（通信与信息系统专业论文）基于蓝牙的医院病房多生理参数无线监护系统设计.pdf

摘要近年来，无线通信技术在国内外医疗市场得到了广泛的应用，将无线通信技术应用于病房监护引起了很多研究人员的兴趣。目前，医院现有的人工监护方式存在着医护人员工作量大、病患基本生理参数人工记录不完整等问题，而且这种传统的监护方式也不利于推动远程医疗事业的长远发展。为此，设计一种新的监护技术有着重要的社会意义。鉴于以上现状，本文提出了基于蓝牙的医院病房多生理参数无线监护系统设计方案。在医院病房中，把患者的各种重要的生理信息及时准确地提取出来，并且通过蓝牙无线网络，将生理参数数据无线传输到医院监护中心，帮助医护人员对患者病情进行监测和防护。本系统以c o r t e x 。m 3 为i | j 央处理器，采用蓝牙2 0 规范协议通信技术，利用蓝牙扩展模块建立医院内部无线网络，设计了硬件电路和软件，实现对病患及时有效的无线监护功能。相比传统的人工监护方式，基于蓝牙的医院病房多生理参数无线监护系统不仅可以有效减轻医护人员的工作量，而且有利于病患基本生理参数的准确记录。最后，通过对体温、脉搏采集模块的测试和对蓝牙网络节点的传输距离和误码率的测试，结果表明，体温信息采集的误差低于l ，脉搏信息采集的误差低于1 0 ，蓝牙节点组网灵活并且有效传输距离为l o 米，如果采用人功率的蓝牙设备，可扩大到几十米，适合医院环境应用，达到了设计的目的。关键词：无线网络：蓝牙；c o n e x m 3 ；l p c i 7 6 8 ；蓝牙模块a b s t r a c tr e c e n t l y ，a p p l i c a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo nw a r dm o n i t o r i n ga t t l a c t e dt h ei n t e r e s to fm a n yr e s e a r c h e r s a i ma tt h ep r o b l e m sa b o u tt h ew o r k l o a do fm e d i c a l s t a f f sa n di m p e r f e c t i o no fp a t i e n tp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sr e c o r d i n g ，aw j r e 】e s sm o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hi sb a s e do nt h eb l u e t o o t hn e t 、) l ，o r ki sp r o p o s e d ，a i l db e c a u s eo ft h eb 1 u e t o o t ht e c h n o l o g yw i t hm i c r o - p o w e r ，a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n df l e x i b l en e 帆o r k i n gf e a t u r e s ，t h e r e f o r e ，m eb 1 u e t o o t hw i r e l e s sn e t w o r ki sp e r f e c tf o rt h em e d i c a lc a r es y s t e m t h ed e s i g nt a s ki st oe x t r a c tv a r i e t ) ，o fi m p o t t a n tp h y s i o l o g i c a li n f o m l a t i o no fp a t i e n t st h r o u 曲b l u e t o o t hw i r e l e s sn e t 、o r kt i m e l y 锄da c c u r a t e l y ，a n dt r a n s m i tt h ep h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e rd a t at h r o u g hw i r e l e s sn e 觚o r kt 0t h eh o s p i t a lh e a l t hc a r ec e n t e ri no r d e rt oa s s i s tt h es t a ：f ! fm o n i t o ra n dp r o t e c tp a t i e n t s c o n d i t i o n w i t hc o r t e x m 3a st h ec e n t r a lc o n t r o l l e ra n d2 0b l u e t o o t h 鹪t h ec o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o l ，w es e tu pt h eh o s p i t a lw i r e l e s sn e m o r kb ye x t e n