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的血糖含量， 據此對患者的血糖代謝進行調節。 借鑒無線傳感器網絡及體域網相關的技術與思想， 利用 CDMA 蜂窩移動通信技術與 2.4G 射頻通信技術設計了一個可用于監護個人及小區域內多人血糖情況的無線遠程血糖監護網絡系統。 此血糖監護網絡能夠實現糖尿病的遠程診療， 拉近醫患距離， 減輕患者痛苦。 重點介紹了血糖監護網絡的網絡架構，詳細描述了網絡節點CDMA和2.4G無線通信功能的設計與實現。

　　糖尿病是一種對人體危害極大的終身性疾患， 全世界范圍內其患者數都在逐年增加， 給個人、家庭和社會帶來沉重負擔。 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， 據此調節體內葡萄糖代謝的治療手段來控制。 各種組織和機構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， 無線傳感器網絡及在其基礎上發展出的無線體域網受到廣泛關注， 成為熱點研究領域。 無線傳感器網絡是用于感知、采集和處理感知對象信息并將信息發送給觀察者的由部署在監測區域內的大量微型傳感器節點組成的自組織無線通信網絡系統， 可廣泛應用于健康護理、軍事、環境檢測、智能家居、工農業等諸多領域， 并向其他領域不斷擴展。 體域網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的無線網絡， 在醫療保健、軍事、消費電子、體育等多個領域有著廣闊的應用前景。本文結合無線傳感器網絡和體域網的相關技術與思想，設計了可用于家庭、社區、醫療機構等場所的對人體血糖進行遠程無線監護的網絡系統， 使醫生能夠在遠端根據測量結果實時給出診療意見， 拉近了醫患距離，適當平衡了分布不均的醫療資源的使用， 為糖尿病的嚴格控制提供了一種經濟方便的解決方案。

　　1 CDMA與2.4G通信技術

　　從傳輸速率、安全性、通信質量、功耗、成本等角度出發， 本文所設計血糖監護網絡采用 CDMA 蜂窩移動通信與 2.4GHz 頻段射頻通信兩種無線通信技術來實現。

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

　　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。 ISM 頻段是國際上為工業、科學和醫用目的的射頻能量所保留的自由開放的頻段， 工作在 ISM 頻段下的設備無須申請授權， 只要遵守所在國家的無線電使用規則即可免費使用。 ISM最初被提出是為了適應當時正在興起的微波加熱技術，目前， 一些比較流行的無線通信技術都建立在 2.4G 免費頻段上， 雖然這有違 ISM 建立的初衷， 但 2.4G 無線通訊技術的發展并沒有與各種 ISM 設備互相干擾， 反而促進了 2.4G 無線技術的蓬勃發展。

　　2 血糖監護網絡

　　本血糖監護網絡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防糖尿病的個人。 對于他們而言， 本血糖監護網絡可幫助其隨時隨地進行自我血糖檢測， 并將檢測結果即時傳輸到監護網絡后臺服務系統， 方便醫護人員、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療保健服務的社區、醫院、診所等， 本血糖監護網絡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， 同時較少人工干預的特性也能減少工作人員的操作失誤。

　　根據前面介紹的 CDMA 和 2.4G 兩種無線通信技術的特點分析可知， 2.4G 射頻通信是一種低成本， 短距離， 低功耗， 可用于區域內組網的無線通信技術，利用它可以將分布在一定范圍內的多個節點組成一個自組織的網絡。 因此 2.4G 技術正符合在社區、醫院、

　　診所等一定范圍內有多個有血糖檢測需求用戶的場景中， 將多個節點所測得的血糖信息通過形成的網絡匯聚到本地的服務器， 供醫護人員、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器的情況時， 由于 2.4G 通信技術不具備連接互聯網的能力， 不能與遠端的醫療服務器進行通信， 本設計選擇了成本相對高， 但能夠實現高效可靠互聯網數據傳輸的 CDMA 技術來實現遠程通信， 這樣通過 2.4G組網后匯聚的血糖數據便可通過 CDMA 發送到遠端的服務器中。

