摘 要： 目前， 針對糖尿病的主要治療方法為用血糖儀頻繁測量患者體內(nèi)的血糖含量， 據(jù)此對患者的血糖代謝進行調(diào)節(jié)。 借鑒無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及體域網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)與思想， 利用 CDMA 蜂窩移動通信技術(shù)與 2.4G 射頻通信技術(shù)設(shè)計了一個可用于監(jiān)護個人及小區(qū)域內(nèi)多人血糖情況的無線遠程血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 此血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)糖尿病的遠程診療， 拉近醫(yī)患距離， 減輕患者痛苦。 重點介紹了血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，詳細描述了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點CDMA和2.4G無線通信功能的設(shè)計與實現(xiàn)。

　　糖尿病是一種對人體危害極大的終身性疾患， 全世界范圍內(nèi)其患者數(shù)都在逐年增加， 給個人、家庭和社會帶來沉重負擔(dān)。 2013年， 全世界有510萬人的死因為糖尿病， 平均每 6 秒就有一人因糖尿病而死。 糖尿病儼然成為一種世界性難題。 目前， 糖尿病主要通過用血糖儀檢測患者血糖濃度水平， 據(jù)此調(diào)節(jié)體內(nèi)葡萄糖代謝的治療手段來控制。 各種組織和機構(gòu)多推薦采用便攜式血糖儀頻繁地進行自我血糖檢測。

　　近年來， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及在其基礎(chǔ)上發(fā)展出的無線體域網(wǎng)受到廣泛關(guān)注， 成為熱點研究領(lǐng)域。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是用于感知、采集和處理感知對象信息并將信息發(fā)送給觀察者的由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點組成的自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， 可廣泛應(yīng)用于健康護理、軍事、環(huán)境檢測、智能家居、工農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域， 并向其他領(lǐng)域不斷擴展。 體域網(wǎng)則是由安裝在人體周圍或植入人體中的傳感器組成的檢測人體生理參數(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)， 在醫(yī)療保健、軍事、消費電子、體育等多個領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本文結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和體域網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)與思想，設(shè)計了可用于家庭、社區(qū)、醫(yī)療機構(gòu)等場所的對人體血糖進行遠程無線監(jiān)護的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， 使醫(yī)生能夠在遠端根據(jù)測量結(jié)果實時給出診療意見， 拉近了醫(yī)患距離，適當平衡了分布不均的醫(yī)療資源的使用， 為糖尿病的嚴格控制提供了一種經(jīng)濟方便的解決方案。

　　1 CDMA與2.4G通信技術(shù)

　　從傳輸速率、安全性、通信質(zhì)量、功耗、成本等角度出發(fā)， 本文所設(shè)計血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)采用 CDMA 蜂窩移動通信與 2.4GHz 頻段射頻通信兩種無線通信技術(shù)來實現(xiàn)。

　　CDMA 蜂窩移動通信技術(shù)是美國高通(Qualcomm)公司提出的基于 CDMA(Code Division Multiple Access，碼分多址)擴頻技術(shù)的 2G 數(shù)字蜂窩系統(tǒng)標準。 與其他第二代(2G)蜂窩移動通信技術(shù)相比， CDMA 具有抗噪聲、抗干擾能力強， 服務(wù)質(zhì)量好， 系統(tǒng)容量大， 靈敏度高， 功耗小， 輻射小， 保密功能強， 成本低等優(yōu)勢。

　　2.4G 射頻通信是指工作在 2.4GHz-2.5GHz ISM 頻段上的電磁波無線通信技術(shù)。 ISM 頻段是國際上為工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用目的的射頻能量所保留的自由開放的頻段， 工作在 ISM 頻段下的設(shè)備無須申請授權(quán)， 只要遵守所在國家的無線電使用規(guī)則即可免費使用。 ISM最初被提出是為了適應(yīng)當時正在興起的微波加熱技術(shù)，目前， 一些比較流行的無線通信技術(shù)都建立在 2.4G 免費頻段上， 雖然這有違 ISM 建立的初衷， 但 2.4G 無線通訊技術(shù)的發(fā)展并沒有與各種 ISM 設(shè)備互相干擾， 反而促進了 2.4G 無線技術(shù)的蓬勃發(fā)展。

