Linux平臺(tái)下遠(yuǎn)程多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

劉繼忠，王保磊，黃 翔，陳海初，張 華

（1.南昌大學(xué) 機(jī)器人研究所，江西 南昌 330031；2.撫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，江西 撫州 344000）

Linux平臺(tái)下遠(yuǎn)程多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

劉繼忠1，王保磊1，黃 翔2，陳海初1，張 華1

（1.南昌大學(xué) 機(jī)器人研究所，江西 南昌 330031；2.撫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，江西 撫州 344000）

利用新一代通信網(wǎng)絡(luò)GPRS（General Packet Radio Service）與IP網(wǎng)絡(luò)的無縫接入設(shè)計(jì)了一種人體多生理參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用CSN808傳感器模塊，基于嵌入式Linux平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)心電波、血壓、體溫、脈搏和血氧飽和度等5大生理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，具有參數(shù)異常報(bào)警功能。測試表明：系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示各項(xiàng)生理參數(shù)，適用于家庭護(hù)理、醫(yī)院等場合。

生理參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)傳輸；無線通信；嵌入式

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字家庭的網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化成為業(yè)內(nèi)的發(fā)展方向[1]。本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程人體生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可用于家庭監(jiān)護(hù)，也為家庭智能管理如遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程查詢、管理與監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)、家庭能源管理、遠(yuǎn)程集中抄表等提供了借鑒[2]。因?yàn)槟壳盎赑C的監(jiān)護(hù)儀不但價(jià)格昂貴，不方便移動(dòng)使用，且只能適用于類似醫(yī)院的固定場所。因此很多患慢性病且具有自由活動(dòng)能力的人會(huì)被現(xiàn)有的監(jiān)護(hù)方式束縛在醫(yī)院和病床上[3]。另外，現(xiàn)在看病專家難預(yù)約的問題也較為突出。針對(duì)這些問題，利用移動(dòng)通信技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心以供遠(yuǎn)程診斷，具有參數(shù)異常報(bào)警功能，功能強(qiáng)大、便攜移動(dòng)。并且目前生理參數(shù)的監(jiān)護(hù)已成為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4]。

1 硬件設(shè)計(jì)

多生理參數(shù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，CSN808的5個(gè)傳感器模塊實(shí)現(xiàn)心電波（ECG）、無創(chuàng)血壓（NIBP）、血氧飽和度（SPO2）、脈搏和體溫參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，并按照RS-232協(xié)議，由串口向主控模塊發(fā)送生理參數(shù)數(shù)據(jù)包[5]。主控模塊選用三星公司的S3C2440作為主控芯片，該芯片是以ARM作為架構(gòu)的ARM920T的微處理器核心[6]，支持嵌入式Linux系統(tǒng)、NAND Flash、網(wǎng)卡等，具有主頻高、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。GPRS通信模塊選擇BENQ M22與ARM串口通信。在應(yīng)用M22時(shí)需要注意電源匹配，M22的VBAT電源管腳電壓范圍是3.4～4.5 V，模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)電流消耗較大，峰值電流可能達(dá)到2 A，所以電源一定要能夠提供2 A以上的電流。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括本地監(jiān)護(hù)終端程序和遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心程序。本地終端程序完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、分析、補(bǔ)償，并將數(shù)據(jù)傳遞到用戶空間的地址中；應(yīng)用程序通過發(fā)送AT指令使數(shù)據(jù)發(fā)往遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心。監(jiān)護(hù)中心主要是接收數(shù)據(jù)并校準(zhǔn)、實(shí)時(shí)顯示。

2.1 本地監(jiān)護(hù)終端程序的設(shè)計(jì)

