2019年02月15日 | 一种基于GSM的远程医疗自动呼救系统详解

随着生存压力加大和我国社会老龄化的加剧，老人家庭“空巢化”成为社会发展的趋势。当空巢老人遇到诸如心脏病、高血压等疾病突发时，多伴有神志不清、无行为能力、跌倒等症状，大多数情况下，病人无法自己完成呼救措施，常常因此错过最佳抢救时机而造成不良后果。针对这一问题，本文设计了一种基于GSM的远程医疗自动呼救系统。该系统具有携带方便、可靠性高、传输距离远的优点，能够解决空巢老人的医疗救助问题。

1 系统描述

基于GSM的远程医疗自动呼救系统由多个从站和一个主站组成，其网络结构如图1所示。从站系统由若干医疗监测设备、控制器和GSM模块组成，进行生命体征的检测与无线传送。主站通过GSM模块与从站进行通信，并对接收到的相关数据进行分析，为后续的医疗救护提供参考。

用户携带的从站系统定时唤醒医疗监测设备对用户进行生命体征的检测，从站控制器将采集来的数据与预先设定的正常生命体征值进行比对。一旦超出正常范围，从站控制器将通过GSM模块向主站（医疗机构）发送用户编码（用于区分不同用户）和当前生命体征值，同时向用户亲属的手机发送预警信息。主站（医疗机构）可根据用户编码调出用户的既往病历，结合当前的生命体征值制定相应的救护方案。

2 系统硬件设计

从站系统通常由电子血压计、跌倒检测模块、GSM模块和微处理器（CPU）组成。主站系统由GSM模块、微处理器（CPU）、显示与报警电路（也可通过串口模块连接计算机）组成。系统硬件框图如图2所示。

医疗监测设备可根据监测对象实际情况进行合理选择。本文重点考虑老年人中常见的心脏病和高血压病，故仅选用了电子血压计、跌倒检测模块。同时为了减少能耗，降低更换从站电池的频率，采用MSP430系列超低功耗微处理器。

2.1 无线通信模块

采用西门子公司的无线数据传输模块TC35，它能可靠地实现数据、语音传输、短消息业务。该模块集射频电路和基带于一体，模块工作电压为3.3～5.5 V，可工作在900 MHz和1 800 MHz两个频段，向用户提供标准的AT命令接口，方便用户的应用开发及设计。该模块还提供RS232数据接口，可方便的与单片机进行串口通信。

2.2 微处理器与GSM的接口连接

本系统中的微处理器采用MSP430系列单片机。该系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，集成了丰富的片内外设，可以最大限度降低系统电路的复杂度，减少了系统的功耗和体积。

单片机与GSM模块连接方式如图3所示。单片机与GSM模块通过串口模块MAX232进行电平转换后连接（MAX232具有驱动能力，无需外加驱动电路）。需要注意的是：主站与从站之间可以进行双向通信，通过用户地址码对从站加以区分。从站与从站之间不能直接通信。

2.3 跌倒检测模块

本系统采用GY-29-ADXL345数字加速度模块实现跌倒检测。该模块的核心是超低功耗3轴加速度计ADXL345，其测量范围达±16 g，数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI或I2C数字接口访问。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度，具有极高的分辨率，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。

跌倒检测的基本原理是通过测量携带该模块的用户在运动过程中3个正交方向的加速度变法来获得该用户身体姿态变化的信息，从而判断该用户是否发生跌倒。

人体失重跌倒其3个正交方向的合成加速度

，且持续与跌倒的高度成正比（可据此判断跌倒的危害性）。人体跌倒后，一般会保持短暂的静止状态（如因跌倒导致昏迷，静止状态可能持续时间较长）。同时，人体一旦发生跌倒，其当前的姿态与前一刻姿态会在短时间内发生较大的变化。本系统中，根据当前合成加速度值、当前的姿态与前一刻姿态的变化来判断是否发生跌倒;根据合成加速度小于lg的持续时间和人体保持静止状态的时间来判断跌倒的危害大小。

2.4 生命体征监测

考虑到老人常见的心脏病、高血压，本系统采用PAL-901腕式电子血压计来实现生命体征监测。该血压计可测量心率、高压、低压，测量数据可通过串口输出，单次发送6字节数据，传输速率为19 200 bit/s，电平电压2.8 V。而且该血压计体积小、供电电源采用干电池，携带非常方便。

3 系统软件设计

3.1 通信协议

在无线传输过程中，由于天气状况、干扰与噪声等因素的影响，从站和主站之间的无线通信往往会出现传输帧的丢失或数据传输出错（误码）。为了确保传输的可靠性，需要制定相应的通信协议。

本系统采用的GSM传输数据帧结构由帧头、用户地址编码、跌倒标识、生命体征数据、CRC校验部分组成。GSM传输数据帧结构如图4所示。

在实际应用中，噪声产生的数据为1111111100000000的概率很低，因此发送数据帧以0xFF和0x00为帧头，以避免数据误接收。用一个字节地址编码来区别不同的用户从站系统。数据检错采用CRC校验方式。接收端检测到0xFF和0x00字节后，表示收到的数据帧有效。如果该帧CRC校验正确，则说明接收正确，否则表示该帧传输出错，丢弃该帧。

3.2 程序流程

基于GSM的远程医疗自动呼救系统程序流程如图5～6所示。

从站系统定时唤醒电子血压计对用户生命体征进行检测，并将采集来的数据与预先设定的正常值进行比对。一旦超出正常范围，则通过GSM模块向主站（医疗机构）发送用户编码和当前生命体征值，同时向用户亲属的手机发送预警信息。主站接收到数据后，进行数据的有效性、可靠性验证。通过验证后，则发出警报并显示用户编码和生命体征值。

4 结束语

文中设计了一种基于GSM的远程医疗自动呼救系统。该系统利用加速度传感器测量跌倒时的信号，提出了意外跌倒的检测算法。并以电子血压计监测用户的生命体征，利用GSM无线通信模块进行数据传输与报警，具有携带方便、可靠性高、传输距离远的优点，能够在一定程度上解决空巢老人的医疗救助问题。