　　2 血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)

　　本血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)的用戶可以分為個人用戶和集體用戶兩類。 個人用戶主要為糖尿病患者和希望預(yù)防糖尿病的個人。 對于他們而言， 本血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)可幫助其隨時隨地進行自我血糖檢測， 并將檢測結(jié)果即時傳輸?shù)奖O(jiān)護網(wǎng)絡(luò)后臺服務(wù)系統(tǒng)， 方便醫(yī)護人員、家屬和檢測者查看， 及時掌握測量者的血糖情況。 集體用戶主要是指提供醫(yī)療保健服務(wù)的社區(qū)、醫(yī)院、診所等， 本血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)可以為這些用戶縮短血糖檢測的時間，提高工作人員的效率， 同時較少人工干預(yù)的特性也能減少工作人員的操作失誤。

　　根據(jù)前面介紹的 CDMA 和 2.4G 兩種無線通信技術(shù)的特點分析可知， 2.4G 射頻通信是一種低成本， 短距離， 低功耗， 可用于區(qū)域內(nèi)組網(wǎng)的無線通信技術(shù)，利用它可以將分布在一定范圍內(nèi)的多個節(jié)點組成一個自組織的網(wǎng)絡(luò)。 因此 2.4G 技術(shù)正符合在社區(qū)、醫(yī)院、

　　診所等一定范圍內(nèi)有多個有血糖檢測需求用戶的場景中， 將多個節(jié)點所測得的血糖信息通過形成的網(wǎng)絡(luò)匯聚到本地的服務(wù)器， 供醫(yī)護人員、測量者及其家屬及時掌握測量者的血糖情況， 以便對糖尿病進行嚴格精細的治療。 但面對個人用戶及集體用戶中沒有本地服務(wù)器的情況時， 由于 2.4G 通信技術(shù)不具備連接互聯(lián)網(wǎng)的能力， 不能與遠端的醫(yī)療服務(wù)器進行通信， 本設(shè)計選擇了成本相對高， 但能夠?qū)崿F(xiàn)高效可靠互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?CDMA 技術(shù)來實現(xiàn)遠程通信， 這樣通過 2.4G組網(wǎng)后匯聚的血糖數(shù)據(jù)便可通過 CDMA 發(fā)送到遠端的服務(wù)器中。

　　綜合考慮成本、功能和性能， 本設(shè)計將血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為兩種： 全功能設(shè)備(Full FunctionDevice， FFD) 和 精 簡 功 能 設(shè) 備 (Reduced Function Device， RFD)， 它們的區(qū)別在于所能支持的無線通信功能不同。 FFD 同時具有 CDMA 蜂窩通信功能和2.4GHz 無線射頻通信功能； 而 RFD 則出于成本考慮，不提供 CMDA 蜂窩通信功能。 由此可見， RFD 節(jié)點不具備互聯(lián)網(wǎng)連接能力， 不能直接向后臺上傳測量結(jié)果，如果要向后臺傳輸數(shù)據(jù)， 須用其具備的2.4GHz射頻通信功能連接其他可以接入 Internet 的設(shè)備來中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，否則， RFD 只能作為本地血糖測量工具。 而 FFD 節(jié)點則沒有通信功能上的限制， 可以自行聯(lián)網(wǎng)， 也可通過中轉(zhuǎn)的方式傳輸數(shù)據(jù)。

　　2.1 個人用戶網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

　　針對個人用戶的監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，系統(tǒng)分為四個層次， 第一層是持有 FFD 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的個人用戶， 第二層為監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)所依賴的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境， 提供基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)， 第三層為處在遠端的醫(yī)療服務(wù)器后臺， 可用于接收、存儲、處理和查詢用戶血糖數(shù)據(jù)， 第四層為測量者個人、醫(yī)護人員或家屬。 在此情境下， 血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)的典型工作流程為個人用戶采用FFD設(shè)備進行血糖自我檢測； 然后利用FFD的CDMA蜂窩通信CDMA2000 1X 網(wǎng)絡(luò)傳輸功能連接互聯(lián)網(wǎng)， 通過第二層提供的 CDMA 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)將測得的血糖信息上傳到第三層的服務(wù)器， 第三層接收到數(shù)據(jù)后對其進行存儲加工， 最后第四層的用戶用能夠連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)訪問第三層遠端醫(yī)療服務(wù)器提供的服務(wù)， 查詢用戶血糖數(shù)據(jù)。 當發(fā)生血糖測量結(jié)果過高或者測量者有急性身體不適的緊急狀況時， 用戶還可以通過 FFD設(shè)備的 CDMA 短消息服務(wù)(Short Message Service，SMS)以短信的方式向醫(yī)護人員和家屬發(fā)出緊急求救信號。

