為了實現傳感器網絡的遠程監護，結合ZigBee和GPRS各自的優勢和特點，提出了一種基于ZigBee通信技術和GPRS移動通信網絡相結合的遠程智能醫療監護系統的設計方案。該方案基于高速低耗的主控單片機來實現ZigBee協議、TCP/IP、GPRS和GSM的協議之間的轉換，可運用于醫療監護及各類需要無線接入物聯網的數據處理轉發需求，并通過互聯網云端Yeelink平臺實現遠程監測數據的功能。實際測試結果表明，該系統穩定可靠，方便擴展、實時性強。

0 引 言

隨著物聯網的不斷普及和技術的廣泛推廣，物聯網技術給醫療衛生行業帶來了深遠的影響。“物聯網醫學” 成為了人們關注的另一個焦點，“物聯網醫學”是復旦大學附屬中山醫院在第七屆上海國際呼吸研究研討會上向國內醫學界提出的。

所謂物聯網醫學，指的是利用傳感技術，將傳感器固定在人體上，傳感器的終端嵌入和連接到醫療檢測設備里，醫生可通過手機或電腦連接到該終端，實時地實現對病人全天候、遠程檢測及診斷。

1 遠程智能醫療監護系統

針對物聯網醫學提倡的全方位互聯的特點，本文將ZigBee 和GPRS 技術相結合，充分利用網絡資源，設計了對智能醫療多監護參數進行處理、傳輸和可視化的網關系統，在一定范圍內配置一處或者多處血壓、體溫、血氧和脈搏傳感器，組成ZigBee無線傳感器網絡。ZigBee網絡作為低功耗、低復雜度、低成本且可自動組網的無線網絡技術，支持傳感器信息采集、傳輸和處理，可以將不同點的多個傳感器數據利用無線網絡進行通信，同時結合GPRS 技術實現遠程監控，改變了傳統無線傳感網絡需要依托有線公共網絡進行數據傳輸的限制，解決了同時安裝大量檢測裝置、布線量大、線路維護和更改困難的難題，使網絡顯示出巨大的優勢。

圖1 所示是遠程智能醫療監護系統架構圖。該系統將信息通過HTTP POST 數據包上傳到互聯網云端Yeelink 平臺，從而實現對體征數據的實時采集、處理、可視化和遠程監測。

實際測試結果表明，該系統穩定可靠，方便擴展、實時性強。

2 網關節點硬件設計

設計實現了一種基于STC12C5A60S2 為主控芯片的智能網關系統，單片機負責GPRS 與ZigBee 網絡之間的雙向數據轉換，網關實際上是一個基于GPRS 協議和ZigBee 協議的轉換網關。在ZigBee 網絡中，網關起到網絡協調器的作用，主要工作包括ZigBee 組網組建、監聽終端節點以及與終端節點之間的雙向通信等；另外，網關節點還承擔GPRS 協議與ZigBee 協議間數據的轉換，GPRS 網絡數據的接收和發送，以及處理GSM 短信息查詢等任務。

該系統的網關硬件節點電路分為ZigBee 通信模塊、GPRS 通信模塊和電源供電模塊。網關硬件結構圖如圖2 所示。

2.1 電源供電模塊

因ZigBee 模塊和GSM模塊所需電壓分別為3.3V和5.5 V，故系統的電源模塊將9V 的電壓輸入轉化為3.3V 和5.5 V 這兩種電壓輸出供處理器和其他模塊使用。該方式的特點：一是系統電源模塊能留出足夠的余量，最大可提供3 A 的電流，從而防止因功率輸出過大造成電源芯片發熱、燒毀；其二是本系統通過LDO 芯片LM2575-5 和LM1117-3.3 兩級降壓，設計電源精度為98%，紋波為30 mV，能滿足系統要求。

2.2 ZigBee 通信模塊

ZigBee 通信模塊是基于TI 公司CC2530F256 芯片，內部運行ZigBee2007/PRO 協議棧，具有ZigBee 的全部特性。針對復雜的ZigBee 協議，本模塊將協議棧嵌入模塊內部，只留出串口，在與主控芯片通信時無需考慮ZigBee 內部協議棧，只需要讀寫串口即可實現數據的無線傳輸，簡單易用，可大大減少開發周期。ZigBee 模塊可通過串口連接到PC，可直接配置參數設置為協調器、路由器和終端節點。協調器為最初加入網絡的節點分配網絡地址（16 位），每個ZigBee 網絡需要唯一的一個協調器；路由器可以接收、轉發數據，起到路由和中繼的作用；終端節點通常為電池供電的低功耗設備，用于采集傳感器數據，周期性發送數據。ZigBee 組網狀況使用Sensor Monitor 軟件觀察。本網關系統采用星型網絡，因此只用到ZigBee 協調器和終端節點。圖3 所示是星型網狀的ZigBee 組網。