　　綜合考慮成本、功能和性能， 本設計將血糖監護網絡的網絡節點分為兩種： 全功能設備(Full FunctionDevice， FFD) 和 精 簡 功 能 設 備 (Reduced Function Device， RFD)， 它們的區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 節點不具備互聯網連接能力， 不能直接向后臺上傳測量結果，如果要向后臺傳輸數據， 須用其具備的2.4GHz射頻通信功能連接其他可以接入 Internet 的設備來中轉數據，否則， RFD 只能作為本地血糖測量工具。 而 FFD 節點則沒有通信功能上的限制， 可以自行聯網， 也可通過中轉的方式傳輸數據。

　　2.1 個人用戶網絡體系結構

　　針對個人用戶的監護網絡體系結構如圖 1 所示，系統分為四個層次， 第一層是持有 FFD 網絡節點的個人用戶， 第二層為監護網絡所依賴的網絡環境， 提供基礎的網絡服務， 第三層為處在遠端的醫療服務器后臺， 可用于接收、存儲、處理和查詢用戶血糖數據， 第四層為測量者個人、醫護人員或家屬。 在此情境下， 血糖監護網絡的典型工作流程為個人用戶采用FFD設備進行血糖自我檢測； 然后利用FFD的CDMA蜂窩通信CDMA2000 1X 網絡傳輸功能連接互聯網， 通過第二層提供的 CDMA 網絡服務將測得的血糖信息上傳到第三層的服務器， 第三層接收到數據后對其進行存儲加工， 最后第四層的用戶用能夠連接互聯網的設備通過網絡訪問第三層遠端醫療服務器提供的服務， 查詢用戶血糖數據。 當發生血糖測量結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設備的 CDMA 短消息服務(Short Message Service，SMS)以短信的方式向醫護人員和家屬發出緊急求救信號。

　　圖 1 個人用戶網絡體系結構

　　2.2 集體用戶體系結構

　　集體用戶的特點為在特定區域內存在多個檢測用戶， 故而設計其網絡體系結構如圖 2 所示。 針對集體用戶的血糖監護網絡也分為四層， 與個人用戶下的監護網絡不同的是， 第一層由單個 FFD 節點變成了多個RFD 節點和單個 FFD 節點的組合。

　　在圖 2 所示的集體用戶血糖監護網絡體系結構中，同一區域內的多個測量節點構成了一個星型網絡， 其中的 FFD 節點同時充當網關(即無線傳感網絡中的匯聚節點)和終端的角色， 而其他 RFD 節點都只能是檢測終端。 此時監護網絡的血糖檢測流程為所有測量者都用各自手中的設備測量自身血糖； 之后 RFD 設備會利用其 2.4GHz 射頻通信功能將測量結果發送給網關FFD 節點； FFD 節點會對其自身的以及從 RFD 接收來的測量結果進行與個人血糖監護網絡中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護網絡相同。 考慮到一個 FFD 覆蓋范圍內很多人都同時發生突發情況造成長時間延遲報警求救的能性比較小， 所以出現緊急情況時也采取與血糖檢測同樣的處理方式， 即 RFD 節點通過 2.4GHz 射頻通信的方式連接 FFD 網關節點進行中轉， FFD 節點利用自身 CDMA短信通信功能發送報警求救信息。

　　此處的網絡設計充分考慮了成本因素， 在系統的成本與傳輸性能之間做了均衡。 一個范圍內只部署一個FFD節點， 其他檢測節點都采用RFD這樣的設計會導致網絡傳輸的實時性有所下降， 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量龐大的集體用戶環境中實施本血糖監護網絡， 可以考慮多部署一些 FFD 節點，將集體用戶中的測量者分散到不同FFD網關節點所在2.4G 射頻范圍內， 構成多個星型網絡， 減少單個 FFD節點上的數據流量， 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 設備， 使每個人都構成一個個人用戶血糖監護網。

　　圖 2 集體用戶網絡體系結構

　　3 網絡節點設計與實現

　　3.1 網絡節點整體設計

　　根據血糖監護網絡的需要， 網絡節點應具備CDMA 蜂窩通信、2.4G 無線射頻通信和血糖檢測功能，同時節點還需為測量結果記錄時間和溫度信息， 除此之外， 網絡節點還應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 節點做如圖 3 所示的整體設計， 用 MCU(Micro Control Unit)作為主控控制其他模塊協調工作， RFD 從 FFD 的設計中裁剪掉CDMA 功能即可。