　　圖 1 個人用戶網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

　　2.2 集體用戶體系結(jié)構(gòu)

　　集體用戶的特點為在特定區(qū)域內(nèi)存在多個檢測用戶， 故而設(shè)計其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。 針對集體用戶的血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)也分為四層， 與個人用戶下的監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)不同的是， 第一層由單個 FFD 節(jié)點變成了多個RFD 節(jié)點和單個 FFD 節(jié)點的組合。

　　在圖 2 所示的集體用戶血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，同一區(qū)域內(nèi)的多個測量節(jié)點構(gòu)成了一個星型網(wǎng)絡(luò)， 其中的 FFD 節(jié)點同時充當網(wǎng)關(guān)(即無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點)和終端的角色， 而其他 RFD 節(jié)點都只能是檢測終端。 此時監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)的血糖檢測流程為所有測量者都用各自手中的設(shè)備測量自身血糖； 之后 RFD 設(shè)備會利用其 2.4GHz 射頻通信功能將測量結(jié)果發(fā)送給網(wǎng)關(guān)FFD 節(jié)點； FFD 節(jié)點會對其自身的以及從 RFD 接收來的測量結(jié)果進行與個人血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)中FFD點一樣的處理； 之后的工作流程便與個人用戶時的血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)相同。 考慮到一個 FFD 覆蓋范圍內(nèi)很多人都同時發(fā)生突發(fā)情況造成長時間延遲報警求救的能性比較小， 所以出現(xiàn)緊急情況時也采取與血糖檢測同樣的處理方式， 即 RFD 節(jié)點通過 2.4GHz 射頻通信的方式連接 FFD 網(wǎng)關(guān)節(jié)點進行中轉(zhuǎn)， FFD 節(jié)點利用自身 CDMA短信通信功能發(fā)送報警求救信息。

　　此處的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計充分考慮了成本因素， 在系統(tǒng)的成本與傳輸性能之間做了均衡。 一個范圍內(nèi)只部署一個FFD節(jié)點， 其他檢測節(jié)點都采用RFD這樣的設(shè)計會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r性有所下降， 但在同時進行測量的用戶不是很多的情況下影響并不大。 如果在需要較高實時性或同時測量者數(shù)量龐大的集體用戶環(huán)境中實施本血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)， 可以考慮多部署一些 FFD 節(jié)點，將集體用戶中的測量者分散到不同F(xiàn)FD網(wǎng)關(guān)節(jié)點所在2.4G 射頻范圍內(nèi)， 構(gòu)成多個星型網(wǎng)絡(luò)， 減少單個 FFD節(jié)點上的數(shù)據(jù)流量， 提升傳輸性能。 最極端的情況下可以對集體用戶中的每個測量者均使用 FFD 設(shè)備， 使每個人都構(gòu)成一個個人用戶血糖監(jiān)護網(wǎng)。

　　圖 2 集體用戶網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

　　3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)

　　3.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點整體設(shè)計

　　根據(jù)血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)的需要， 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點應(yīng)具備CDMA 蜂窩通信、2.4G 無線射頻通信和血糖檢測功能，同時節(jié)點還需為測量結(jié)果記錄時間和溫度信息， 除此之外， 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點還應(yīng)具有液晶顯示和按鍵交互能力，并需電源提供能量。 由此， 對 FFD 節(jié)點做如圖 3 所示的整體設(shè)計， 用 MCU(Micro Control Unit)作為主控控制其他模塊協(xié)調(diào)工作， RFD 從 FFD 的設(shè)計中裁剪掉CDMA 功能即可。

