解决 方案 基于蓝牙技术的个人用户远程医疗监护系统解决 方案 2.2.1 方案总体结构方案总体结构 针对个人用户（移动用户）的远程医疗系统如下图2-7所示。远程医生 监控室的医生可以同时监控数名移动用户的生理状态，个人用户还可通过 web访问监控中心服务器来查询自己的健康状态。 图 2-7 针对个人用户的医疗监护系统示意图 fig. 2-7 solution for telemedicine system for personal 由传感器节点构成的生理数据采集终端有蓝牙通讯功能，个人用户的 生理参数由传感器采集后，先通过蓝牙方式发送至带蓝牙功能的手机，再 由手机通过gprs发送至远程的网上医院服务器。 个人用户自带的蓝牙手机起着类似于“蓝牙-gprs”网关的作用，将生 理参数转发实时的发送至远程网上医院服务器端，让监护医生实时知晓该 个人的生理状态。 这里的网上医院服务器与医院解决方案中的网上医院服务器端的监控 软件基本是一样的。值班室的医生可以随时监控该个人的生理状态，该个 人也可以通过web方式访问监控服务器来查看自己的健康情况。 在图2-8中，这位病人手腕上戴着一个多参数采集的传感器终端，可以 web 上海交通大学工学硕士学位论文 第二章 基于无线网络的远程医疗监护系统方案设计 第 19 页 采集他的脉搏、体温等信号，这些生理参数信号通过蓝牙方式发送到他口 袋里的蓝牙手机，然后通过gprs网络传输，远程的医生就可以观察到他的 健康情况，如果发现问题，可以及时打电话联系他。 图 2-8 基于蓝牙的个人用户医疗监护系统应用实例图 fig. 2-8 application of the bluetooth-base telemedicine system 2.2.2 方案关键技术介绍蓝牙方案关键技术介绍蓝牙 蓝牙 （bluetooth） 技术是由世界最著名的多家通信公司和计算机公司于 1998年5月联合提出的一种应用于计算机上的基于分层网络协议的无线通 信技术。蓝牙是一种完全开放性、低成本和面向个人半径空间的短距离无 线连接技术。其发展受蓝牙共同利益组织（bluetooth sig）的监督和推动。 sig采取了无偿向全世界转让该项专利技术的策略， 目的是实现标准的全球 统一化，以利于不同厂家的蓝牙产品间无障碍通信。1997年7月蓝牙sig公 布了蓝牙标准1.0版，随后于2001年2月推出了蓝牙标准1.1版，成为当前蓝 牙产品的生产和开发依据。其设计初衷是取代个人区域（半径10米）内的 繁杂的数据连线，并使得所有厂商生产的蓝牙设备能在近距离范围内具有 互用、相互操作的性能。 蓝牙标准作为第一个面向近距离高速通信的计算机网络通信协议，定 义了osi 网络模型中从物理层到网络应用层的一系列协议和服务。通过蓝 牙协议栈的形式，蓝牙设备可以实现不同蓝牙产品间的信息交换和数据传 输。对蓝牙应用前景的设想使采用低成本实现生命参数传输成为可能。例 如：蓝牙的微微网结构具有网络传输中点对点的唯一性、安全性和级联扩 展性，从而为远距离跨网数据采集奠定了基础；由于蓝牙地址的全球唯一 性，可以明确建立信息对象的蓝牙标识，进而应用于身份识别，成为独特 的电子病历；通过嵌入蓝牙芯片的处理器能够实现多种协议的转换，从而 可以拓展蓝牙在网络世界的适用范围。 上海交通大学工学硕士学位论文 第二章 基于无线网络的远程医疗监护系统方案设计 第 20 页 对人体生命参数的无线实时监控是广大医患的共同愿望，但基于传统 电子技术实现起来有无法避免的缺点。蓝牙不仅可以取代个人