基于GSM/GPRS和射频模块的人体医学数据监测样机设计

　　1、系统的组成及工作原理

　　该系统分为可移动式信息采集单元、固定信息处理单元和管理中心监控平台。

　　其中，每个可移动式信息采集单元包括控制压力传感器、心音传感器、血流传感器、呼吸传感器、温度传感器等医用传感器组成的监测机，一个无线射频模块nRF24L01和一个GSM/GPRS模块TC35i组成的数据中转单元，以及起主要控制作用的单片机C8051F330。

　　在监测过程中，由于本设计采用的单片机集成了A/D采样的功能，可以对采集数据进行存储且判断，如果数据不正确则蜂鸣器发出警报后重新采集。正确的数据（包括体温、脉搏、血压、心跳变化和呼吸频率等）一方面可通过LCD进行实时显示，另一方面，就医时通过固定信息处理单元中的单片机控制单元中的无线射频模块nRF24L01，将数据传输到监控中心(PC)。或在远离医疗点时利用，控制单元中TC35i模块以短信息的方式，利用通信部门提供的短信业务定时或实时地将以上数据送到管理中心（远程PC），录入SQLSever数据库，并对录入的体温值、脉搏值、血压值、心跳变化和呼吸频率等分项实时累计。

　　管理中心的检测人员可以随时查看用户的实时监测数据，医生可以通过对用户的人体医学数据的了解实现远程诊断。管理中心还可每天发送天气预报、健康小常识等内容给用户，以供用户参考使用。此外，若发现在某一时间段，用户持续没有发送检测数据到管理中心，检测人员还可主动向用户发送信息，给予提醒。当用户端的采集器处于开机状态时，用户端的采集单元可自动发送近期采集到的数据到管理中心，供检测人员参考。并且，当用户自身突发疾病时，可启动设备发出求救信号，尽可能地帮助其及时得到救助。

　　2、系统硬件电路设计

　　2.1nRF24L01无线射频模块nRF24L01是一款工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM频段免许可使用的单片无线收发器芯片。

　　nRF24L01数据包处理模式分为Schock Burst模式和增强型Schock Burst模式两种，由于典型的双向链接——发送方要求终端设备在接收到数据后有应答信号，以便于发送方检测有无数据丢失，一旦数据丢失，则通过重新发送功能将丢失的数据恢复。并且增强型的Schock Burst模式可以同时控制应答及重发功能而无需增加MCU工作量。因此，本系统采用了后面一种，增强型Schock Burst模式使得双向链接协议执行起来更为容易、有效。nRF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的数据，本系统设计中，采用主—从五的星型网络结构，功能完全满足预期要求。

　　2.2GSM/GPRS模块

　　TC35i模块是西门子公司推出的一种支持中文短信息的无线通信模块，它是集射频电路、基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短信息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的开发设计及应用。

　　2.3中央处理器

　　C8051F330具有高速流水线结构的8051兼容的CIP-51内核，最高可达到25MIPS执行速度；全速非侵入式的系统调试接口（片内，C2接口）。此中央处理器具有片内温度传感器以及多信号输入接口，大大增加了系统的实用性和扩展性。

　　3、软件设计

　　系统程序设计分为近距离数据传输和远程数据传输两个部分。具体过程如下。

　　在就医时，无线射频模块主要是通过接收单片机的控制指令，然后完成用户一个月的采样数据的传输任务。系统上电后，首先进行必要的初始化操作，包括设置C8051F330单片机的I/O口工作方式、开中断等，然后初始化LCD显示屏，使其显示相关内容，最后进行无线射频模块的初始化，并设置其工作模式为发送模式。单片机进入主程序后，就一直检测有没有采样数据并实时显示，通过无线射频模块发送至固定信息处理单元中的无线射频模块，利用其上传至医疗点PC中。每发送和显示完一次数据后再检测是否在有效时间内收到应答信号，如果收到控制信号则认为发送成功。没有则返回重发相同的数据包，直到收到应答信号或超过了设定值重发次数。

　　远程数据传输中，单片机进入主程序后首先可检测近程监测的状态。如果近程传输还在继续，则继续检测。若没有则通过程序中指令自动开启TC35i或发出警告音提醒用户手动开启TC35i，对于采样后的数据新写入历史记录和临时缓冲区。然后根据相应的AT指令初始化TC35i，对数据是通过GSM直接发送短信还是选择GPRS网络发送短信进行所需要的指令配置，以及发送短信息的格式（TXT或者PDU）指令配置。单片机首先检测缓冲区内是否有数据，当有PC发来短信或检测人员打来电话时，程序产生中断，运行至相应的AT指令段，单片机就接收PC机发送过来的控制短信或电话，对短信或电话进行解码，从中提取出有用的控制字符并在LCD中显示，判断字符内容是否为“请求发送数据”，是的话则检测缓冲区中数据，发送相应内容短信到远程管理中心。否则就可以显示天气预报，健康提示等内容。当单片机检测到求救按钮被按下时，立即响应蜂鸣器同时拨打出求救电话。否则将直接把缓冲区的数据通过GSM或GPRS网络发送到目的号码。由于模块作用于电信移动运营商，可利用运营商的基站对手机的距离测算来确定手机位置。因此，用户可以周期性地发送位置信息，以便管理中心或亲属对其的位置查找。每当用户发送的信息被管理中心成功接收后，用户可以收到短信被成功接收的回执。

　　4、管理中心

　　管理中心采用Visual Basic和SQLServer数据库实现的功能——（1）人机交互的实现和完美的用户界面。（2）监测信息获取和处理。对收到的信息进行数据分析后，发送健康提示给用户，例如：“今天身体不错哦，需要保持哦！”还可实时发送天气预报、保健知识等给用户。（3）数据库的管理与维护。

　　5、调试与结果

　　在Keil环境下将工程成功下载至芯片后，将用户端的监测系统佩戴至某人身上，当佩戴者与固定信息处理单元处于有效距离内，在程序的设定时间内管理中心接收到佩戴者人体医学数据，且与佩戴者端LCD显示一致。当佩戴者处于较远距离，不论在GSM下，还是在GPRS下，均能在程序的设定时间内管理中心接收到佩戴者人体医学数据，且与佩戴者端LCD显示一致。当管理中心（参与实验的其他人员）拨打佩戴者设备中的号码或发送其短信时，在程序的设定时间内管理中心接收到佩戴者人体医学数据。佩戴者产生的“自救警报”功能也同样正确实现。

　　该样本在以后的工作中还可以利用模块本身具备的功能，集成电话号码薄的存储和选择号码功能，加入紧急联络人的号码，确保用户在求救是及时得到救助。

　　6、结束语

　　本文所设计的人体医学数据传输系统，利用现有较稳定网络下，在保证个人信息安全，准确地传输到意向目的。能够满足一般性近距离及远程监测、定位的要求，系统构造成本较低，低功耗、性价比高，是基础医疗管理的有效手段和工具，可提高突发疾病的救助率，有利于医疗保障的科学管理。本系统可作为长期患有心血管、高血压等疾病人群的好帮手，尤其可作为独居人群安全保障的辅助设备。

　　杨庆 张瑞峰 天津大学 电子信息工程学院(天津300072)