d i n gt h eb 1 u e t o o t hm o d u l ea n dp r o v i d et h ec i r c u i th a r d w a r ec o m p o n e n t sa n ds o 胁a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s s e s b l u e t o o t h - b a s e dw i r e l e s sh o s p i t a lw a r dm o n i t o r i n gs y s t e mw i t hm u l t i p l ep h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sc a nn o to n l ye f 艳c t i v e l yr e d u c et h ew o r k l o a do fm e d i c a ls t a 咒b u ta l s oh e l pt or e c o r dp a t i e n t s b a s i cp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sa c c u r a t e l y ，t h u s ，i th a si m p o r t a n ts o c i a lb e n e f i t s l a s t l y t h et r 锄s m i s s i 叩d i s t 粕c ea n db i te 丌0 rr a t et e s to ft h eb l u e t o o t hn e 佃o r kn o d ea r ep e 墒册e d b yb u i l d i n gt e s tp l a t f o 姗t e s tr e s u l t ss h o wt h ef l e x i b i l 时o fb 1 u e t o o t hn o d en e t w o r k ，c o m m o nb l u e t o o t hd e v i c e sh a v el0m e t e r so fe f 佗c t i v et r a n s m i s s i o nd i s t 锄c e ，i fh i 曲一p o w e rb l u e t o o t hd e v i c e sa r cu s e d ，i tc a nb ee x t e n d e dt ot c n so fm e t e 岱w h i c hi ss u i 协l ef o rh o s p i t a le n v i m n i l l e n t sa n dc a na c h i e v et h ed e s i g ng o a lw i t hh i g hp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：w i r e l e s sn e t 、v o 血b 1 u e t e e t h ，c o r t e x - m 3 ，l p cl7 6 8 ，b l u e t e e t hm o d u l e学位论文主要创新点设计了一种应用于医院病房中，采集病患生理参数并通过蓝牙无线网络将数据无线传输至医院监护中心的系统，解决了医院现有人工监护方式中医护人员工作量大、病患基本生理参数人工记录不完整等问题，实现了对病患及时有效的无线监护功能。第一章绪论1 1 课题研究背景第一章绪论随着人们对自身保健质量要求逐步提高以及现代信息技术不断的发展和创新，医疗保健业日益趋向于移动、无线和便利。医疗保健机构正逐步通过各种通信方式建立和不断完善自身体系，例如。保健现场通过移动连接来访问患者资料信息以及更新它们的数据库，包括手持、无线和解决方案在内的新技术使得在医疗保健机构使用的大量异构系统能够相互之间进行通讯，从而得到患者的基本生理数据以便采取有效的治疗措施。这些新技术的产生，使得医疗保健专业人员可以随时随地的对患者进行检测，比如在患者所居住小区内的丰 ：诊部、病人家中以及事故现场访问和分析患者的各项数据，同时。可以快速的了解患者的以往病历、检验治疗结果、查询付费方式和账单、输入诊断信息，并与另外的一些医疗人员一起研究治疗方案。总之，无线通讯技术在医疗保健方面的发展，极火的提高了医疗保健质量、降低运作成本，从数字化管理病人的数据和随时随地查看患者的信息来看，无线医疗产品是今后发展的大趋势，而无线医疗监护设备的便携化、移动化、小巧行掌上产品将成为影响产品竞争能力的一个重要因素。由于计算机技术、通信技术和电子技术，特别是网络通信技术的飞速发展，医疗设备可靠性和准确性不断提高，得到迅速的发展和广泛的运用。最近几年，无线通信技术在国内外医疗市场得到了广泛的应用，无线医疗设备应用迅猛增长，以及将无线通信技术应用于病房监护引起了很多研究人员的兴趣。医学临床监护技术分为：医学信号提取技术，医学信号处理和特征提取以及生理信息综合分析技术，简单来说就足将患者的生理信息及时、准确地提取出来进行处理、分析，而医护人员通过这些信息制定有效的医疗方案。监护系统可以分为危重病患者自动监护系统、动态监护系统、远程监护系统和家庭健康监护。