2.1.1 采集模塊通信協(xié)議的約定

獲取傳感器數(shù)據(jù)的關(guān)鍵是約定好通信協(xié)議，系統(tǒng)中CSN808傳感器模塊與ARM采用RS-232串行數(shù)據(jù)發(fā)送，約定19 200 baud、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無奇偶校驗(yàn)位，發(fā)送數(shù)據(jù)以每秒2個(gè)數(shù)據(jù)包（50 byte）的形式進(jìn)行發(fā)送。ARM端收到的數(shù)據(jù)包如表1所示，表1以溫度數(shù)據(jù)為例說明。前兩行與后兩行數(shù)據(jù)分別代表讀取一次溫度傳感器的信息。每一行代表一個(gè)數(shù)據(jù)包，其中55 AA為數(shù)據(jù)包頭。系統(tǒng)能同時(shí)讀取兩路溫度傳感器的數(shù)據(jù)，在參數(shù)命令字節(jié)中0D與2F分別表示一路溫度傳感器。進(jìn)一步分析可知，CSN808是輪詢所有傳感器模塊的，這樣保證每個(gè)傳感器模塊能得到及時(shí)響應(yīng)。在測試時(shí)，由于只連接了一路溫度傳感器，對(duì)比兩次讀取的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)只有0D路傳感器溫度值變化，將讀取的值分離出來，用公式（DATA+200）/10可換算成攝氏溫度。分析所有收到的數(shù)據(jù)可知，傳感器上電后，第一次發(fā)出的數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的，應(yīng)該舍棄掉，從而保證實(shí)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表1 ARM端收到的數(shù)據(jù)包格式

2.1.2 GPRS接入Internet的通信實(shí)現(xiàn)

GPRS是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的分組交換系統(tǒng)，并與互聯(lián)網(wǎng)Internet相聯(lián)。如圖2所示，GPRS網(wǎng)絡(luò)主要由在GSM基站中新增加的GPRS業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)組成。信息數(shù)據(jù)先通過GPRS調(diào)制解調(diào)器與當(dāng)?shù)氐腉SM基站中的GPRS業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信并進(jìn)入GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后通過GPRS網(wǎng)關(guān)與Internet進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。采用GPRS方式接入Internet在鏈路層采用的是PPP（Point to Point Protocol）協(xié)議[7]。PPP協(xié)議又分3個(gè)子協(xié)議[8]：鏈路控制子協(xié)議LCP（Link Control Protocol）用于設(shè)定、測試并建立數(shù)據(jù)鏈路；PAP（Password Authentication Protoco）子協(xié)議認(rèn)證用戶名和密碼；網(wǎng)絡(luò)控制子協(xié)議NCP（Network Core Protocol）設(shè)IP為控制協(xié)議IPCP（IP Control Protocol）。發(fā)起連接后經(jīng)LCP，PAP和NCP執(zhí)行，PPP協(xié)商成功后系統(tǒng)成功遠(yuǎn)程登入Internet，并得到GPRS網(wǎng)關(guān)分配給自己的A類IP。具體實(shí)現(xiàn)指令為：

需要注意的是，GPRS模塊與監(jiān)護(hù)中心PC通過Internet連接，每次都必須是GPRS模塊發(fā)起請(qǐng)求，并且連接地址必須是公網(wǎng)IP。這樣PC機(jī)才會(huì)獲得GPRS的IP及用于通信的端口號(hào)。

2.1.3 兩端Socket通信實(shí)現(xiàn)

在監(jiān)護(hù)中心下建立Socket描述符，填充Socketaddr結(jié)構(gòu)體、bind描述符到IP地址。核心代碼如下：

然后發(fā)起listen偵聽連接請(qǐng)求。等待GPRS終端發(fā)起connnet連接請(qǐng)求，進(jìn)行通信。當(dāng)連接成功后，GPRS終端就可以作為一個(gè)獨(dú)立的Internet主機(jī)與監(jiān)護(hù)中心通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心程序的設(shè)計(jì)