　　圖 3 FFD 節(jié)點整體設(shè)計

　　3.2 CDMA 蜂窩通信

　　FFD 節(jié)點所具備的 CDMA 蜂窩通信功能采用中興通 訊 研 制 的 CDMA2000 1X 單 800MHz 工業(yè) 模塊MC8332 來實現(xiàn)。 MC8332 支持最大 153。6Kbps 的數(shù)據(jù)上下行速度， 內(nèi)置 TCP/IP 和 UDP/IP 協(xié)議棧， 支持 TCP 服務(wù)器協(xié)議和嵌入式 FTP 協(xié)議； 能夠方便用戶在 CDMA2000 移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方， 隨時隨地以無線方式連接互聯(lián)網(wǎng)， 收發(fā) Email、瀏覽網(wǎng)頁、高速下載、在線播放視頻，同時它還能實現(xiàn)收發(fā)短信息和語音通話。

　　圖 4 MC8332 電路原理圖

　　圖 4 所示即為 MC8332 的電路原理圖， 圖中(1)為MC8332 和其響鈴、開關(guān)電路以及其他外圍接口電路網(wǎng)絡(luò)。 (2)為 MC8332 專門用于 AT 命令的串口與 MCU串口連接時的電平轉(zhuǎn)換電路， 由于 MC8332 模塊的串口采用 2。85V CMOS 電平而 MCU 的串口為 3。3V TTL電平， 為了不損壞模塊并實現(xiàn)穩(wěn)定的串口通信， 必需進行電平轉(zhuǎn)換。 (3)為中國電信 RUIM 卡插槽電路。 (4)為MC8332的音頻接口電路， MC8332提供了兩路聽筒和話筒接口， 但不能同時工作； 本設(shè)計選擇其中的單端輸入輸出接口分別與話筒和揚聲器連接并 用MC34119 低功耗音頻放大器對音頻輸出信號放大以達到較好的音頻效果。 (5)為 MC8332 模塊的工作狀態(tài)指示燈電路， 通過 LED 不同頻率的閃爍可以表示模塊所處的工作狀態(tài)； 由于 MC8332 的 RSSI_LED 驅(qū)動能力不夠， 故而用到了三極管對電流進行放大以驅(qū)動 LED燈工作。

　　按照圖 4 的原理圖實現(xiàn)了電路之后， 根據(jù)MC8332 的設(shè)計規(guī)范， 將 MCU 與 MC8332 連接的串口配置為 9。6kbps 波特率、1 位停止位、8 位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗?zāi)Ｊ讲㈤_啟中斷， 之后 MCU 便可通過串口發(fā)送 AT 命令并接收 MC8332 狀態(tài)信息對 CDMA 模塊進行控制。 圖5即為用MC8332進行通信的流程圖， 圖中(1)為用 MC8332 連接 Internet， 用 TCP/IP 連接發(fā)送數(shù)據(jù)的流程， (2)為利用 MC8332 通過 CDMA 蜂窩系統(tǒng)發(fā)送短信息的過程。 它們均由 MCU 發(fā)出的一系列 AT命令結(jié)合模塊的反饋來實現(xiàn)。

圖5 CDMA通信流程圖

　　3.3 2.4G 射頻通信

　　本血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)的 FFD 節(jié)點和 RFD 節(jié)點均采用Atmel 公司生產(chǎn)的 8 位高性能 ATmega128RFA1 MCU作為主控。 這款 MCU 采用先進的精簡指令集體系結(jié)構(gòu)， 包含 128KB Flash、4KB EEPROM、15KB SRAM片內(nèi)存儲， 擁有定時器/計數(shù)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串口等豐富的外設(shè)， 超低低功耗。 同時， ATmega128RFA1 還在片上全面集成低功耗2.4GHz ISM頻帶收發(fā)器， 能夠完全兼容IEEE 802。15。4和ZigBee協(xié)議， 支持250kb/s、500kb/s、1Mb/s 和 2Mb/s 傳輸速度， -100dBm 接收信號敏感度和高達3。5dBm的發(fā)送功率， 擁有128字節(jié)的幀緩存， 天線分集， 收發(fā)控制和基帶信號處理等特性。