　　圖 3 FFD 節點整體設計

　　3.2 CDMA 蜂窩通信

　　FFD 節點所具備的 CDMA 蜂窩通信功能采用中興通 訊 研 制 的 CDMA2000 1X 單 800MHz 工業 模塊MC8332 來實現。 MC8332 支持最大 153。6Kbps 的數據上下行速度， 內置 TCP/IP 和 UDP/IP 協議棧， 支持 TCP 服務器協議和嵌入式 FTP 協議； 能夠方便用戶在 CDMA2000 移動網絡覆蓋的地方， 隨時隨地以無線方式連接互聯網， 收發 Email、瀏覽網頁、高速下載、在線播放視頻，同時它還能實現收發短信息和語音通話。

　　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、開關電路以及其他外圍接口電路網絡。 (2)為 MC8332 專門用于 AT 命令的串口與 MCU串口連接時的電平轉換電路， 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穩定的串口通信， 必需進行電平轉換。 (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； 由于 MC8332 的 RSSI_LED 驅動能力不夠， 故而用到了三極管對電流進行放大以驅動 LED燈工作。

　　按照圖 4 的原理圖實現了電路之后， 根據MC8332 的設計規范， 將 MCU 與 MC8332 連接的串口配置為 9。6kbps 波特率、1 位停止位、8 位數據位、無奇偶校驗模式并開啟中斷， 之后 MCU 便可通過串口發送 AT 命令并接收 MC8332 狀態信息對 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 連接發送數據的流程， (2)為利用 MC8332 通過 CDMA 蜂窩系統發送短信息的過程。 它們均由 MCU 發出的一系列 AT命令結合模塊的反饋來實現。

圖5 CDMA通信流程圖

　　3.3 2.4G 射頻通信

　　本血糖監護網絡的 FFD 節點和 RFD 節點均采用Atmel 公司生產的 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構， 包含 128KB Flash、4KB EEPROM、15KB SRAM片內存儲， 擁有定時器/計數器、模數轉換器、串口等豐富的外設， 超低低功耗。 同時， ATmega128RFA1 還在片上全面集成低功耗2.4GHz ISM頻帶收發器， 能夠完全兼容IEEE 802。15。4和ZigBee協議， 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的發送功率， 擁有128字節的幀緩存， 天線分集， 收發控制和基帶信號處理等特性。

　　所以 ，實現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換器 B2 轉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

　　電路實現后，通過設置寄存器配置2.4G模塊工作于兼容 IEEE 802。15。4 MAC 協議的擴展操作模式下， 將PANID 設為 0x5854， MAC 地址設置為前 32 位為 0 后 32位為機器編號， 同時設置用中斷處理數據收發。 本設計將 IEEE 802。15。4 協議幀中的內容數據制定為一個簡單的通信協議。 首先 RFD 設備廣播發送請求信息^req+0xFF； 收到 FFD 網關的允許信息^acpt+0xFF 之后RFD 設備廣播發送^ack+FFD MAC address+0xFF 確認所選FFD 網關； 之后 RFD 將數據以^data+數據內容+0xFF的格式發送到FFD節點； FFD在收到之后通過CDMA連接 互 聯 網 轉 發 ； 轉 發 成 功 之 后 回 復 RFD 以^ack+upok+0xFF 確認上傳成功。 在一個 FFD 網關通信范圍內一臺 RFD 與其通信的空隙， 如果另一臺 RFD 請求發送， 則 FFD 將不響應。 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 充當網關， 而^acpt+0xFF 較晚被 RFD 收到的 FFD 在收到RFD 發出的網關 MAC 地址確認后回到原來的工作狀態。

　　3.4 其他功能

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

　　4 結語

　　本文參考當下被熱門研究的無線傳感器網絡和體域網的相關技術與思想， 利用 CDMA 蜂窩移動通信技術和 2.4G 射頻通信技術設計了可用于個人和一定范圍內多個用戶的無線遠程血糖監護網絡并對網絡節點的設計與實現進行了介紹， 重點講述了網絡節點網絡通信功能的設計與實現。 本血糖監護網絡能夠實現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護人員的治療指導， 減輕患者的痛苦， 提高醫護人員的工作效率； 同時存儲在遠端服務器內的血糖濃度歷史數據能夠給病情分析提供精確可靠的依據。