在監(jiān)護(hù)終端主要是動(dòng)態(tài)顯示心電波、無創(chuàng)血壓、血氧飽和度、脈搏和體溫參數(shù)，程序流程圖如圖3所示。由于系統(tǒng)是多參數(shù)采集，需要畫出的波形有6路（5路ECG波形和1路SPO2波形），如果在主線程中進(jìn)行大量的讀寫串口及顯示操作，將會(huì)使系統(tǒng)處于假死狀態(tài)，嚴(yán)重影響實(shí)時(shí)顯示，因此系統(tǒng)采用多線程技術(shù)，進(jìn)行模塊化編程處理。軟件采用3級(jí)結(jié)構(gòu)解決了假死問題，流暢地實(shí)現(xiàn)了串口數(shù)據(jù)的讀?。?/p>

1）讀線程負(fù)責(zé)監(jiān)控串口事件；

2）回調(diào)函數(shù)通知主線程數(shù)據(jù)分析，然后通過信號(hào)槽機(jī)制連接到繪圖處理函數(shù)；

3）進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，終端顯示參數(shù)與繪制波形等。

由于在Qt通信機(jī)制中是利用串口是以ASCLL碼的形式收發(fā)數(shù)據(jù)的，而對(duì)收到的數(shù)據(jù)處理格式及發(fā)送的命令格式都是數(shù)據(jù)串（QString）格式的，所以在發(fā)送及接收數(shù)據(jù)時(shí)要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。接收數(shù)據(jù)時(shí)主要依賴函 數(shù) QString（"%1"）.arg（outChar＆0xFF，2，16，QLatin1Char（'0'）），將接收的數(shù)據(jù)outChar轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)用于后續(xù)處理。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)依賴函數(shù)ConvertHexChar（char ch）將字符串轉(zhuǎn)換為相應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)，利用函數(shù)String2Hex（QString str，QByteArray ＆senddata）將相應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為ASCLL碼。

在終端顯示界面中，本文主要介紹心電波的顯示。每路波形一次允許顯示25個(gè)數(shù)據(jù)，定義了5個(gè)ECG數(shù)組用于保存接收到的波形數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)組元素個(gè)數(shù)大于2時(shí)開始繪圖，當(dāng)數(shù)組存滿時(shí)，將數(shù)組的數(shù)據(jù)同時(shí)右移一位，此時(shí)數(shù)組的首位元素為空將被用來更新數(shù)據(jù)。核心代碼為：

以上三句分別指明了建立對(duì)象、創(chuàng)建線程、連接槽函數(shù)。在槽函數(shù)里有啟動(dòng)線程的操作，然后開始畫波形，畫波形的核心函數(shù)為void SahuWaveScene：：drawWave（）。在繪制出心電波形后，要對(duì)波形校準(zhǔn)，使其符合醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。方法為：把標(biāo)準(zhǔn)波形輸入串口，將系統(tǒng)繪制的波形與之對(duì)比，得出偏差值，調(diào)整坐標(biāo)系，微調(diào)系統(tǒng)波形。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 超閾值報(bào)警分析

初次使用系統(tǒng)時(shí)，需要設(shè)置報(bào)警的參數(shù)，系統(tǒng)以文件的形式將參數(shù)保存并作為默認(rèn)的參數(shù)使用，直到更新新的參數(shù)需要重設(shè)。圖4為報(bào)警參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，其中NIBP為血壓報(bào)警參數(shù)，RESP為呼吸頻率的報(bào)警參數(shù)。這兩個(gè)參數(shù)的設(shè)置要參考醫(yī)學(xué)的正常范圍，本系統(tǒng)設(shè)置如圖4a所示。當(dāng)超出設(shè)定的值時(shí)會(huì)觸發(fā)本地報(bào)警。點(diǎn)擊More按鈕，顯示一個(gè)phone number設(shè)置模塊，如圖4b所示。發(fā)起GPRS端的撥號(hào)連接，目的是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警，使得遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心的護(hù)理人員及時(shí)處理異常事件。