　　所以 ，實現(xiàn)2.4G 射頻通信功能只需對ATmega128RFA1 增加幾個簡單的輔助電路即可，具體電路原理圖如圖 6。 圖中右下角的電路為 16MHz 的晶振 Y4 與其負載電容通過 MCU 的 XTAL1 和 XTAL2端口為片上集成的 2.4GHz 無線射頻模塊提供時鐘信號。 圖中左邊的部分為 2.4GHz 通信模塊的天線電路，天線 RF1 的射頻輸入信號由平衡轉(zhuǎn)換器 B2 轉(zhuǎn)換為差分射頻端口阻抗； 電容用于交流解耦， 提高一致性。

　　圖6 2.4G 射頻通信電路原理圖

　　電路實現(xiàn)后，通過設(shè)置寄存器配置2.4G模塊工作于兼容 IEEE 802。15。4 MAC 協(xié)議的擴展操作模式下， 將PANID 設(shè)為 0x5854， MAC 地址設(shè)置為前 32 位為 0 后 32位為機器編號， 同時設(shè)置用中斷處理數(shù)據(jù)收發(fā)。 本設(shè)計將 IEEE 802。15。4 協(xié)議幀中的內(nèi)容數(shù)據(jù)制定為一個簡單的通信協(xié)議。 首先 RFD 設(shè)備廣播發(fā)送請求信息^req+0xFF； 收到 FFD 網(wǎng)關(guān)的允許信息^acpt+0xFF 之后RFD 設(shè)備廣播發(fā)送^ack+FFD MAC address+0xFF 確認所選FFD 網(wǎng)關(guān)； 之后 RFD 將數(shù)據(jù)以^data+數(shù)據(jù)內(nèi)容+0xFF的格式發(fā)送到FFD節(jié)點； FFD在收到之后通過CDMA連接 互 聯(lián) 網(wǎng) 轉(zhuǎn) 發(fā) ； 轉(zhuǎn) 發(fā) 成 功 之 后 回 復(fù) RFD 以^ack+upok+0xFF 確認上傳成功。 在一個 FFD 網(wǎng)關(guān)通信范圍內(nèi)一臺 RFD 與其通信的空隙， 如果另一臺 RFD 請求發(fā)送， 則 FFD 將不響應(yīng)。 如果兩臺 FFD 同時收到同一RFD 的請求， 則^acpt+0xFF 率先被 RFD 收到的 FFD 充當網(wǎng)關(guān)， 而^acpt+0xFF 較晚被 RFD 收到的 FFD 在收到RFD 發(fā)出的網(wǎng)關(guān) MAC 地址確認后回到原來的工作狀態(tài)。

　　3.4 其他功能

　　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點除了通信功能外， 還采用電流型葡萄糖氧化酶酶電極生物傳感器電化學(xué)血糖測量方法實現(xiàn)了血糖檢測功能； 用 1N4148 二極管作為溫度傳感器實現(xiàn)了溫度測量功能； 用 DS1302 涓流充電時鐘芯片實現(xiàn)了實時時鐘功能； 用 ST7565P 點陣液晶驅(qū)動器實現(xiàn)了液晶顯示； 用一塊 3。7V 輸出電壓的可充電鋰電池作為電源； 同時， 還為節(jié)點設(shè)計了四個按鍵， 方便與使用者交互。

　　4 結(jié)語

　　本文參考當下被熱門研究的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和體域網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)與思想， 利用 CDMA 蜂窩移動通信技術(shù)和 2.4G 射頻通信技術(shù)設(shè)計了可用于個人和一定范圍內(nèi)多個用戶的無線遠程血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)并對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)進行了介紹， 重點講述了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通信功能的設(shè)計與實現(xiàn)。 本血糖監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)糖尿病的遠程診療與管理， 方便患者足不出戶即可得到遠端醫(yī)護人員的治療指導(dǎo)， 減輕患者的痛苦， 提高醫(yī)護人員的工作效率； 同時存儲在遠端服務(wù)器內(nèi)的血糖濃度歷史數(shù)據(jù)能夠給病情分析提供精確可靠的依據(jù)。