利用生物医学工程对人体进行检测时，需要患者处于完全放松和自然状态，但如果使用有线网络，必定需要通过连线连接患者，而各种连线使得患者产生紧张的情绪从而影响患者的心情，最终导致检测结果不准确。另一方面，有线网络还存在着很多限制，例如不能随意移动设备而只能固定在一个地方，这样就为设备的使用带来了很大的不便，尤其是在发生突然情况的状况下，很可能因为移动性的限制而影响对病患的及时救治。此外，在些特殊环境中例如野外等天津工业大学硕j j 学位沦文地，有线网络的线缆架构也会相对困难而无法实现，而无线通信技术的产生可以有力的解决上述问题。病房腌护系统在医院里应用广泛，例如将带有无线通信模块的生理参数采集器安装到医院病房中，并且通过无线网络将采集到的参数无线传送到终端计算机上，即医院监护室里，这样就便于了医护人员对患者的牛理参数进行集中管理，实现了无人脏护目标，同时还可以将病患的船测数据存储到医院数据库中，方便医护人员对病人的基本情况做好了解，减轻了医护人员的工作负担，并提高了医护效率。远程医疗在我们国家还末普及化，目前发展最快和最具实用价值的足远程监护和家庭保健监护，所以它还有相当大的发展前景。所谓远程医疗就是采用计算机技术、通信技术、多媒体技术、医疗技术等手段，完成各种医学信息的远程采集、运输、分析、整理和保存。由于我国国土面积辽阔，经济发展不平衡，特别是老、少、边、穷地区，经济极为落后，交通不便，使得患者得不到及时的医疗救助。因此，我国大力发展医疗事业，在边远贫网地区以及农村开设远程医疗站，迫切的解决了看病难的问题。进入到二十一世纪以来，全球通信技术的迅猛发展，特别是无线通信技术呈现出繁荣发达的发展态势，其应用范围远远超出了【古i 定通信技术。随着无线通信技术的快速发展和引用范围的不断扩大，无线通信组网技术也吸引了众多研究开发人员的注意。与有线通信技术相比而言，无线通信技术的应用范围也更为广泛【2 j 。当下而言，丰流的无线通信技术有w i f i 、z i 曲e e 、g s m 、蓝牙等等。其中，由于蓝牙具有成本低、组网灵活等优势而被无线通信技术的来发研究人员广泛大量的应用也多个领域，例如无线传感器网络、小型便携设备等等。蓝牙英文名字叫“b l u e t o o t h ，是由电子与电气工程师协会( i e e e ) 统一制定的一种规范标准。蓝牙技术与i e e e 8 0 2 1 l b 相同，都足使用2 4 g h z 频段，采片j 跳频扩频技术【3 】。“蓝牙作为一种完全开放的标准，并且功能丰富、安全，这使得它在所有的地方都可实现近距离无线数据交换的目的。蓝牙技术可以说足当今无线通信技术市场上最被看好的技术，其发展前景十分广阔，将蓝牙技术运用到医院病房的医疗无线监护系统当中，可以更好的为医疗监护产品的发展升级提供技术支持，同时也为我国的远程医疗事业的发展奠定了坚实的基石出。1 2 课题研究的国内外发展状况据最早文献记载，2 0 世纪5 0 年代，p a r s o n s 把通讯系统用于医疗当l f i ，他第一章绪论成功的将标准电话线路用于远程放射医学中。而在1 9 5 6 年，在美国的内布拉斯加大学c e c i l l w i t t s o n 和r e b ab e n s c h o t e r 在医疗和教育方面，第一次采用了双向闭路j | l 控系统。同一时期，美国国家航空与航天局( n a s a ) ，以双向闭路监控系统为基础，研究远程医疗设备，为太空中的宇航员提供医疗服务。远程医疗技术在我国起步比较晚，但发展速度非常快。原因在于近年来我国的计算机技术和无线通信技术等作为远程医疗的核心技术得到了快速发展，已经接近了国际先进水平。以下为只前国内外牛理监护仪的研究成果。工人雄和王国钧共同研发的心电监护系统，该系统以r c a c d p l 8 0 2 为微控制器，存储器采用的是酝s 位的n m c 6 5 1 4 ，并嵌入了心电波形特征提取算法、心电数据压缩算法、心律失常分析算法，在硬件和软件设计时均考虑了降低功耗【4 j 。m u h a l l u n a d i ib r a h i m v 等人设计的胎儿心率监护仪，对多名怀孕时间在9 一1 0 个月的孕萸1 做了相关实验，实验结果表明该设计可以实现利用导联定时检测母体与胎儿的心率，且线性相关系数在0 7 9 0 8 8 之间，其硬件结构如图1 1所示。心电信号图l 一1 胎儿心率髓护系统结构框图刘基培设计的遥测心电监护系统，该设计主要针对人体心电数据的无线监测，由蓝牙模块r o k l o 】0 0 7 和微控制器a d u c 8 1 2 共同组成心电数据采集模块，a d u c 8 1 2 微处理器将采集到的心电数据进行处理后，通过u a r t 口将数据发送给蓝牙模块，接收端的蓝牙接收模块再通过u s b 接口与p c 机连接，最终实现参数的无线传输日的【5 1 。该设计的优点是克服了使用传统的有线设备而造成病人不能自由活动的缺点，心电监护系统如图1 2 所示。天津工业大学硕上学位论文图1 2 遥测心电监护系统组成框图m o h d f a d l e e a r a s i d 等设计的心电无线监护系统，该设计的特点是利用了g p r s 网络，将数据以短信的形式通过手机发送到医院终端，达到远程监护的目的，其结构如图1 3 所示。