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藍牙無線通信技術在醫(yī)療監(jiān)護中的應用

作者: 時間:2008-06-17 來源:網絡 收藏

0引言

目前的監(jiān)控設備多數(shù)是由獨立設備構成,通過打印或屏幕顯示信息。獲取患者信息需要大量工作,護士需要不斷到患者床邊觀察監(jiān)視器上的重要數(shù)據(jù)并將它們記錄下來,可能產生輸入錯誤。如何從設備直接自動收集患者信息并通過網絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫,實時、遠程患者情況,成為當前護理迫切解決問題。技術具有跳頻快、數(shù)據(jù)包短、功率低、穩(wěn)定、抗干擾能力強、輻射小等特點,非常適合解決上述問題。文中基于技術特點,提出了監(jiān)控系統(tǒng)設計方案,并對方案的關鍵部分進行了研究。

1技術及其特征

1.1藍牙技術

SIG組織于1999年7月26日推出了藍牙技術規(guī)范1.0版本。藍牙技術的系統(tǒng)結構分為三大部分:底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高層。底層硬件部分包括跳頻[1](RF)、基帶(BB)和鏈路管理(LM)。跳頻層通過2.4GHz無需授權的ISM頻段的微波,實現(xiàn)數(shù)據(jù)位流的過濾和傳輸,本層協(xié)議主要定義了藍牙收發(fā)器在此頻帶正常工作所需要滿足的條件?;鶐ж撠熖l以及藍牙數(shù)據(jù)和信息幀的傳輸。鏈路管理負責連接、建立和拆除鏈路并進行安全控制。

藍牙技術結合了電路交換與分組交換的特點,可以進行異步數(shù)據(jù)通信,可以支持多達3個同時進行的同步話音信道,還可以使用一個信道同時傳送異步數(shù)據(jù)和同步話音。

中間協(xié)議層包括邏輯鏈路控制和適應協(xié)議、服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議、串口仿真協(xié)議和電話通信協(xié)議。邏輯鏈路控制和適應協(xié)議具有完成數(shù)據(jù)拆裝、控制服務質量和復用協(xié)議的功能,該層協(xié)議是其它各層協(xié)議實現(xiàn)的基礎。服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議層為上層程序提供一種機制來發(fā)現(xiàn)網絡中可用的服務及其特性。

主機控制接口層(HCI)是藍牙協(xié)議中軟硬件之間的接口,它提供了一個調用基帶、鏈路管理、狀態(tài)和控制寄存器等硬件的統(tǒng)一命令接口。藍牙設備之間進行通信時,HCI以上的協(xié)議軟件實體在主機上運行,而HCI以下的功能由藍牙設備來完成,二者之間通過一個對兩端透明的傳輸層進行交互。在藍牙協(xié)議棧的最上部是各種高層框架。

藍牙系統(tǒng)一般由4個功能單元組成,如圖1所示。


圖1 藍牙系統(tǒng)功能單元

1.2藍牙技術特征

(1)工作在2.56GHz ISM頻段

(2)使用跳頻擴頻[2]FHSS技術

(3)一個微微網中可支持8個設備

(4)全向傳輸,設備不須定向

(5)范圍為10米到100米

(6)成本低,每片藍牙技術芯片約20美元

(7)功率為1mW

(8)使用外部功放可將有效范圍擴展到100米左右

2藍牙技術在醫(yī)療中的應用

2.1系統(tǒng)硬件結構設計

圖2醫(yī)療系統(tǒng)框架圖

醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)硬件結構由中央處理芯片MSP430F449、藍牙芯片以及其它外圍模塊(語音模塊、數(shù)據(jù)提取模塊、鍵盤和液晶顯示屏等組成)。醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的整體結構框架如圖2所示。

2.2 硬件介紹

(1) MSP430F449芯片

微處理芯片采用的是MSP430F449芯片,由美國TI公司生產的一種以超低功耗為主要特色的16為單片機,同時具有高集成度、寬環(huán)境溫度范圍、高精度A/D轉換等技術性能,擁有串行通信接口、硬件乘法器、LTD驅動電路及高抗干擾能力等特點。

