李晓芳 王金海
（天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387）
摘 要：针对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，提出一种基于蓝牙网络的医院病房无线监护系统。该系统以Cortex-M3为中央处理器，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，设计出硬件电路和软件开发流程，实现对病患及时有效的无线监护功能。测试结果表明，该系统数据采集准确，无线传输性能稳定，蓝牙网络连接符合医院病房无线监护系统的通信要求。
关键词：无线监护；蓝牙；Cortex-M3；LPC1768；蓝牙模块 中图分类号：TN923 文献标识码：A
The study of Bluetooth physiological parameters wireless
monitoring system
Li Xiaofang, Wang Jinhai
(College of Electronics and Information Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China) Abstract: Aim at the problems about the workload of medical-staffs and imperfection of patient physiological parameters recording, a wireless monitoring system which is based on the Bluetooth network is proposed. In this system, Cortex-M3 is used as the central controller and 2.0 Bluetooth as the communications protocol. Hospital interior network is built up by extending Bluetooth module, circuit hardware components and software development processes are designed the same time. The test results show that, the data acquisition is accurate, wireless transmission is stable and Bluetooth network connection is more suitable for the hospital sickroom wireless monitoring system. Key word: Wireless Monitoring System, WIFI, Cortex-M3, LPC1768, Bluetooth Module
0 引言
近年来，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。医学临床监护技术是将患者的各重要生理信息及时、准确地提取出来进行处理、分析，以利于医护人员对患者病情进行检测和防护的技术。随着现代信息技术的发展以及人们对自身保健质量要求的不断提高，医疗保健业日益朝着移动、无线、便利方向发展。医疗保健机构正逐步通过各种通信方式从保健现场获得患者信息并更新它们的数据库[1-2]。
从发展的角度来看，医疗保健产品的无线化、网络化是趋势，移动型、掌上型产品将成为未来市场的主流。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监护的目的。该设计是把患者的各种重要的生理
信息及时准确地提取出来通过蓝牙无线网络，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。医疗单位希望以一种低成本、高可靠性的无线传输方案来代替传统的有线方式。蓝牙技术具有微功率、抗干扰能力强、组网灵活等特点，是实现无线医疗监护系统的理想选择[3-4]。
1 病房无线监护系统的总体设计
1.1 蓝牙技术
蓝牙（Bluetooth）技术是一种短距离无线通信技术，是针对相距很近的便携式器件之间的链接（最初是依赖红外线链路（IrDA）链接）而提出的。蓝牙技术的目的是利用短距离、低成本的无线多媒体通讯技术在小范围内将各种移动通讯设备、固定通讯设备、计算机及其终端设备、各种数
收稿日期：2011-11-02； 修返日期：
作者简介: 李晓芳(1985－),女(汉族),内蒙古自治区包头市人 ,硕士研究生,主要研究领域为嵌入式系统与应用、信息检测与智能处理, (E-mail：lixiaofang0813 @163.com)；王金海(1966－),男,教授,硕士生导师,主要研究领域为信息检测与智能处理、嵌入式系统与应用、现代传感器与智能仪器.