图1 3 心电无线监护系统结构框图从以上文献中可以得出监护仪的一般构成为：1 信号检测部分：主要包括测心电、血压、体温等各类传感器。2 信号的模拟处理：主要是以模拟电路为核心的信号处理部分。3 信号的数字处理：包括信号的运算、分析及诊断。1 3 嵌入式系统设计技术发展和应用前景嵌入式系统由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序4 个重要部分组成，其以应用为i | i 心，以计算机技术为基础【酬。嵌入式系统的微处理器足由计算机的c p u 演化出来的。将c p u 装载到专门的电路板上保留住原有的相关功能，这就是所谓的嵌入式。如今市面上的嵌入式系统第章绪论主要有：a r m 、p o w e r p c 、m i p s 等，而所搭配的外围电路有r o m 、r a m 、i o口、看门狗等设备，这只是丰要的外围设备，不同的系统有自己独特的功能。随着嵌入式技术的高速发展，在嵌入式硬件上应用操作系统也是必然结果。嵌入式操作系统的作用是对系统的硬件、软件进行分配和调度工作，不仅有系统固有的本性，也有良好的模块性，以便于系统对应用要求的不同进行更改。嵌入式系统往往足专属专用的，嵌入的对象不同完成的功能也不同。本设计所应用的是a i 洲嵌入式系统，其主要用于实现对其他设备的管理或者控制等重要功能。它在功耗、成本、可靠性、体积、功能等方面的严格标准，适用具有严格要求的专用计算机系统。以下足嵌入式系统同p c 系统相比所具有的特点：1 嵌入式系统功耗低、体积小、专用性强。2 软件不是存储在以磁盘为存储介质的存储器中，而一般是固化在m c u本身中或者是存储芯片中，这样大大提高了系统可靠性以及执行速度。3 对软件代码要求质量高，应尽最大可能避免“死机”的发生。4 特有的开发环境和开发工具是嵌入式系统在开发过程中所需要的。接下来的几年内，嵌入式系统将进入全面的高速发展期，并随着时间的推移会愈发的激烈【7 】。目前，随着语音短信息的发布和汉字手写进入智能于机，应用上也将扩大一定的范围。小型手持式嵌入式系统在对企业的物流管理、移动信息采集和条码扫描等解决方案上将发挥重人作用。在自动控制领域，嵌入式系统仍具有非常广阔的前景，可用于移动设备、自动售货机、工业控制等【8 j 。将嵌入式技术应用到医院病房多乍理参数无线监护系统设计中，能够借助嵌入式系统的优势，实现体积小、专用性强、系统精简、实时性高的嵌入式控制系统，满足设计需求。同传统的设计方案相比，采用嵌入式没计方案不仅开发周期短，设计集成度高，而且在系统的可靠性、功耗、性能指标、开发成本等方面具有较大的优势1 9 j 。1 4 本论文研究的主要内容根据医院环境中的实际需求和市场调研分析，本文提出了基于蓝牙的医院病房多生理参数无线监护系统设计来达到无线髓护的目的。该方案足希望通过蓝牙无线网络把患者的全方而的生理信息准确无误的提取出来，将生理参数数据无线传输到医院监护中心，帮助医护人员对患者病情进行监测和防护。本论文研究的主要内容可以归纳如下：1 根据医疗仪器设计规律及现有的实验条件，进行可行性分析。在满足系统性能设计要求的前提下，进行元器件的筛选购买和总体方案的设计。天津工业大学硕上学位论文2 研究利用红外温度传感器对人体体温进行非接触式测量的装置，设计出测温电路。3 研究利用压力传感器对人体脉搏测量的装置，设计出测量脉搏电路。4 通过串口将c o n e x m 3 与蓝牙模块相连，利用蓝牙网络完成人体生理参数的尤线传输：并且根据医院病房的实际分布特点及蓝牙网络结构的特点设计适合的网络拓扑结构进行组网和仿真实验。第二章蓝牙组网技术基础第二章蓝牙组网技术基础基于蓝牙的医院病房多生理参数无线监护系统的设计土要涉及到两个方面，一是对病患进行牛理参数采集与传输的体温、脉搏测量模块和蓝牙模块的软、硬件设计，二是对在医院环境中蓝牙网络组网的设计。由于本设计着重于系统结构功能和网络方而的研究与实现，而硬件与软件的开发设计都是基于蓝牙技术进行的，因此本章将对蓝牙技术和蓝牙网络的组网进行重点介绍，以便为之后的硬件与软件开发做必要的铺垫。2 1 蓝牙技术2 1 1 蓝牙技术概述“蓝牙”名称的来历说法众多，最得到广泛认同的足说这个称呼来自一位丹麦国王的绰号b l u e t o o t h 。这位名叫v i l ( i n g 的国王在1 0 世纪的时候成功的统一了丹麦、芬兰和瑞典。用这位伟大的丹麦国王的名字命名这一新的技术，寄托了i t 界将计算机、通信、家电等行业整合统一起来的巨人希望。在1 9 9 8年5 月，以爱立信为首，由五家i t 巨擘爱立信、诺基亚、东芝、因特尔和i b m共同提出了一种短距离无线数据交换的技术标准，目的在于针对当时在整个r r行业中缺少非公开性的技术，创立一项软硬件结合的公开规范，在公平竞争的环境里，赋予消费者更多的自由，可以比较不同的操作平台和解决方案，为不同的设备间提供了可互操作、可交叉开发的t 具。此后，微软、3 c o m 、朗讯、摩托罗拉等又相继加入进来，总共9 个领导成员，成立了“蓝牙特殊利益集团【10 h 1 1 1 。“蓝牙作为一种完全开放的标准，使得它在所有的地方都可实现近距离无线数据交换的目的。对于蓝牙的内在理解主要有如下几个关键点：1 开放性为了鼓励支持蓝牙技术的广泛应用与推广，蓝牙特殊利益集团在其建立之初就确定了真正的、完伞的、公开的基本方针。