2.3 GPRS 通信模塊

GPRS 模塊使用的是龍尚的A8000， 其采用德國英飛凌的基帶芯片， 具有超高的接收靈敏度， 是一款雙頻900/1800 MHz 高集成度的GSM/GPRS 模塊。內嵌TCP/IP 協議模塊，使用簡單，支持GSM Rec.07.07/07.05 及其特有擴展指令集，通過UART 控制，與單片機通過串口直接通信。

3 網關節點軟件設計

軟件設計包括2 個部分：網關軟件和監控中心管理軟件。網關的軟件開發平臺為Keil C51，ZigBee 內部運行ZigBee2007/PRO 協議棧，ZigBee 組網監控軟件為SensorMonitor，監控中心PC 服務管理軟件開發平臺為云端Yeelink.

3.1 ZigBee/GPRS 網關的程序設計

ZigBee/GPRS 網關的程序流程如圖4 所示。系統上電后網關節點進行初始化操作，接著搜索空閑工作信道、啟動ZigBee 網絡并等待終端節點的連接請求。待所有終端節點成功加入ZigBee 網絡后，進入等待狀態，直到監測平臺發出數據采集命令，則將該命令經ZigBee 網絡轉發至所有終端節點。

終端節點根據命令或者定時調用數據采集程序獲取當前生理數據，對數據進行初步處理后上傳至網關節點。網關節點收集所有的數據進行分析、處理、融合，得到統一格式的數據包，通過GPRS 模塊將數據包上傳互聯網云端Yeelink 平臺，平臺完成對數據的處理和分析工作。

3.2 ZigBee 網絡指令設計

針對系統數據傳輸方式為階段性喚醒查詢方式，ZigBee無線網絡數據傳輸采用點對點數據傳輸方式。點對點數據傳輸可以在網絡內部任意節點直接通過點對點指令來設置傳輸，指令格式為0XFD+ 數據長度（ 用戶自定義）+目標地址+ 數據，下面以源節點（地址0×0001）發送數據01 02 03 04 05 06 到網關地址（0X143E）為例，源節點發送數據格式如圖5 所示。

該格式發送的數據為FD 01 3E 14 01 02 03 04，接收到的數據也為FD 01 3E 14 01 02 03 04 05 06.但需特別注意數據區的長度，它可自由定義，不一定等于數據區實際長度，也可以作為其他表示用途。目的地址，低位在前，高位在后，合起來是0X143E.點對點傳輸具有任意節點之間傳輸的好處，在路由加入網絡后，短地址不會發生改變。目標地址=FFFF，為廣播發送；目標地址=0000，則表示發送給協調器。

3.3 GPRS 移動網絡指令

Yeelink 物聯網平臺是一個免費的物聯網平臺，允許用戶將設備接入到網站，從而實現對設備的監測和控制。利用現成的物聯網平臺可大大節省開發周期。以下是單片機發送AT 指令控制GPRS 模塊連接互聯網，并向Yeelink 物聯網平臺發送HTTP POST 數據包的部分過程指令：

3.4 系統測試

本測試過程中，以測量多點室溫為監測量，系統采用階段性的休眠和喚醒狀態。每個節點每隔1 min 被喚醒一次，進行數據的采集，并等待協調器發出傳輸命令將數據傳送到協調器，然后進入休眠狀態。系統的一個節點的溫度在互聯網Yeelink 平臺的監視界面如圖6 所示。

4 結 語

本設計方案將ZigBee 技術和GPRS 技術應用于生理參數智能醫療監護系統中，實現無人值守時被監護人生理參數實時遠程監測、異常情況警告和短信查詢等功能，避免人工測量的麻煩，減輕醫護人員的負擔，保證受監護人始終處于監控狀態。經驗證，本方案在實際運行中穩定、可靠，可廣泛應用于各類無人值守遠程智能監護系統。（作者：黃沃彬，陳本紋，張志偉，梁雙斌）