(2) 藍牙芯片

BRF6100是德州儀器(TEXAS INSTRUMENTS;TI)開發(fā)的。將藍牙基頻、射頻、記憶體、電源管理、PLL、Loop filter、antenna switch、filters整合成單一芯片,也率先采用0.13微米 CMOS銅制程。根據(jù)TI的說法,能夠提升晶片效能、降低成本、減少機板面積是BRF6100的三大特色。適用于 802.11b 的協(xié)作 I/F 與 TI 移動無線 LAN、OMAP[3]平臺、TCS 芯片組解決方案無縫集成 其先進的架構在利用了數(shù)字射頻處理的獨特高性能處理特性的同時,還沿用了 TI 0.13u 數(shù)字 CMOS 處理技術。

BRF6100的特性包括:

制程:0.13u CMOS

使用電力:25mA

電壓:1.7-3.6V

靈敏度:-85dBm (0.1% BER)

整合RF Switch

最高傳輸速度為723.2K/s

可在- 40~+85℃的溫度下工作

最高可與7個Slave裝置進行傳輸

2.3系統(tǒng)實現(xiàn)原理

將藍牙監(jiān)控設備放在每個病房中,同醫(yī)療設備連接,收集病人的信息。經由基站接收機,將病人的信息和自身基站的地址信息相組合,經RS485總線發(fā)送給臨近的上一個基站接收機,再由這個基站上傳,直至發(fā)送到中心服務器,由中心服務器進行數(shù)據(jù)的分析,處理,并提供查詢,管理等功能。各科室可以時時了解病人信息,實現(xiàn)對病人的遠程監(jiān)護,一旦病人病情惡化,藍牙監(jiān)控設備將報警信號傳送到中心服務器上,監(jiān)護人員可以在第一時間確定病人房間號碼和病人情況,以便采取應急措施。監(jiān)控設備分布如圖3所示。


圖3 監(jiān)控設備分布圖

數(shù)據(jù)采集與報警流程圖如圖4示。


圖4 系統(tǒng)流程圖

3藍牙抗干擾特性分析

藍牙技術成本低,功耗小,具有獨特的抗干擾性。

(1)抗噪性能分析

在高斯噪聲環(huán)境下,系統(tǒng)不受干擾的條件為:在誤碼率(BER)為0.1%的條件下,傳入C/IAWGN達到21dB。為了保證接收機不受干擾,接收機接收的信號功率必須大于其接收靈敏度RXSENX,按以下公式計算載波干擾比[4]為:

其中,GN為總噪聲增益,G為放大器增益,N0+10logB(dBm)為接收機輸入加性高斯白噪聲功率,N0(dBm/Hz)為單位接收噪聲密度,B(Hz)為接收機接收信號帶寬。

(2)抗同頻干擾性能分析

藍牙設備在保證系統(tǒng)可用性方面采取了一些措施,如采用跳頻、糾錯編碼[5]、ARQ機制、HEC算法等。

4 結束語

基于藍牙無線通訊技術的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)利用藍牙網絡容量大、功耗低、實時性等優(yōu)勢,采用BRM6100藍牙芯片,實現(xiàn)藍牙無線定位和基站的通信,基站發(fā)送無線信號到中心服務器,可以實現(xiàn)控制中心對患者的動態(tài)監(jiān)護。藍牙無線通訊技術存在著傳輸距離短,傳輸信號可能被干擾等問題,在一定程度上影響了藍牙技術在醫(yī)療中的應用。隨著藍牙技術的不斷成熟,藍牙技術在醫(yī)療中的應用會越來越廣泛。

本文創(chuàng)新點:充分利用藍牙技術的特點,將藍牙技術和現(xiàn)有醫(yī)療設備結合,動態(tài)提取患者信息,對患者進行遠程監(jiān)護,從而更加完善了醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。

參考文獻

[1] 劉傳菊,王克強,肖明明. 無線系統(tǒng)中Bluetooth鏈路的有效性及可靠性研究[J]. 微計算機信息,2006(14):213-215.

[2] 李莉. 一種藍牙無線傳感器網絡的實現(xiàn)[J].微計算機信息,2006(20):244-246.

[3] 金純,林金朝,萬寶紅.藍牙協(xié)議及其源代碼分析[M].北京: 國防工業(yè)出版社,2006:10-11.

[4] 楊光松,石江宏,孫建民.藍牙抗干擾技術及2.4GHz無線網絡頻率共存分析[J]. 信息技術,2003(9):9-10.

[5] 馬建倉,羅亞軍,趙玉亭.藍牙核心技術及應用[M].北京:科學出版社,2003:184-185.



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