蓝牙的开放的特点使得蓝牙技术焕发着无穷的生命力。只要是s i g 会员，那么就能够免费使用蓝牙技术。2 短距离蓝牙技术的无线通信距离一般为1 0 米，如果加大设备功率，可以扩大到几十天津工、i k 大学硕士学位论文米的氛围内。由于通信距离较短，蓝牙设备的消耗功率相应也较低，所以蓝牙更适用于体移 小巧的便携式装置中。3 蓝牙产品的兼容性蓝牙产品在符合蓝牙技术规范的基础上，还得经过s i g 认证程序，才能推广到市场中去。这样就保证了虽然是不同的公司牛产的蓝牙产品，但这些产品之间可以实现互操作和资源共享，从而达到了完全兼容的日的。2 1 2 蓝牙技术与其他技术的比较无线个人局域网是当前发展最为迅速的一个领域，相应的无线局域网络的新技术也层出不穷，蓝牙技术作为新技术的一种格外引人注目。目前无线局域网技术中，工作在2 4 g h z 频段上的有红外技术、h o m e r f 和l e e e 8 0 2 1 1 。比较如表2 1所示。表2 1 几种无线网络标准的比较名称g p r s、v i f ib l u e t o o t hz i 曲e e广阔范围应用范围w 曲，e m i l ，图像电缆替代品监测、控制声音、数据频段( m )9 0 0 一1 8 0 02 4 0 02 4 0 08 6 8 91 5 2 4 0 0协议栈所占系1 6 衄+1 舰b +2 5 0 k b +4 船3 2 k b统资源传输速率6 4 1 2 8 +1 1 0 0 0 +7 2 02 0 2 5 0( 1 s 、网络大小( 节点数)l3 272 5 5 6 5 5 3 5传输距离( 米)不限1 1 0 01 1 01 1 0 0 +电池寿命( 天)1 70 5 51 71 8 0 l 0 0 0 +蓝牙技术最直接的竞争者就是红外( i r ) 。红外数据协会已经为红外连接指定了i r d a 标准，并且该标准已经被全球1 6 0 多个公司广泛采用。首先，红外和蓝牙都可以用于替代计算机和通信等设备之间的通信线缆。相对而言，红外的数据传输速度更快，而蓝牙应用更为灵活、范围更大。考虑到蓝牙l m b 的速度对于常规移动设备来说已经足够快了，因而在缆线替代方面，蓝牙要优于红外。其次，在将设备接连到有限局域网方面，红外的4 一1 6 m b 的速度要比蓝牙明显的更具有市场优势。而且在安全问题上，由于蓝牙的全方位特点造成它可以在任意方向上第二章蓝牙组网技术基础被窃听，所以蓝牙在基带协议中提供了授权和安全特性，每台蓝牙设备都可以授权给其他设备，之后将内容加密传送【l2 1 。总之，和红外相比较，蓝牙没有方向性的限制，而且成本较其更加低廉，蓝牙的支持者认为，蓝牙将以其智能件和全方位性战胜红外技术。h o m e r f 是特别针对家庭与小型规模的无线局域网技术作为主要应用对象的。对于普通的家庭p c 用户来说，h o m e r h 容易安装和设置，在家庭环境中，工作良好，价格便宜，并且不需要专用的接入设备，而且同一物理位置允许多个网络。它的缺点在于不适合用于简单的线缆替代应用，以及蓝牙擅长的a dh o c 点到点连接。与蓝牙技术相比较来说，蓝牙技术主要的应用方向是大型无线通信网络的组网以及小型低功耗的便携式设备，但h o m e r f 技术更适用于小型、低负荷的网络结构中。虽然说蓝牙技术与h o m e r f 技术各有自己的应用范围，f r 也说明了这两项技术足可以互为补足、相互共存的，并且它们都足采用的跳频扩频技术，因此也不必担心蓝牙与h o m e r f 共同使用时会发生互相干扰的状况。同时，h o m er f 不参与蓝牙的便携式或a dh o c 应用。因为h o m er f 是一种严格的“设置后不管”技术，不在任何环境里与蓝牙竞争。无线以人网兼窑性联盟采用了基于i e e e 开发的规范强壮的无线网络技术，该技术的核心是i e e e 8 0 2 1 l ，附加的w i f i 代表无线保真度。坪解8 0 2 1 l 的最好方法就足把其当成没有线缆的以太网，8 0 2 1 l 网络与有线的以太网网络的好处和代价是一样的。由于8 0 2 1 l 是严格用于数据传输的标准，所以它不处理语音信号。虽然8 0 2 1 l 可用于a dh o c 连接，但它的主要用途不是代替线缆，二是复制专用的以太网网络。如果按照现在的发展形势来看，蓝牙很可能在线缆替代和a dh o c 连接方而挤掉红外，毕竟建立a dh o c 连接是蓝牙与生俱来的能力。在这场无线技术的战斗中，可能的幸存者就足用于短距离和点对点连接的蓝牙技术，以及用于无线网络的8 0 2 1l w i f i 技术。因为许多公司同时支持这两个标准，希望将来能修改蓝牙和w i f i 设备，以便更好的共存。总之，鉴于基于蓝牙的医院病房多生理参数无线骼护系统的设计需求，在医院病房的环境中，节点通信距离有限，并且分布均与，而且系统只需要进行数据传输，并且要求节点具有功耗低和组网方便的特点，因而选择了蓝牙技术。2 2 蓝牙协议蓝牙技术的一个很重要的意义就在于使符合规范的各种产品设备问能够互相交换数据，这就要求各个设备都采用相同的协议。蓝牙规范的关键部分就是蓝天津工业大学硕j 二学位论文牙协议栈，该协议栈允许蓝牙设备互相连接并进行数据传输，从而实现设备问互操作的交互式应用。完整的蓝牙协议体系结构如图2 1 所示。