字系统（包括数字照相机、数字摄影机等）连接起来，实现无缝的资源共享。其实质内容是建立通用的无线电空中接口(radio air interface)及其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步结合，使不同厂家生产的便携式产品在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内具有相互操作的性能。
蓝牙协议规范遵循开放系统互连参考模型（OSI/RM），采用了层次化的协议栈结构，整个协议体系结构分三大部分：底层硬件模块、中间协议层和高层应用[5]。
底层硬件协议：Radio、BaseBand、LMP；
中间层协议：L2CAP、RFCOMM、SDP、OBEX、PPP、IP、TCP、UDP、TCS、BNEP、AVCTP、AVDTP、AT指令集合和音频；
应用层协议：指位于蓝牙协议栈之上的应用软件和其中所涉及的协议，包括拨号上网和语音通信等功能的蓝牙应用程序。
1.2 医院病房无线监护网络结构
在医院无线监护系统中主要包括cortex-3中央控制器、体温采集模块、脉搏采集模块和蓝牙传输模块。系统的基本工作流程：采用ARM CotexM3作为信息控制模块，是整个系统的控制核心，对采集到的生理参数数据进行接收，并通过蓝牙网络传送到医院的监护终端。结构如图1：
图1 医院无线监护系统总体结构框图
2 系统的硬件电路设计
医院无线监护系统主要完成参数采集、存储、控制以及通信等功能。考虑到本系统对微控制器的要求较高，在处理过程中需要较快的运算速度，传统的单片机已经不能满足要求，因此本设计采用Cortex-M3为微控制器。硬件电路包括：ARM的电路系统，蓝牙模块电路，串口电路等设计。 2.1 中央控制器设计
针对于所设计的人体生理参数无线监测系统的特点，需要一个供电电压比较低的，体积小，功耗低，运行速度快的微处理器作为主要的控制芯片，同时由于要测量多个人体生理参数(脉搏、体温)，需要A／D转换端口进行数据处理。所以就选取了ARM CotexM3作为控制模块。 Cortex-M3微控制器用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。它可
提供系统增强型特性，例如现代化调试特性和支持更高级别的模块集成。其应用范围广泛，如自动抄表，医疗设施，家庭娱乐，工业控制等[6]。
Cortex-M3微控制器的外设组件包含高达512KB的Flash存储器、64KB的数据存储器、USB主机/从机/OTG接口、8通道的通用DMA控制器、4个UART、2条CAN通道、2个SSP控制器、SPI接口、3个I2C接口、8通道的12位ADC、10位DAC、带独立电池供电的超低功耗RTC和多达70个的通用I/O管脚。基于以上特点采用该控制器可大大降低了整个系统的成本和设计的复杂性，有效地减少了总体系统开销，加快系统开发进度。中央控制器结构如图2：
图2 中央控制器结构
2.2 蓝牙模块设计
本蓝牙模块硬件部分主要包括4个部分：BlueCore2-Ext芯片、RS232串口、电源和天线。如图3：
图3 蓝牙模块系统框图
CSR公司的BlueCore2-External芯片非常适用于实际应用。本设计就选用了该芯片。它在一块单芯片上实现了射频与基带电路，极大地减少了外部元件的使用。其无线输出功率和灵敏度远远优于蓝牙规范的要求
[7]
。
BlueCore2-External虽然使用了成本低廉的印制射频组件，却没有明显减少发射距离。系统中主蓝牙模块在接收到主控制器发送的信息后，将信息通过蓝牙网络发送给从蓝牙，最后由从蓝牙模块传输给监护中心PC机，最终完成信息的无线传输。蓝牙模块电路图如图4：
图4 蓝牙模块电路图
2.3 串口电路设计
串口电路的设计主要用于与信息控制模块CotexM3进行通信、与PC机进行通信及进行程序的下载和调试。用串口线将M3的串行接口和蓝牙模块串行接口相连，并设置好波特率等参数即可实现信息控制器和无线模块的通信。同样，将PC机的串行接口和蓝牙模块的串行接口用RS232进行连接，即可实现PC机与无线模块通信的硬件连接，从而实现病患生理参数采集端和医院监护管理中心的通信。无线模块的串口电路通过 SP3223E完成电平转换，电路设计如图5：
图5 串口电路原理图
2.4 数据传输流程
只需要接上模块的UART_TX，UART_RX，UART_RTS，UART_CTS，GND，VCC,即可使用该模块。采用三线方式通讯的时候接上UART_TX，UART_RX，GND,VCC，并将UART_RTS接到GND上。上电以后，蓝牙透明传输模块初始化，PIO5为低电平，当蓝牙透明传输模块与远端的模块连接成功后，PIO5为高电平，此时，就可以将数据写入UART异步串口和接收异步串口数据。