3.2 參數(shù)顯示分析

遠(yuǎn)程多生理參數(shù)采集系統(tǒng)交互顯示界面如圖5所示。中間5路顯示為心電波形，測試時(shí)連接了3路（醫(yī)學(xué)上稱為I，III，AVR）。右側(cè)為體溫1和體溫2雙體溫通道參數(shù)（針對(duì)如腋下、舌下或額頭等），溫度采集連接了1路。血壓參數(shù)包括收縮壓、舒張壓以及袖帶壓力CUFF，其中袖帶壓力CUFF是隨著血壓測量過程始終變化的，直至血壓測量結(jié)束；收縮壓與舒張壓是在測量結(jié)束后經(jīng)過計(jì)算得來的值，所以這兩個(gè)參數(shù)是在血壓模塊測量結(jié)束后顯示。體溫?cái)?shù)值、收縮壓、舒張壓數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5a右邊所示，血氧飽和度波形如圖5b所示。

將系統(tǒng)接收到的5路心電數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，通過MATLAB建模，得到實(shí)測波形與標(biāo)準(zhǔn)波形的仿真圖，通過圖6可知實(shí)測得到的波形數(shù)據(jù)與醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)波形吻合，偏差在可接受的范圍內(nèi)，完全能夠正確反映人體生理參數(shù)情況。通過實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能長期、穩(wěn)定、可靠的工作。

4 結(jié)語

在嵌入式操作系統(tǒng)Linux平臺(tái)下，基于GPRS無線通信技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，采用多線程技術(shù)及3級(jí)軟件架構(gòu)，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)解決了現(xiàn)有PC監(jiān)護(hù)儀不便攜、無法遠(yuǎn)程診斷的問題。實(shí)現(xiàn)了本地報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警。并通過建模仿真，驗(yàn)證了實(shí)測波形與醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)波形的吻合性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)具有功耗低、功能強(qiáng)、準(zhǔn)確度高、實(shí)時(shí)性好、價(jià)格便宜、便攜性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合家庭個(gè)人監(jiān)護(hù)及現(xiàn)場救助監(jiān)護(hù)需要，并且可以為數(shù)字家庭中網(wǎng)絡(luò)互連、遠(yuǎn)程傳輸?shù)忍峁┘夹g(shù)借鑒。

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黃 翔（1957—），副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)；

陳海初（1978—），副教授，主要研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)電系統(tǒng)；

張 華（1964—），教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)等。

Design of Embedded Multiple Physiological Parameters Monitoring System Based on Linux Platform

LIU Jizhong1，WANG Baolei1，HUANG Xiang2，CHEN Haichu1，ZHANG Hua1

（1.Institute of Robotics，Nanchang University，Nanchang 330031，China；2.Fuzhou Vocational&Technical College，Jiangxi Fuzhou 344000，China）

Taking use of a new generation of communication network GPRS（General Packet Radio Service）and IP network seamless access,a multiple physiological parameters monitoring system is designed，which is based on a CSN808 sensor module and constructed Linux system platform.Five physiological parameters of blood pressure，temperature，heart wave，and blood oxygen saturation can be monitored by the system.When the measured parameters are over or below the patient＇s normal range of values，it can trigger alarm.Experiments show the system can monitor and display the parameters steadily and real-timely with its portable advantage in size.

physiological parameter；network transmission；wireless communication；embedded system

TP216；TN92

A

【本文獻(xiàn)信息】劉繼忠，王保磊，黃翔，等.Linux平臺(tái)下遠(yuǎn)程多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2013，37（14）.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50905083；61273282）；江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2008BA00400）

劉繼忠（1974—），副教授，主要研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)電系統(tǒng)與機(jī)器人技術(shù)；

王保磊（1987—），碩士生，主要研究方向?yàn)榍度胧津?qū)動(dòng)開發(fā)，為本文通信作者；

責(zé)任編輯：時(shí) 雯

2012-10-16