订再d ，讧对w a e帅孵蜉酬m 酬l8 e xw a pla t ( 、啊疆埘再t c sb i ns d pu d pt ( pl i _p p pc 幽k #c p h w n 膏mp “ l t 盘i毒r 雅o ”ma d bl 蔗a ph o 瞄c 舶l “，i l “l n l # | i 囊潜l l pr w b * l d一图2 一l 蓝牙坍议的体系结构蓝牙协议可以分为三个部分：底层硬件模块、中间协议层和高层应用【1 。底层硬件协议：r a d i o 、b a s e b a n d 、l m p ：中间层协议：l 2 c a p 、r f c o m m 、s d p 、o b e x 、p p p 、i p 、t c p 、u d p 、t c s 、b n e p 、a v c t p 、a v d t p 、a t 指令集合和音频；应用层协议：指位于协议栈上的应用软件，包括开发拨号上网和通信之类的功能的应用程序。2 3 蓝牙网络概述作为蓝牙s i g 的一个工作组，蓝牙无线局域网工作小组的主要任务是定义基于i p 的蓝牙局域网应用规范协议，用来解决一些应用中的实际问题，例如数据包封装，微网中个人局域网，以及局域嘲中接入点等【1 5 】- 【1 6 j 。该协议主要是统一定义了两项内容，一是2 个及2 个以上蓝牙设备组a dh o c 网络的规则，二是怎样使用相同的方式通过网络接入点接入到远程网络中去【1 7 】。蓝牙嘲络具有以下a dh o c 网络的共同特点：1 独立组网能力蓝牙网络中多个蓝牙设备在组网时可以实现在短时间里根据相应的组网规则自动的组成一个独立的网络，并且4 i 需要任何的基站、路由等的设备支持。2 多跳路由第二章蓝牙组网技术基础因为蓝牙设备的发射功率通常都很低，所以蓝牙没备间的通信距离是在几米到几十米的范围内，因此蓝牙网络的覆盖范围就非常有限了【1 8 】。并且在多个设备彼此通信范围之外的节点要想实现数据通信，就必须要通过中问节点的转发，最终通过多跳来实现。3 拓扑动态变化蓝牙设备通常都是便携式的，因此有很强的移动性，这就表示在一个人的蓝牙散射网中，随时都有可能有新的节点加入到网络连接中，或者是网络中已经存在的节点要离开，也有些节点会根据设置随时关闭电源或置于休眠模式，节点数量的变化以及链路数量分布的变化，都会引起蓝牙网络的拓扑结构可能随时发生变化。4 特殊的信道特征受信号衰减和噪声、信道之间的干扰等的影响，蓝牙链路的带宽实际中远远小于其理论上的带宽，而且不是固定值。5 节点的局限性大部分蓝牙节点依靠电池供电，能量受限，而且节点存在移动性和内存小以及处理器处理能力有限等特点，因此有效的减少节点能耗非常重要。6 安全性虽然蓝牙在其基带协议中提供了授权和安伞特性，但由于a dh o c 网络特点，蓝牙设备还是容易被窃听。蓝牙网络还有不同于其他a dh o c 网络的一些特性【2 0 】：1 节点通信范围有限蓝牙设备的通信有效范围在几米到几十米之内，而i e e e 8 0 2 1 1 、z i 曲e e 等其它局域网络可达到几百米。2 移动性相对较小蓝牙节点的移动速率小。3 带宽窄蓝牙技术主要应用于在数据、语音无线传输等方面，因而要求的速度不用太高，当下蓝牙规范所定义的最高带宽也只有3 m b i t s 。2 4 蓝牙网络的拓扑结构2 4 1 蓝牙微微网微微网足蓝牙网络最基本的构成单元，单个微微网中包括一个主节点和最多7 个从节点【2 l 】。主节点的任务是为微微网提供时钟同步信号以及跳频序列，天津工、i k 大学硕，l 学位论文从节点作为受控同步单元接受主节点的控制。如图2 2 所示。图2 - 2 一个上设备和多达7 个从设备组成的微微网在每个微网中，用一组伪随机跳频序列来确定7 9 个跳频信道，这个跳频序列对于每个微微网来说是唯一的，由主节点的地址和时钟决定。蓝牙无线信道使用跳频时分复用( f h t d d ) 方案，信道以6 2 5 “s 时问长度划分时隙，根据微微网主节点的时钟对时隙进行编号，号码从卜( 2 2 7 1 ) ，以2 2 7 为一个循环长度，每个时隙对应一个跳频频率，通常跳频速率为1 6 0 0 跳s 【2 2 j 。主节点只在偶数时隙开始传送信息，从节点只在奇数时隙开始传送，信息包的开始与时隙的开始相对应。微微网中信道的特性完全由主节点决定，主节点的蓝牙地址( b da d d r ) 决定跳频序列和信道接入码，主节点的系统时钟决定跳频序列的相位和时问【2 3 1 。根据蓝牙节点的平等性，任何一个设备都可以成为网络中的主节点，而且主、从节点可转换角色。主节点通过轮洵从节点实现两者之间的通信。从节点只有收到主节点的信息包方可发送数据。如图2 3 ，从节点2 在t 时刻收到来自丰节点的数据包，此时频率为f i k ) ，之后它可以在下一个时隙通过f ( k + 1 ) 频率向主节点发送数据包。同理，从节点1 在t 2 时刻收到土节点的数据包，此时频率为坟k + 2 ) ，并且在时间t 3 通过频率坟k + 3 ) 发送数据包给主节点【2 4 】。第二章蓝牙组网技术基础2 4 2 蓝牙散射网图2 3 微微网内通信轮询机制2 个或2 个以上的微微网通过互联的蓝牙节点相互连接起来，就组成了一个大的蓝牙散射网。由于每个微微网都有各自的跳频序列，连接微微网的蓝牙节点通过时分复用机制，可以在不同的微微中进行跳换，所以各个微微网彼此之间不会发生同步，因而也就避免了同频千扰l z5 i 。