本系统蓝牙数据传输的通信速率为9600bps,这是受M3的UART接口速率限制的原因。在实验室室内的普通条件下,传输距离10米,数据传输稳定可靠。通过外接射频功率放大模块,可使蓝牙通信距离达到100m[8]。
3 蓝牙组网拓扑构建
作为医院有线局域网的补充，蓝牙无线个域网克服了有线网络的弊端，可利用电脑等随时随地进行生命体征数据等
的查询录入，在无线监护方面发挥着重要作用[9]。本系统提出的蓝牙网络构建算法可以对微微网数目进行合理控制，并能有效减少微微网间的冗余通信链接，减轻桥设备的负载，从而提高蓝牙散列网的性能。 3.1 主节点的选择
每个组网蓝牙设备接通电源后周期性切换成Inquiry或Inquiry Scan状态，以发现其他设备或被发现。当两个处于相对模式的蓝牙节点互相发现后，便进行WEIGHT值的比
较（相等时，蓝牙地址大的一方获胜），WEIGHT值较小的一方将已收集到的FHS封包传给WEIGHT值较大的一方，并进入Page scan状态，WEIGHT值较大的一方接收对方的FHS封包后，将其TIMEOUT值复位，继续随机进入Inquiry或Inquiry scan程序；如此一再重复，直到TIMEOUT时间内，都没有再发现任何节点为止（节点会相继进入Page scan，只有处于Inquiry或Inquiry scan状态的节点能相互发现），该节点就是选举出来的主节点，它将进入Page程序，它的变量BACK值变为1，整个程序将进入桥节点的选择阶段。第一阶段的程序流程图如图6：
图6节点选取阶段流程图
3.2 桥节点的选择
综合考虑，在需要连接的节点数大于22时，桥节点数量Nb 定为3是较好的选择。从节点数Ns尽量为7，具体选择方案如下：
当N总≤8时，Nb＝0，Ns＝N总－1； 当9≤N总≤15时，Nb＝1，Ns＝7； 当16≤N总≤22时，Nb＝2，Ns＝7； 当N总>22时，Nb＝3，Ns＝7；
初始微微网构成后，并确定桥节点数后，整个程序进入第三阶段。
3.3 组成散射网
每个主节点寻呼各自所发现的设备。通过互连各个微微网，形成蓝牙散列网.
程序结束后，新微微网形成，次主节点成为该微微网的主节点，新的主节点继续选择它的次主节点，新的次主节点同样运行微微网构成程序，微微网的构成过程逐步展开，最后生成一个将所有节点连接起来的散射网。
第二、三阶段程序流程图如图7：
图7 逐级构建微微网从而构成散射网
4 蓝牙通信与蓝牙网络测试结果
测试结果表明，该系统实现了医院蓝牙网络的通信功能，并可以通过蓝牙网络对采集到的生理参数无线传输到医院监护中心。 4.1 蓝牙模块的测试
蓝牙模块与控制板Cortex-M3调试时，发送端为PC机通过KEIL调试器连接到M3控制板，M3串口发送数据给蓝牙；接收端为PC机与蓝牙通过串口连接。蓝灯表示连接成功，接收端通过串口调试助手可直接在PC机上接受数据。主、从蓝牙模块与控制板的实物连接如图8：
图8 蓝牙模块与主控制器实物连接图
4.2 蓝牙网络的仿真结果
本设计在基于NS的BlueHoc 蓝牙网络模拟环境下，对蓝牙散射网拓扑构建算法进行软件模拟，并给出了相应模拟结果。
图9 模拟结果—初始微微网建立
5 结束语
无线通信技术的应用与发展，引得人们越来越多的关注无线通信组网技术，而把无线通信技术应用于医疗设备的工作尚处于起步阶段，但己显示出广阔的前景。多生理参数无线监护系统采用蓝牙技术进行数据的无线传输,给病人带来了行动上的便利,也给医院监护、远程医疗等创造了条件。随着网络的普及和推广，将医院家庭中的各种带有网络功能的医疗设备通过无线技术连接成局域网络，并与外部Internet相连，构成智能化、多功能的现代医疗系统将会成为新的流行趋势。
参考文献：
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[7] Samsung.LPC1768-BITRISCMICROPROCESSOR
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[8] 中华人民共和国《公共网络平台》系列国家标准之
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[9] 吴凯, 吴效明. 穿戴式生理检测技术的研究与应用
[J]. 中国组织工程研究与临床康复, 2007，（22）.
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