连接微微网之问的蓝牙节点称为桥节点【2 6 1 ，桥节点既可以是微微网中的丰节点，也可以是从节点。桥节点通过不同时隙在微微网之间进行跳换，最终使整个蓝牙散射网完成数据无线传输的目标。蓝牙散射网是个人无线局域网络的一种特例。其最大特点是不需要基站设备的支持，并且网络中每个蓝牙设备4 、= 论是作为主设备还是从设备，它们的地位都是平等的，任何个设备都可以独立的进行分组转发决剩2 7 j 。2 4 3 蓝牙散射网拓扑构建关键问题在医院病房的实际应用环境中，蓝牙节点通常是均匀的、分散的分布在医院中，蓝牙散射网的拓扑构建就是将组彼此分离的蓝牙节点连接起来，因此蓝牙节点的瓦棚发现过程和节点的角色分配等问题对蓝牙网络的构建以及网络负载均衡影响很大。1 蓝牙节点的互相发现蓝牙节点的相互发现过程是整个拓扑构建的关键，因为在这一过程中，每个蓝牙节点都需要获知在其自身节点的通信范围内其他的蓝牙节点的信息，并且这个信息是对称的，但是蓝牙散射网中蓝牙节点个数的不确定性以及蓝牙节点连接的不对称性为整个发现过程提出了难题。2 首领节点的选举过程和方法因为节点开始时是异步的，还没有其他参与网络构成的节点的相关信息。天津工q k 大学硕上学位论文所以通过选举方式选取首领节点将控制整个网络的构成，获得所有参与构成网络的节点的相关信息，并保证最终形成的散射网足连通的。另外，首领节点的资源应该是丰富的，保证整个网络的健壮性。3 各微微网中的主节点的选举主节点负责维护各个微微网内的节点通信，主节点性能的好坏直接影响该网络的性能。主节点消耗的能量人，因此应该选择能量充分、健壮的节点作为主节点。4 桥节点的选择每个蓝牙微网中一个主节点与小于等于7 个从节点之间的连接是必须的，而且一个散射网中通常包括2 个或2 个以上微微网，这些微微网之间也必须要建立连接以达到数据通信的目的【2 8 j 。各个微微网之问的连接是通过桥节点来完成的。如果一个桥节点连接多个微网或者两个蓝牙微网之间存在过多的桥节点，那么就会不可避免的加多蓝牙网络冗余通信的连接，从而导致整个散射网的数据通信性能降低。所以在研究蓝牙组网的算法时就必须高度重视选桥算法的构建，从而有效降低微微网之间的= j c 余通信链接。在蓝牙网络中，特别是大的散射网，桥节点扮演着至关重要的角色。桥节点一般分为主桥节点和从桥节点。主桥节点即为m s 桥【2 引，意思是指桥节点在一个蓝牙微网中充当主设备节点而在另一个蓝牙微网中充当从设备节点。从桥节点即为s s 桥，是指桥节点在两个蓝牙微网中都充当从设备节点。在一个蓝牙网络里，一个桥节点在同一时问上只能在一个微微网中活动，充当丰节点或从节点，这样的话，就需要桥节点采用时分复用的方式在两个微网间进行切换，每次切换至一个微网的时候就与该微网保持时钟同步。总之，在保障网络通连性的基础上，桥节点的选取还要充分的考虑到桥节点本身的健壮性，当然网络通连的健壮惟也至关重要。所以在选择桥节点的时候，应尽量选取能量足够的节点。另外，整个网络中为了保证网络负载的平衡性，应该尽可能的减少桥节点的数量，从而避免桥节点在切换的过程中所带来的能耗与时延。2 4 4 蓝牙散射网拓扑构建规则设计通过以上分析，我们知道只有对以上几个关键n l j 题有所突破的拓扑构建算法才能构建出连通的，分布式的，时间延迟小的，健壮的蓝牙散射网，这样的蓝牙网络才能适用于医院病房之中。由于蓝牙采川的跳频技术，一个桥节点在同一时刻不可以在多个微微网巾同时处于活动状态，而足必须在处于一个时分基上的2 个微网之间进行切换，第二章蓝牙组网技术基础并且在切换时必须与当前的微微网处于同步，这样就会给系统带来大的开销，加大了整个网络的功率消耗。由此可知，蓝牙无线局域网的最关键的问题，就在于构造散射网时，以什么构建算法来创建散射网以及怎么选择节点作为主节点或桥节点。最终使得构建的网络在满足蓝牙标准规范以及通信量需求造成的束缚条件下，有效提高整个网络的容量、吞吐量和健壮度。基于以上叙述，本设计总结出了在一定基础之上相对提高蓝牙散射网的网络性能的组网规则，如下：1 将微微网数量固定在一个范围内，以便减少网问的相互干扰，降低网络复杂度。2 减少连接微微网问的桥节点的负载，以便更好的简化桥节点的调度算法，降低网络通信时延。3 限制微微网间的冗余通信链接，减少蓝牙节点的功耗，提高蓝牙网络吞吐量。4 尽可能的避免使用m s 桥而优先选择s s 桥，这样一来就可以有效的减少数据包在桥节点上转发时产生的延时，增加蓝牙网络的数据通信量。2 5 本章小结本章对蓝牙技术和蓝牙网络基本概念以及特点进行了介绍，阐述了蓝牙技术目前的发展和应用现状，重点对蓝牙网络在医院病房的实际应用环境中提出了网络拓扑构建的四点关键0 l j 题，并在这些问题的基础上设计了蓝牙网络拓扑构建规则，为之后的组网算法设计做了铺垫。天津工q p 大学硕上学位论文第三章基于蓝牙的病房多牛珲参数尤线监护系统的总体设计第三章基于蓝牙的病房多生理参数无线监护系统的总体设计在上个章节中，本文对基于蓝牙的无线监护系统的应用现状以及发展前景进行了描述。通过对国内外医疗护理的研究，说明了基于蓝牙网络在医疗上实现无线监护的意义。并在此基础上，对系统需要满足的设计要求以及技术指标等进行了阐明。本章中，将介绍系统的主要功能和总体方案设计，在需求分析的基础上，提出系统的设计方案，给出无线监护系统的总体框图结构，并从硬件电路和软件方面阐述了设计的思路。3 1 基于蓝牙的医院病房多生理参数无线监护系统的概述为了保证医护人员的高效- t 作和病患的有效护理，解决传统医院中医护需要定时定点甚至2 4 小时监护病人的费人费时问题，本课题面对医院，设计了基于蓝牙网络的医院病房多生理参数无线监护系统。医院无线监护系统采用无线通信技术为丰要的传输途径，通过扩展蓝牙模块米实现医院内部的网络建立，无线的组网技术可以更为先进的运用到医院里，当添加或是移除病患端数据采集设备时，可以无需拆线，只需要增减蓝牙节点就可以实现，最终达到对病忠采用电子监护而无需人t 的同的。病患端的主控制器结构框图如图3 一l 所示。图3 1 病患端结构框图天津工业大学硕l 学位论文本监护系统的基本工作流程：医院内部由蓝牙网络组成内部局域网，通过自组网的方式，相瓦之问独立- 丁作，并且每个蓝牙都可以和各自病患生理参数采集端的控制器进行通信；中央控制器以a l w 处理器为核心，体温和脉搏传感器的控制信息经由蓝牙模块传送至医院监护终端，医护人员可以通过监护室的p c 机查看每个病人的身体状况，并且发出警报。3 2 基于蓝牙的医院病房多生理参数无线监测系统的需求分析基于蓝牙的多生理参数无线监护系统的组网主要针对的是医院环境，医院里病房分布有着集中、均匀的特点。以一栋2 0 层楼高的医院为例，蓝牙的通信范围足在几米到几十米之内，完伞可以满足目前医院规模的需要，蓝牙网络可以完全覆盖整个医院。本设计利用蓝牙无线技术对采集到的病患生理参数数据进行接收并发送至终端医院监护中心，从而对数据进行监控及相应处理，实现医院中对病患的无线监护目的。对无线 监护系统进行组网可以解决医护人员工作量大和人工测量的费时费力问题，做到对病忠的实时和集中管理监护。基于以上特点，做出如下需求分析：1 中央控制器是整个病患端系统的核心，负责对数据的采集、处理和发送任务。2 生理参数采集端：包括体温和脉搏参数的采集。3 蓝牙设备：蓝牙设备足整个医护系统的核心，通过组网的方式，将病患端系统采集到的数据利用蓝牙网络，传送到医护终端。4 医院监护终端：通过蓝牙无线网络，将数据传送到监护终端的p c 机上，并实现预警功能。系统设计分析如表3 1 所示。表3 一l 设计分析名称医院病房多生理参数无线监护系统的组网设计目的对多个病患进行无线监护组网设计实现集中统一的无人监护数据传输率1 1 8 m s 2 1 m 拟选用节点数2 0 个成本3 0 0 0 元第三章基于蓝牙的病房多牛理参数无线监护系统的总体设计3 3 医院病房多生理参数无线监护系统的设计需要考虑的问题设计的丰要日的是在医院中利用该系统对病人进行生理检测，并将检测到的准确参数发送到监护中心。根据设计要求，要从两方面考虑，一是病患参数采集端的硬件选择，二是无线网络的组网需求。具体如下列所述：1 硬件的选择。传感器的选择，必须选用高精准度的脉搏传感器，因为脉搏信号幅度小，频率低，容易受到外界环境的干扰。所以只有精准的传感器才能准确的测量。另外，还是因为脉搏信号微弱，高精度的脉搏传感器内在的噪音系数要小，否则噪音会影响测量的准确度甚至埋没脉搏信号；主控制器的选择，因为作为病患端数据的处理和发送的主控制器，由于处理的数据量巨人，因此速度要快，并且还要满足低功耗的要求【3 。2 。电路的设计。应在采集系统中考虑设计一个低噪声放大电路，因为传感器提供的信号是一种相对微弱的电信号。3 网络容量及通信距离。无线监护系统组网是对病患采集系统进行组网设计以达到集中管理的月的。医院需要监护的病人的数量很多，因而需要大容量的网络结构，而蓝牙完伞可以满足系统的要求。一个蓝牙微微网可包括有7 个蓝三j ：网络节点，其中一个是主设备，其余是从设备。而由若干个微微网组成的散射网理论上可以有无限多个蓝牙网络节点。但由于频段的限制，一个散射网中，最多允许容纳7 9 9 个网络节点【3 l 】。网络节点的距离可以从几米扩展到几十米。从而可以满足医院的多病房、分布均匀的要求。4 网络的通信可靠性。在一个蓝牙网络中，各个蓝牙节点之问不需要人为的设置，只要有相同的名称命名和波特率，那么这些节点就可以自动的搜索各自通信范围内的蓝牙节点并且组成蓝牙网络。同时，当网络中有新的节点加入或是已经存在的节点离去，蓝牙网络都可以从新形成新的网络拓扑结构。由于蓝牙网络具有组网灵活简单且网络自愈能力强的特点，所以保证了信息无线传输的稳定性和可靠性。5 网络的功耗及成本。成本是关系到蓝牙无线网络是否能推广的重要因素。蓝牙设备功耗低，网络的运行成本大大降低。蓝牙网络具有自组网的功能，使得维护成本也大大降低。所以说，用蓝牙技术实现医院病房无线监护系统的组网具有很大的成本优势。天津工业大学硕士学位论文3 4 基于蓝牙的医院病房多生理参数无线监护系统的总体设计方案3 4 1 无线监护系统的体系结构设计医院病房多生理参数无线监护系统利用蓝牙技术实现对多个病患端的组网没计以实现集中管理和控制。单个控制器采用c o r t e x m 3 作为主控制器对人体体温和脉搏信息进行采集并控制相应的执行机构。采用蓝牙设备作为无线收发器对采集到的数据进行接收并发送至终端且| j 医院雌护管理中心对数据进行监控及相应处理，系统的体系结构包括三层：1 采集层：本层丰要包括病患端的参数采集部分，是系统的最底层。利用c o r t e x m 3 作为主控制器实现控制器的功能，采集病患的温度传感器信息及脉